«

»

ZigBee – inteligentny dom bezprzewodowo

Zigbee

Logo ZigBee [www.zigbee.org]

Od 1998 roku stowarzyszenie ZigBee Alliance tworzy protokół bezprzewodowej nisko energetycznej sieci czujników, urządzeń sterowania oraz monitoringu. Założenia projektu w dużej mierze są zgodne z założeniami standardu 802.15.4, który został wybrany jako podstawa definiująca warstwę fizyczną oraz część warstwy dostępu do medium  (wg. OSI warstwę łącza danych). Stos protokołu ZigBee zawiera się w kolejnych warstwach tj. zgodnie z OSI są to warstwy sieci, transportu i sesji.
Najwyższe warstwy czyli prezentacji i aplikacji są wstępnie opisywane przez protokół. Zarówno producenci sprzętu jak i samego oprogramowania implementują w tych warstwach swoje rozwiązania [1].

W roku 2004. ZigBee Alliance posiadając 25. członków wydała pierwszą specyfikację protokołu ZigBee. W 2008 zaczęto nadawać urządzeniom znak ZigBee Certified Product. Obecnie liczba certyfikowanych urządzeń przekracza 600 modeli a stowarzyszenie liczy ponad 400. członków [1].

Protokoły i profile

Aktualnie ZigBee Alliance wprowadziło trzy specyfikacje bazujące na standardzie IEEE 802.15.4. Są to ZigBee, ZigBee IP, oraz ZigBee RF4CE. Pierwsza specyfikacja została dodatkowo wzbogacona o drugą implementacje o nazwie ZigBee Pro. Podstawowa specyfikacja pozwala na tworzenie sieci o kilkuset węzłach i nie jest ona już rozwijana. ZigBee Pro pozwala na tworzenie sieci o ponad 64000 węzłach.

zigbee

Rys. 1 Przykładowa topologia sieci ZigBee i ZigBee Pro [opr. własne]


Koordynatory sieci można dodatkowo łączyć co pozwala tworzyć sieci o nieograniczonej liczbie węzłów. Cechy wspólne ZigBee i ZigBee Pro to między innymi topologia, energooszczędność, grupowe adresowanie oraz automatyczny wybór kanału. Urządzenia projektowane zarówno do pracy w sieci ZigBee jaki i ZigBee Pro mogą pracować w tej samej sieci każdej z powyższych implementacji. W roku 2012 wprowadzono wersję ZigBee Pro pozwalającą na używanie urządzeń zasilanych bezbateryjnie np. z ogniwa fotowoltaicznego bądź piezoelektrycznego. Umożliwia to instalowanie czujników w miejscach w których wymiana baterii będzie kłopotliwa bądź niemożliwa [1].

Na rysunku 1 przedstawiono przykładową sieć ZigBee z koordynatorem będącym jednocześnie bramą komunikacyjną z siecią LAN. Poprzez sieć LAN i Internet można uzyskać zdalne sterowanie siecią domową. Wyraźny jest podział na urządzenia o pełnej funkcjonalności sieciowej (FFD) obsługujących routing i o zredukowanej funkcjonalności sieciowej (RFD) [1].

Najnowszą specyfikacją jest ZigBee IP. Najważniejszą cechą sieci ZigBee IP jest adresowanie oparte na protokole IPv6 (ang. Internet Protocol ver. 6) podobnie jak w przypadku sieci Internet. Każdy węzeł jest przyporządkowany odrębnemu adresowi IPv6. Umożliwia to integrację sieci PAN np. z opartą na IPv6 siecią LAN. Obok koordynatora i routera ZigBee występuje tu również urządzenie o nazwie router graniczny, będące bramą komunikacyjną pomiędzy siecią ZigBee, a inną opartą na protokole IP. Na rysunku 2 przedstawiono przykładową sieć ZigBee IP z urządzeniem granicznym połączonym z siecią LAN. W tym przypadku z punktu widzenia adresowania IP urządzenia przedstawionych sieci LAN i PAN są w jednej podsieci [1].

zigbeeip

Rys. 2 Przykładowa topologia sieci ZigBee IP [opr. własne]


RF4CE (ang. Radio Frequency for Consumer Electronics) odróżnia się od pozostałych specyfikacji ZigBee. Głównym celem RF4CE jest wyparcie pilotów zdalnego sterowania bazujących na komunikacji IR na rzecz radiowych sieci PAN. Przewagą kontrolerów radiowych jest niewątpliwie brak konieczności pewnej drogi dla promieniowania optycznego jak to ma miejsce w pilotach nadajnikach podczerwieni oraz łatwiejsza możliwość komunikacji dwustronnej. Sieci WPAN w RF4CE tworzone są na zasadzie parowania kontrolera ze sterowanym urządzeniem np. telewizorem. Rys. 3 przedstawia przykładowe sieci ZigBee RF4CE utworzone w celu  sterowania trzema urządzeniami: telewizorem, odtwarzaczem DVD i dekoderem STB. Na rysunku widzimy pilot wielofunkcyjny będący sparowany ze wszystkimi trzema sterowanymi urządzeniami. Gdy użytkownik wybierze funkcję odpowiadającą danemu urządzeniu pilot łączy się z nim we właściwej dla niego sieci [1].

RF4CE korzysta z trzech kanałów pasma 2,4 GHz tj. kanału 15. o częstotliwości 2425 MHz, kanału 20. o częstotliwości 2450MHz oraz kanału 25. o częstotliwości 2475 MHz. Urządzenie sterowane na początku transmisji może wybrać najlepszy możliwy kanał, zatem każda sieć może pracować na wszystkich trzech częstotliwościach. Specyfikacja obsługuje komunikaty z potwierdzeniem odbioru i bez. Umożliwia komunikację typu unicast, broadcast i multicast. Każdy komunikat w sieci jest szyfrowany za pomocą protokołu AES-128 [1].

Ochrona transmisji zaimplementowana w RF4CE zapewnia poufność danych, autentyczność źródła oraz mechanizm obrony przed powielaniem sygnału. Zapewnia to bezpieczeństwo komunikacji w sieci WPAN [1].

Obok specyfikacji sieci ZigBee Alliance definiuje standardy użycia ZigBee w dziesięciu dziedzinach organizacji życia człowieka. Są to kolejno Building Automation, Remote Control, Smart Energy, Smart Energy Profile 2, Health Care, Home Automation, Input Device, Light Link, Retail Services oraz Telecom Services [1].

rf4ce

Rys. 3 Przykładowa topologia sieci ZigBee RF4CE [opr. własne]

W związku ze specyfiką tematu kolejne podrozdziały będą w szczególności opisywać specyfikację podstawową ZigBee (ZigBee Pro) oraz standardy Building Automation, Home Automation oraz Light Link.

Topologia i typy urządzeń

Topologia sieci, jak przedstawiono w rozdziale 5.2, zależy od użytej specyfikacji ZigBee. Standard IEEE 802.15.4 definiuje topologię „każdy z każdym” i gwiazdy. Wyższe warstwy modelu OSI za które odpowiedzialne jest już ZigBee wprowadzają rozszerzenie tego sposobu połączeń do topologii mesh bądź drzewa. Szczególne znaczenie w budowaniu sieci ma rodzaj użytych urządzeń. Urządzenia FFD mają możliwość routingu i w zasadzie to na nich opiera się struktura sieci kratowej. Urządzenia RFD w sieciach ZigBee będące najczęściej np. sensorami temperatury, ruchu bądź zalania są węzłami końcowymi sieci i komunikują się z nią najczęściej poprzez jeden router ZigBee (FFD) [1, 2].

Najważniejsze urządzenie w sieci ZigBee to koordynator. Jest to najwcześniej uruchamiany element sieci. Koordynator prowadzi nasłuch w pierwszym ustalonym przy formowaniu sieci kanale. Jeżeli wykryje energię przesuwa się do następnego kanału, znajdując wolny. Każda sieć PAN ma identyfikator PAN ID. Urządzenia ZigBee szukają koordynatora w ustalonych kanałach posługując się właśnie PAN ID. W procesie tworzenia sieci koordynator nadaje urządzeniom 16-bitowy adres sieciowy. Służy on to przesyłania danych pomiędzy urządzeniami. Jednocześnie każde urządzenie posiada fabryczny 8-bitowy adres MAC [1].

Założeniem ZigBee jest to by każde urządzenie typu FFD tj. koordynator i routery były zawsze zasilane bez możliwości przejścia tych urządzeń w stan uśpienia. Urządzenia końcowe nie prowadzące komunikacji mogą przechodzić w stan uśpienia na ustalony okres. Jeżeli w tym okresie w sieci pojawi się informacja adresowana do uśpionej jednostki jest ona przechowywana przez zasocjowany do niej router. Po wybudzeniu urządzenie końcowe wysyła żądanie otrzymania danych. Stan uśpienia nie jest koniecznością. Urządzenia końcowe mogą być również programowane do ciągłej gotowości [1].

Dostępne urządzenia

Poniżej przedstawiono cztery przykłady urządzeń ZigBee z różnych systemów inteligentnego budynku.

Control4 C4-DM201-Z – dopuszkowy ściemniacz o maksymalnym obciążeniu 400W. Umożliwia ściemnianie źródeł żarowych, halogenowych, fluorescencyjnych, kompaktowych fluorescencyjnych, oraz LED. Samoczynnie wykrywa rodzaj źródła światła. Urządzenie współpracuje z wieloma rodzajami klawiszy naściennych marki Control4. Pasuje do okrągłych i kwadratowych puszek. Ściemniacz mierzy i raportuje poziom zużycia energii. Dla źródeł żarowych i halogenowych istnieje możliwość instalacji urządzenia bez konieczności podłączania przewodu neutralnego [3].

REXENSE RG310 – bateryjny czujnik otwarcia drzwi. Urządzenie zaprojektowane jako czujnik alarmowy informujący koordynator o otwarciu drzwi bądź oderwaniu od podłoża. Czujnik zasilany jest z dwoma bateriami 1,5 V typu AAA [1].

Netvox Z-202C – koordynator ZigBee z funkcją bramy TCP/IP. Urządzenie posiada wbudowany serwer WEB dla kontroli sieci ZigBee. Umożliwia dostęp do danych przekazywanych przez węzły, kontrolę nad siecią w tym zmianę konfiguracji i ustawień systemu [4].

Netvox Z-B01– czujnik ruchu ZigBee. Wykrywa obecność za pomocą detekcji podczerwieni i przekazuje dane do sieci ZigBee. Dane można wykorzystać jako czynnik sterujący światłem bądź jako alarm. Zasilany bateryjnie (2 x CR123A) lub napięciem stałym o wartości 12 V [4].

Perspektywy rozwoju

Technologia ZigBee w związku ze swoją uniwersalnością wydaje się być bardzo przyszłościowa. Różnorodność specyfikacji i standardów pozwala producentom na użycie gotowych modułów ZigBee  od takich producentów jak np. Atmel lub Digi, które można programować dowolnie wedle wybranego profilu. Cena modułów wacha się od kilku do kilkudziesięciu dolarów za sztukę. Z tego punktu widzenia gotowe moduły Z-Wave wypadają niewiele korzystniej, a profity wynikające z różnorodności ZigBee są nieocenione. Ciągły rozwój technologii, w tym wprowadzenie specyfikacji ZigBee IP, która jeszcze bardziej ujednolica sieci, ich strukturę i adresowanie, jest niewątpliwie zaletą.  Dodatkowo należy zwrócić uwagę na wpływ opisania dolnych warstw protokołu przez standard IEEE dzięki czemu technologia zawiera wiele niezastąpionych, opatentowanych przez IEEE technik. Z punktu widzenia koegzystencji sieci ZigBee, Wi-Fi i Bluetooth w jednym rejonie, użycie przez wszystkie te technologie mechanizmu CSMA-CA oraz zmiany kanału pozwala na bezproblemowe korzystanie z jednego pasma [1, 2, 5, 6].

Oszczędność energii jest dziś jednym z podstawowych problemów cywilizacyjnych dlatego nowe specyfikacje ZigBee wspierające tzw. energy harvesting, czyli urządzenia pobierające energię z otoczenia, są dodatkowo gratyfikowane i ich rozwój ma społeczną aprobatę.  [1, 2].

 


[1]          ZigBee Alliance, Opis technologii ZigBee, [Dostęp: 11.12.2012], http://www.zigbee.org/
[2]          IEEE 802.15.4 Low-Rate Wireless Personal Standard, The Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc., New York, 2011.
[3]          Control4, Opis systemu Control4, [Dostęp: 01.02.2013] , http://www.control4.com/
[4]          Netvox, Opis systemu Netwox, [Dostęp: 08.03.2013] , http://www.netvox.com.tw/‎
[5]          ZigBee Resource Guide, a Webcom Communications Publication, [Dostęp: 10.01.2013], http://www.zigbeeresourceguide.com/
[6]          Z-Wave Alliance, Opis technologii Z-Wave, [Dostęp: 05.11.2012], http://www.z-wave.com/

O autorze

Artur Wiśniewski

Absolwent Elektrotechniki na Politechnice Poznańskiej. Zagorzały orędownik technik bezprzewodowych w automatyce. Łącząc przyjemne z pożytecznym od pięciu lat zajmuje się tematyką inteligentnych domów. Zamiłowania do muzyki i motoryzacji splotły jego ścieżkę z poznańską firmą Car Audio System gdzie niegdyś zajmował się nagłośnieniem. Obecnie specjalista ds. układów elektrycznych w znanym koncernie branży home appliance.


KOPIOWANIE ZAWARTOŚCI NINIEJSZEJ WITRYNY JEST BEZWZGLĘDNIE ZABRONIONE.

KAŻDY ODKRYTY PRZYPADEK WYKORZYSTANIA POWYŻSZEJ TREŚCI BEZ ZGODY TWÓRCÓW WISNIEWSKI.WF BĘDZIE SKUTKOWAĆ POSTĘPOWANIEM SĄDOWYM.