Architektura technologii ZigBee i jej zastosowania

W obecnym świecie komunikacji istnieje wiele dostępnych standardów komunikacyjnych o dużej szybkości transmisji danych, ale żaden z nich nie spełnia standardów komunikacyjnych czujników i urządzeń sterujących. Te standardy komunikacyjne o dużej szybkości transmisji danych wymagają małych opóźnień i niskiego zużycia energii, nawet przy niższych przepustowościach. Dostępna, opatentowana technologia Zigbee systemów bezprzewodowych jest tania i zużywa mało energii, a jej doskonałe i doskonałe właściwości sprawiają, że ta komunikacja najlepiej nadaje się do kilka wbudowanych aplikacji , sterowanie przemysłowe, automatyka domowa i tak dalej. Zakres technologii Zigbee dla odległości transmisji wynosi głównie od 10 do 100 metrów w oparciu o moc wyjściową oraz charakterystykę środowiskową.

Co to jest technologia Zigbee?

Komunikacja Zigbee jest specjalnie zbudowana dla sieci sterowania i czujników w standardzie IEEE 802.15.4 dla bezprzewodowych sieci osobistych (WPAN) i jest produktem sojuszu Zigbee. To standard komunikacji definiuje warstwy fizyczne i warstwy kontroli dostępu do nośników (MAC) do obsługi wielu urządzeń przy niskich szybkościach transmisji danych. Te sieci WPAN Zigbee działają z częstotliwościami 868 MHz, 902-928 MHz i 2,4 GHz. Szybkość transmisji 250 kb / s najlepiej nadaje się do okresowej i pośredniej dwukierunkowej transmisji danych między czujnikami a sterownikami.

Co to jest technologia Zigbee?

Zigbee to niedroga i energooszczędna sieć kratowa szeroko stosowana do sterowania i monitorowania aplikacji, w których obejmuje 10-100 metrów w zasięgu. Ten system komunikacji jest tańszy i prostszy niż inne firmowe systemy krótkiego zasięgu bezprzewodowe sieci czujników jak Bluetoot hi Wi-Fi.

Zigbee Modem

Zigbee obsługuje różne konfiguracje sieciowe dla komunikacji master do master lub master do slave. Ponadto może pracować w różnych trybach, dzięki czemu energia baterii jest oszczędzana. Sieci Zigbee można rozbudowywać za pomocą routerów i umożliwiają wielu węzłom łączenie się ze sobą w celu budowy sieci o większym zasięgu.

Historia technologii Zigbee

W 1990 roku wdrożono cyfrowe sieci radiowe z samoorganizującą się ad hoc. Specyfikacja Zigbee, taka jak IEEE 802.15.4-2003, została zatwierdzona w roku 2004, 14 grudnia. Specyfikacja 1.0 została ogłoszona przez Zigbee Alliance w 2005 roku, 13 czerwca, nazwana Specyfikacją ZigBee 2004.

Biblioteka klastrów

We wrześniu 2006 roku ogłoszono specyfikację Zigbee 2006, zastępując stos z 2004 roku. Tak więc ta specyfikacja zastępuje głównie strukturę par klucz-wartość, a także komunikat używany w stosie 2004 za pośrednictwem biblioteki klastrów.

Biblioteka zawiera zestaw spójnych poleceń, zaplanowanych pod grupami zwanymi klastrami o nazwach takich jak automatyka domowa, inteligentne łącze do energii i światła w ZigBee. W roku 2017 nazwa biblioteki została zmieniona na Dotdot przez Zigbee Alliance i ogłoszona jako nowy protokół. Tak więc ten Dotdot działał dla prawie wszystkich urządzeń Zigbee jako domyślna warstwa aplikacji.

Zigbee Pro

W 2007 roku Zigbee Pro, podobnie jak Zigbee 2007, został sfinalizowany. Jest to jedyny rodzaj urządzenia, które działa w starszej sieci Zigbee. Ze względu na rozbieżności w opcjach routingu urządzenia te powinny zamienić się w nierutujące ZED lub urządzenia końcowe Zigbee (ZED) w starszej sieci Zigbee. Starsze urządzenia Zigbee muszą zamienić się w urządzenia końcowe Zigbee w sieci Zigbee Pro. Działa w paśmie ISM 2,4 GHz, a także zawiera pasmo sub-GHz.

Jak działa technologia Zigbee?

Technologia Zigbee współpracuje z radiotelefonami cyfrowymi, umożliwiając różnym urządzeniom komunikację między sobą. Urządzenia wykorzystywane w tej sieci to router, koordynator oraz urządzenia końcowe. Główną funkcją tych urządzeń jest dostarczanie instrukcji i komunikatów od koordynatora do pojedynczych urządzeń końcowych, takich jak żarówka.

W tej sieci koordynator jest najważniejszym narzędziem, które znajduje się u podstaw systemu. W każdej sieci jest po prostu jeden koordynator, który wykonuje różne zadania. Wybierają odpowiedni kanał, aby przeskanować kanał, a także znaleźć najbardziej odpowiedni przy minimalnych zakłóceniach, przydzielić wyłączny identyfikator oraz adres każdemu urządzeniu w sieci, aby w przeciwnym razie komunikaty mogły być przesyłane w sieci .

Routery są rozmieszczone między koordynatorem, jak i urządzeniami końcowymi, które są odpowiedzialne za routing komunikatów między różnymi węzłami. Routery odbierają wiadomości od koordynatora i przechowują je do momentu, gdy ich urządzenia końcowe będą w stanie je odebrać. Mogą również umożliwiać innym urządzeniom końcowym, a także routerom, łączenie się z siecią

W tej sieci małe informacje mogą być kontrolowane przez urządzenia końcowe, komunikując się z węzłem nadrzędnym, takim jak router lub koordynator w oparciu o typ sieci Zigbee. Urządzenia końcowe nie komunikują się bezpośrednio między sobą. Po pierwsze, cały ruch może być kierowany do węzła nadrzędnego, takiego jak router, który przechowuje te dane do momentu, gdy urządzenie odbierające urządzenie będzie w stanie je przekazać. Urządzenia końcowe są używane do żądania wiadomości oczekujących od rodzica.

Architektura Zigbee

Struktura systemu Zigbee składa się z trzech różnych typów urządzeń, takich jak koordynator Zigbee, router i urządzenie końcowe. Każda sieć Zigbee musi składać się z co najmniej jednego koordynatora, który działa jako główny i pomost w sieci. Koordynator jest odpowiedzialny za obsługę i przechowywanie informacji podczas wykonywania operacji odbierania i przesyłania danych.

Routery Zigbee działają jako urządzenia pośredniczące, które umożliwiają przesyłanie danych przez nie do innych urządzeń. Urządzenia końcowe mają ograniczoną funkcjonalność komunikacji z węzłami nadrzędnymi, tak że energia baterii jest oszczędzana, jak pokazano na rysunku. Liczba routerów, koordynatorów i urządzeń końcowych zależy od rodzaju sieci, takich jak gwiazdy, drzewa i siatki.

Architektura protokołu Zigbee składa się ze stosu różnych warstw, w których IEEE 802.15.4 jest definiowany przez warstwy fizyczne i warstwy MAC, podczas gdy protokół ten jest uzupełniany przez gromadzenie własnej sieci i warstw aplikacji Zigbee.

Architektura technologii ZigBee

Warstwa fizyczna : Ta warstwa wykonuje operacje modulacji i demodulacji odpowiednio po nadawaniu i odbieraniu sygnałów. Poniżej podano częstotliwość tej warstwy, szybkość transmisji danych i liczbę kanałów.

Warstwa MAC : Warstwa ta jest odpowiedzialna za niezawodną transmisję danych poprzez dostęp do różnych sieci z mechanizmem unikania kolizji wielokrotnego dostępu (CSMA). To również przesyła ramki nawigacyjne do synchronizacji komunikacji.

Warstwa sieci : Ta warstwa obsługuje wszystkie operacje związane z siecią, takie jak konfiguracja sieci, podłączanie urządzeń końcowych i odłączanie od sieci, routing, konfiguracje urządzeń itp.

Warstwa pomocnicza obsługi aplikacji : Ta warstwa umożliwia usługom niezbędnym obiektom urządzeń Zigbee i obiektom aplikacji łączenie się z warstwami sieciowymi dla usług zarządzania danymi. Ta warstwa odpowiada za dopasowanie dwóch urządzeń zgodnie z ich usługami i potrzebami.

Struktura aplikacji : Zapewnia dwa typy usług danych: parę klucz-wartość i ogólne usługi wiadomości. Ogólny komunikat jest strukturą zdefiniowaną przez programistę, podczas gdy para klucz-wartość służy do pobierania atrybutów w obiektach aplikacji. ZDO zapewnia interfejs między obiektami aplikacji a warstwą APS w urządzeniach Zigbee. Odpowiada za wykrywanie, inicjowanie i wiązanie innych urządzeń z siecią.

Tryby pracy Zigbee i jego topologie

Dwukierunkowe dane Zigbee są przesyłane w dwóch trybach: trybie bez sygnału ostrzegawczego i trybie sygnału nawigacyjnego. W trybie beacon koordynatorzy i routery stale monitorują aktywny stan przychodzących danych, co powoduje większe zużycie energii. W tym trybie routery i koordynatorzy nie śpią, ponieważ w każdej chwili każdy węzeł może się obudzić i komunikować.

Wymaga jednak więcej zasilania, a jego całkowity pobór mocy jest niski, ponieważ większość urządzeń pozostaje w stanie nieaktywnym przez długi czas w sieci. W trybie beacon, gdy nie ma transmisji danych z urządzeń końcowych, routery i koordynatory wchodzą w stan uśpienia. Okresowo ten koordynator budzi się i przesyła sygnały nawigacyjne do routerów w sieci.

Te sieci sygnalizacyjne działają w przedziałach czasowych, co oznacza, że ​​działają, gdy wymagana komunikacja powoduje mniejsze cykle pracy i dłuższe zużycie baterii. Te tryby beacon i non-beacon Zigbee mogą zarządzać okresowymi (dane z czujników), przerywanymi (przełączniki światła) i powtarzalnymi typami danych.

Topologie Zigbee

Zigbee obsługuje kilka topologii sieciowych, jednak najczęściej używanymi konfiguracjami są topologie gwiazdy, siatki i drzewa klastrów. Każda topologia składa się z co najmniej jednego koordynatora. W topologii gwiazdy sieć składa się z jednego koordynatora, który jest odpowiedzialny za inicjowanie i zarządzanie urządzeniami w sieci. Wszystkie inne urządzenia nazywane są urządzeniami końcowymi, które bezpośrednio komunikują się z koordynatorem.

Jest to używane w branżach, w których potrzebne są wszystkie urządzenia końcowe komunikować się z centralnym sterownikiem , a ta topologia jest prosta i łatwa do wdrożenia. W topologii siatki i drzewa sieć Zigbee jest rozszerzona o kilka routerów, w których koordynator jest odpowiedzialny za ich obserwację. Struktury te pozwalają dowolnemu urządzeniu na komunikację z dowolnym innym sąsiednim węzłem w celu zapewnienia redundancji danych.

Jeśli którykolwiek węzeł ulegnie awarii, informacje są automatycznie kierowane do innych urządzeń przez te topologie. Ponieważ redundancja jest głównym czynnikiem w przemyśle, najczęściej stosowana jest topologia siatki. W sieci drzewa klastrów, każdy klaster składa się z koordynatora z węzłami-liśćmi, a koordynatorzy ci są połączeni z koordynatorem nadrzędnym, który inicjuje całą sieć.

Ze względu na zalety technologii Zigbee, takie jak niskie koszty i tryby pracy o niskim poborze mocy oraz jej topologie, ta technologia komunikacji krótkiego zasięgu najlepiej nadaje się do kilku zastosowań w porównaniu do innych zastrzeżonych rozwiązań komunikacyjnych, takich jak Bluetooth, Wi-Fi itp. porównania, takie jak zasięg Zigbee, standardy itp. podano poniżej.

Dlaczego niskie szybkości transmisji danych w Zigbee?

Wiemy, że na rynku dostępne są różne rodzaje technologii bezprzewodowych, takie jak Bluetooth czy WiFi, które zapewnia dużą prędkość transmisji danych. Jednak szybkości transmisji danych w Zigbee są mniejsze, ponieważ głównym celem rozwoju ZigBee jest wykorzystanie go do sterowania bezprzewodowego, a także do monitorowania.

Ilość danych, a także częstotliwość komunikacji wykorzystywana w takich aplikacjach jest niezwykle niska. Chociaż jest prawdopodobne, że sieć taka jak IEEE 802.15.4 osiągnie wysokie szybkości transmisji danych, więc technologia Zigbee jest oparta na sieci IEEE 802.15.4.

Technologia Zigbee w IoT

Wiemy, że Zigbee jest rodzajem technologii komunikacyjnej podobnej do Bluetooth i Wi-Fi, jednak istnieje również wiele nowych, rozwijających się alternatyw sieciowych, takich jak Thread, który jest opcją w zastosowaniach automatyki domowej. W dużych miastach technologie białych przestrzeni zostały wdrożone w przypadku zastosowań opartych na IoT w szerszym regionie.

ZigBee to specyfikacja sieci WLAN o niskim poborze mocy (bezprzewodowej sieci lokalnej). Zapewnia mniej danych, zużywając mniej energii przez często podłączone urządzenia, aby wyłączyć baterię. W związku z tym otwarty standard został połączony poprzez komunikację M2M (machine-to-machine) oraz przemysłowy IoT (internet rzeczy).

Zigbee stał się protokołem IoT akceptowanym na całym świecie. Już konkuruje z Bluetooth, WiFi i Thread.

Urządzenia Zigbee

Specyfikacja IEEE 802.15.4 Zigbee obejmuje głównie dwa urządzenia, takie jak urządzenia w pełni funkcjonalne (FFD) oraz urządzenia o ograniczonej funkcji (RFD). Urządzenie FFD wykonuje różne zadania, które są wyjaśnione w specyfikacji i może przyjąć dowolne zadanie w sieci.

Urządzenie RFD ma częściowe możliwości, więc wykonuje ograniczone zadania i może komunikować się z dowolnym urządzeniem w sieci. Musi działać, a także zwracać uwagę w sieci. Urządzenie RFD może po prostu komunikować się z urządzeniem FFD i jest używane w prostych zastosowaniach, takich jak sterowanie przełącznikiem poprzez jego aktywację i dezaktywację.

W IEEE 802.15.4 n / w urządzenia Zigbee odgrywają trzy różne role, takie jak koordynator, koordynator PAN i urządzenie. W tym przypadku urządzenia FFD są koordynatorami, a także koordynatorami PAN, podczas gdy urządzenie jest urządzeniem RFD / FFD.

Główną funkcją koordynatora jest przekazywanie wiadomości. W sieci osobistej kontroler PAN jest podstawowym kontrolerem, a urządzenie jest znane jako urządzenie nie koordynujące.
Standard ZigBee może tworzyć trzy urządzenia protokołów w zależności od urządzeń Zigbee, koordynatora PAN, koordynatora i standardowej specyfikacji ZigBee, takich jak koordynator, router i urządzenie końcowe, które omówiono poniżej.

Koordynator Zigbee

W urządzeniu FFD jest to koordynator PAN służący do tworzenia sieci. Po ustanowieniu sieci przypisuje adres sieci do urządzeń używanych w sieci. A także kieruje wiadomości między urządzeniami końcowymi.

Router Zigbee

Router Zigbee to urządzenie FFD, które zapewnia zasięg sieci Zigbee. Ten router służy do dodawania większej liczby urządzeń do sieci. Czasami działa jako urządzenie końcowe Zigbee.

Urządzenie końcowe Zigbee

Nie jest to ani router, ani koordynator, który łączy się fizycznie z czujnikiem, w przeciwnym razie wykonuje operację sterowania. W zależności od aplikacji może to być RFD lub FFD.

Dlaczego ZigBee jest lepszy niż WiFi?

W Zigbee prędkość transferu danych jest mniejsza w porównaniu z Wi-Fi, więc jest to najwyższa prędkość to po prostu 250 kb / s. Jest to znacznie mniej w porównaniu z mniejszą prędkością WiFi.

Kolejną najlepszą cechą Zigbee jest szybkość wykorzystania energii, a także żywotność baterii. Jego protokół trwa kilka miesięcy, ponieważ po złożeniu można o nim zapomnieć.

Jakie urządzenia używają ZigBee?

Poniższa lista urządzeń obsługuje protokół ZigBee.

• Belkin WeMo
• Samsung SmartThings
• Inteligentne zamki Yale
• Philips Hue
• Termostaty firmy Honeywell
• Ikea Tradfri
• Systemy bezpieczeństwa firmy Bosch
• Comcast Xfinity Box firmy Samsung
• Hive Active Ogrzewanie i akcesoria
• Amazon Echo Plus
• Amazon Echo Show

Zamiast podłączać każde urządzenie Zigbee osobno, do sterowania wszystkimi urządzeniami potrzebny jest centralny koncentrator. Wyżej wymienione urządzenia, a mianowicie SmartThings, a także Amazon Echo Plus mogą być również używane jako koncentrator Wink, aby odgrywać istotną rolę w sieci. Centralny koncentrator skanuje sieć w poszukiwaniu wszystkich obsługiwanych urządzeń i zapewnia prostą kontrolę nad powyższymi urządzeniami za pomocą centralnej aplikacji.

Jaka jest różnica między ZigBee a Bluetooth?

Różnicę między Zigbee i Bluetooth omówiono poniżej.

Jaka jest różnica między LoRa a ZigBee?

Poniżej omówiono główne różnice między LoRa i Zigbee.

Zalety i wady technologii Zigbee

Zalety Zigbee są następujące.

• Ta sieć ma elastyczną strukturę sieci
• Żywotność baterii jest dobra.
• Zużycie energii jest mniejsze
• Bardzo proste do naprawienia.
• Obsługuje około 6500 węzłów.
• Niższy koszt.
• Jest samoleczący, a także bardziej niezawodny.
• Konfiguracja sieci jest bardzo łatwa i prosta.
• Obciążenia są równomiernie rozłożone w sieci, ponieważ nie zawiera ona centralnego kontrolera
• Monitorowanie urządzeń domowych, a także sterowanie za pomocą pilota jest niezwykle proste
• Sieć jest skalowalna i łatwo jest dodać / zdalnie urządzenie końcowe ZigBee do sieci.

Wady Zigbee obejmują następujące.

• Potrzebuje informacji o systemie do sterowania urządzeniami opartymi na Zigbee dla właściciela.
• W porównaniu z WiFi nie jest bezpieczne.
• Wysoki koszt wymiany w przypadku wystąpienia jakiegokolwiek problemu z urządzeniami gospodarstwa domowego opartymi na Zigbee
• Szybkość transmisji Zigbee jest mniejsza
• Nie obejmuje kilku urządzeń końcowych.
• Wykorzystywanie ich do oficjalnych prywatnych informacji jest bardzo ryzykowne.
• Nie jest używany jako zewnętrzny system komunikacji bezprzewodowej, ponieważ ma mniejszy limit zasięgu.
• Podobnie jak inne typy systemów bezprzewodowych, ten system komunikacji ZigBee jest podatny na przeszkadzanie osobom nieupoważnionym.

Zastosowania technologii Zigbee

Zastosowania technologii ZigBee obejmują:

Automatyka przemysłowa: W przemyśle wytwórczym i produkcyjnym łącze komunikacyjne stale monitoruje różne parametry i krytyczne wyposażenie. Dlatego Zigbee znacznie zmniejsza ten koszt komunikacji, a także optymalizuje proces sterowania, zapewniając większą niezawodność.

Automatyka domowa: Zigbee doskonale nadaje się do zdalne sterowanie urządzeniami domowymi jako sterowanie systemem oświetlenia, sterowanie urządzeniami, sterowanie systemem ogrzewania i chłodzenia, działanie i sterowanie urządzeniami bezpieczeństwa, nadzór i tak dalej.

Inteligentne pomiary: Zdalne operacje Zigbee w inteligentnych pomiarach obejmują reakcję na zużycie energii, wsparcie cenowe, zabezpieczenie przed kradzieżą zasilania itp.

Monitorowanie sieci Smart Grid: Operacje Zigbee w tej inteligentnej sieci obejmują zdalne monitorowanie temperatury , lokalizowanie uszkodzeń, zarządzanie mocą bierną i tak dalej.

Technologia ZigBee jest wykorzystywana do tworzenia projektów inżynieryjnych, takich jak bezprzewodowy system obsługi odcisków palców i automatyka domowa.

Chodzi o krótki opis architektury, trybów działania, konfiguracji i aplikacji technologii Zigbee. Mamy nadzieję, że daliśmy Wam wystarczająco dużo treści na temat tego tytułu, abyście mogli go lepiej zrozumieć. Chodzi więc o przegląd technologii Zigbee i jest ona oparta na sieci IEEE 802.15.4. Zaprojektowanie tej technologii może być bardzo mocne, dzięki czemu działa we wszystkich rodzajach środowisk.

Zapewnia elastyczność, a także bezpieczeństwo w różnych środowiskach. Technologia Zigbee zyskała tak dużą popularność na rynku, ponieważ zapewnia spójne sieci kratowe, umożliwiając sieci kontrolę nad rozległym regionem, a także zapewnia komunikację o niskim poborze mocy. Jest to więc doskonała technologia IoT. Oto pytanie do Ciebie, jakie są różne technologie komunikacji bezprzewodowej dostępne na rynku? Aby uzyskać dalszą pomoc i pomoc techniczną, możesz skontaktować się z nami, komentując poniżej.