11 ноября 2005 Александр Лысенко

Встречайте ZigBee
Беспроводная технология ZigBee – радиоинтерфейс для низкоскоростных приложений с крайне малым энергопотреблением, защитой информации и повышенной надежностью, основанный на стандарте IEEE 802.15.4

Основные преимущества ZigBee
Низкое энергопотребление;
Низкая стоимость ($ 3 - $ 5);
Возможность организации сети различной топологии (число узлов до 264 при IEEE адресации и 216 при локальной адресации), увеличение дальности связи без дополнительного усиления радиосигнала;
Высокая надежность сетевых решений и самовостанавливаемость системы (использование процедуры маршрутизации);
Многоуровневая система безопасности (использование таблиц контроля доступа, AES алгоритма кодирования и собственных алгоритмов на уровне приложения);
Простота установки и обслуживания

Краткая характеристика стандарта IEEE 802.15.4

Конфигурация стека протокола ZigBee
IEEE
802.15.4
IEEE 802.15.4 MAC
Сетевой уровень (NWK)
Подуровень поддержки приложений (APS)
Профили устройств ZigBee
Приложение
Заказчик
Стек ZigBee
Добавление/удаление устройств, доставка
пакетов, подтверждение приема (ACK),
сканирование и доступ к каналам связи, временное разделение и т.д.
Безопасность сети, трансляция сообщений, обработка сетевых процедур, сетевой менеджмент, маршрутизация, поддержка различных топологий и т.д.
Безопасность устройства, трансляция сообщений, организация сервисов устройств и т.д.
Модуляция, параметры сигнала, прием и передача информации через физический радиоканал и т.д.
Интерфейс связи с приложением
Библиотеки профилей, наборы сервисов устройств, типовые информационные сообщения, совместимость

Структура ZigBee-устройства

Основные классы ZigBee-устройств
Сетевой координатор (FFD - Full Function Device)
Осуществляет глобальную координацию, организацию и установку параметров сети, выбор RF канала и уникального сетевого ID
наиболее сложный из трех типов устройств; наибольший объем памяти и потребление энергии (питание от сети)

Основные классы ZigBee-устройств
2. FFD-маршрутизатор
Поддерживает все функции и параметры стандарта IEEE 802.15.4
Дополнительная память и увеличенное энергопотребление позволяют выполнять функции ретранслятора и маршрутизатора сети
Поддержка любой топологии
Может выполнять роль координатора сети
Способен обращаться к любым другим устройствам сети

Основные классы ZigBee-устройств
3. Конечное устройство (RFD - Reduced Function Device)
Поддерживает ограниченный согласно стандарта набор функций для обеспечения наилучшего баланса цены, сложности и функциональности
Обращается только к координатору сети или к своему маршрутизатору
Только топологии типа «Точка-точка» и «Звезда»
Не способно выполнять функции координатора
Не участвует в маршрутизации

Варианты топологий сетей ZigBee

Форматы передаваемых пакетов в сетях ZigBee
Пакет данных: используется для передачи данных
Пакет подтверждения: используется для подтверждения успешной передачи данных
Пакет МАС команды: используется для организации пересылок управляющих МАС команд
Сигнальный пакет: используется координатором для организации синхронизированного доступа

Формат пакета данных
Позволяет передавать до 104 байт данных
Для контроля последовательности передаваемых пакетов используется нумерация пакетов (Data sequence number)
Контрольная сумма последовательности кадра обеспечивает безошибочную передачу (Frame Check Sequence - FCS)

Формат пакета подтверждения
Обеспечивает обратную связь от получателя к отправителю об успешной безошибочной передаче пакета данных
Малая длина пакета увеличивает время нахождения в состоянии покоя сетевых конечных устройств.
Передача пакета подтверждения осуществляется сразу после получения пакета данных

Формат пакета МАС команды
Используется для удаленного управления и конфигурирования сетевых устройств
Позволяет координатору сети конфигурировать по отдельности все сетевые подчиненные устройства вне зависимости от размеров сети

Формат сигнального пакета
Конечные устройства «просыпаются» только в периоды приема пакетов синхронизации, считывают адреса в пакете синхронизации и переходят в спящее состояние, если адрес устройства не обнаружен
Сигнальные пакеты необходимы для сетей типа «многоячейковая» и «кластерное дерево», обеспечивая синхронизацию всех сетевых устройств без необходимости каждым из них тратить энергию своих автономных источников питания, «слушая» эфир в ожидании получения пакета

Области применения технологии ZigBee

Пример использования ZigBee-технологии:
проектирование системы домашней автоматизации

Перспективы использования технологии ZigBee
(по материалам аналитического агентства In-Stat)

Перспективы использования технологии ZigBee

Перспективы однокристальных решений ZigBee
(по материалам аналитического агентства In-Stat)

Платформа ZigBee от фирмы Chipcon (Норвегия)
2,4 ГГц IEEE 802.15.4/ZigBee радиомодем
Скорость передачи данных: до 250 Кбит/с
Ток потребления: RX – 19,7 mA; TX – 17,4 mA
Напряжение питания: 2,1 – 3,6 В
Аппаратурное MAC кодирование и идентификация (AES-128)
SPI интерфейс для сопряжения с внешним МК
2,4 ГГц IEEE 802.15.4/ZigBee SoC (радиомодем + МК)
32-МГц MCU 8051, ОЗУ 8 Кбайт, ПЗУ 32, 64, 128 Кбайт
Скорость передачи данных: до 250 Кбит/с
Ток потребления: RX – 27 mA; TX – 25 mA (32 МГц МК)
Напряжение питания: 2,0 – 3,6 В
Аппаратурный AES-128 ко-процессор
USART, WDT, TM, DMA, PPI, ADC

Платформа ZigBee от фирмы Chipcon (Норвегия)
Отладочные средства для ZigBee-решений на базе CC2420 и МК MSP430

Платформа ZigBee от фирмы Chipcon (Норвегия)
Отладочные средства для ZigBee-решений: пакет ПО SmartRF ® Studio

Платформа ZigBee от фирмы Chipcon (Норвегия)
Отладочные средства для ZigBee-решений: программа IEEE 802.15.4
Packet Sniffer Chipcon

Обзор ZigBee-модулей на базе СС2420
Cratlon C701 Sensor Module (Ирландия)
Тип МК: MSP430F149
Датчики: температуры, влажности, освещенности, ускорения
Питание: батарея 3 В
Интерфейс: USB, RS232C, JTAG, пользовательский
ChipStar Module (США)
Тип МК: MSP430F149
Питание: 2,1 – 3,6 В
100 мВт усилитель
Ток потребления: RX – 30 mA, TX – 25 mA (1 мВт)
Размеры: 20 х 30 мм

Обзор ZigBee-модулей на базе СС2420
EZZBM01 Module (Филлипины))
Тип МК: ATMega 32L, 8 МГц
Интерфейс: UART, JTAGICE, PPI
Питание: 2,7 – 3,6 В
Ток потребления: RX – 32 mA, TX – 30 mA (1 мВт)
Размеры: 24 х 16 мм
DZ1612 Module (США)
Тип МК: MSP430F1612 (1611), 32 кГц
Интерфейс: RS232C, JTAG, PPI, I2C
Питание: 3 В
Размеры: 24 х 16 мм

Обзор ZigBee-модулей на базе СС2420
Tmote Sky Module (США)
Тип МК: MSP430F1611, 32 кГц
Интерфейс: USB, JTAG, пользовательский
Датчики: температуры, освещенности, влажности
Питание: 1,8 – 3,6 В (2 батареи АА)
Ток потребления: RX-23 mA, TX-21 mA (1 мВт)
Размеры: 65 х 32 мм
LDS Module (Украина)
Тип МК: MSP430F149
Интерфейс: JTAG, пользовательский
Питание: 3,0 В (2 батареи АА)
Размеры: 34 х 34 мм

03056, г. Киев-56, проспект Победы, 37
Национальный технический университет Украины “КПИ”
Приборостроительный факультет
корпус 1 (главный), к. 213-1
лаборатория диагностических средств
тел. [phone]
факс [phone]
Е-mail:
[email protected]
WEB: www.digitallab.kiev.ua
???
Контактная информация: