Architektura technologie ZigBee a její aplikace

Vyzkoušejte Náš Nástroj Pro Odstranění Problémů





V tomto současném světě komunikace je k dispozici řada komunikačních standardů s vysokou datovou rychlostí, ale žádný z nich nesplňuje komunikační standardy senzorů a řídicích zařízení. Tyto komunikační standardy s vysokou rychlostí přenosu dat vyžadují nízkou latenci a nízkou spotřebu energie i při nižší šířce pásma. Technologie Zigbee, která je k dispozici pro vlastní bezdrátové systémy, je nízkonákladová a má nízkou spotřebu energie a díky svým vynikajícím a vynikajícím vlastnostem je tato komunikace nejvhodnější pro několik vestavěných aplikací , průmyslové řízení a domácí automatizace atd. Řada technologií Zigbee pro přenosové vzdálenosti se pohybuje hlavně od 10 - 100 metrů na základě výkonu, jakož i charakteristik prostředí.

Co je Zigbee Technology?

Komunikace Zigbee je speciálně postavena pro řídicí a senzorové sítě na standardu IEEE 802.15.4 pro bezdrátové osobní sítě (WPAN) a je produktem aliance Zigbee. Tento komunikační standard definuje fyzické vrstvy a vrstvy MAC (Media Access Control) pro zpracování mnoha zařízení s nízkou rychlostí přenosu dat. Tyto WPAN společnosti Zigbee pracují na frekvencích 868 MHz, 902-928MHz a 2,4 GHz. Datový tok 250 kbps je nejvhodnější pro periodický i střední obousměrný přenos dat mezi senzory a řadiči.




Co je Zigbee Technology?

Co je Zigbee Technology?

Zigbee je nízkonákladová síť s nízkou spotřebou energie, široce používaná pro řízení a monitorování aplikací, kde pokrývá 10 až 100 metrů v dosahu. Tento komunikační systém je levnější a jednodušší než ostatní proprietární systémy krátkého dosahu bezdrátové senzorové sítě jako Bluetoot ha Wi-Fi.



Zigbee modem

Zigbee modem

Zigbee podporuje různé síťové konfigurace pro komunikaci master-master nebo master-slave. A také jej lze provozovat v různých režimech, což vede k úspoře energie baterie. Sítě Zigbee lze rozšířit pomocí směrovačů a umožňují mnoha uzlům vzájemné propojení za účelem budování širší sítě.

Historie technologie Zigbee

V roce 1990 byly realizovány digitální rádiové sítě se samoorganizujícími se ad hoc. Specifikace Zigbee jako IEEE 802.15.4-2003 byla schválena v roce 2004, 14. prosince. Specifikace 1.0 byla oznámena Zigbee Alliance v roce 2005, 13. června, nazvaná Specifikace ZigBee 2004.

Klastrová knihovna

V roce 2006, září, byla oznámena Specifikace Zigbee 2006 nahrazením zásobníku z roku 2004. Tato specifikace tedy nahrazuje hlavně párovou strukturu klíč-hodnota a také zprávu používanou v zásobníku z roku 2004 prostřednictvím klastrové knihovny.


Knihovna obsahuje sadu konzistentních příkazů plánovaných pod skupinami zvanými clustery s názvy jako Home Automation, Smart Energy & Light Link of ZigBee. V roce 2017 byla knihovna přejmenována na Dotdot od Zigbee Alliance a oznámena jako nový protokol. Tento Dotdot tedy fungoval přibližně pro všechna zařízení Zigbee jako výchozí aplikační vrstva.

Zigbee Pro

V roce 2007 byl dokončen program Zigbee Pro jako Zigbee 2007. Jedná se o jeden druh zařízení, které pracuje na starší síti Zigbee. Z důvodu rozdílů v možnostech směrování by se tato zařízení měla ve starší síti Zigbee změnit na nesměrovací ZED nebo koncová zařízení Zigbee (ZED). Starší zařízení Zigbee se musí v síti Zigbee Pro změnit na koncová zařízení Zigbee. Funguje v pásmu 2,4 GHz ISM a zahrnuje pásmo sub GHz.

Jak Zigbee Technology funguje?

Technologie Zigbee pracuje s digitálními rádii tím, že umožňuje různým zařízením konverzovat navzájem. Zařízení používaná v této síti jsou směrovač, koordinátor i koncová zařízení. Hlavní funkcí těchto zařízení je doručovat pokyny a zprávy od koordinátora do koncových zařízení, jako je žárovka.

V této síti je koordinátor nejdůležitějším zařízením, které je umístěno na počátku systému. Pro každou síť existuje jednoduše jeden koordinátor, který slouží k provádění různých úkolů. Vyberou vhodný kanál pro skenování kanálu a také pro vyhledání toho nejvhodnějšího s minimem rušení, každému zařízení v síti přidělí exkluzivní ID a adresu, aby bylo možné v síti přenášet zprávy, jinak by mohly být pokyny .

Směrovače jsou uspořádány mezi koordinátorem i koncovými zařízeními, která odpovídají za směrování zpráv mezi různými uzly. Směrovače dostávají zprávy od koordinátora a ukládají je, dokud jejich koncová zařízení nejsou v situaci, aby je mohly získat. Mohou také umožnit připojení dalších koncových zařízení a směrovačů k síti

V této síti mohou být malé informace řízeny koncovými zařízeními pomocí komunikace s nadřazeným uzlem jako router nebo koordinátor na základě typu sítě Zigbee. Koncová zařízení nedochází přímo ke vzájemné konverzaci. Nejprve lze veškerý provoz směrovat směrem k nadřazenému uzlu, jako je směrovač, který tato data uchovává, dokud není přijímací konec zařízení v situaci, aby jej získal prostřednictvím vědomí. Koncová zařízení se používají k vyžádání zpráv, které čekají od rodiče.

Zigbee architektura

Struktura systému Zigbee se skládá ze tří různých typů zařízení, jako je Zigbee Coordinator, Router a End device. Každá síť Zigbee se musí skládat alespoň z jednoho koordinátora, který funguje jako kořen a most sítě. Koordinátor je odpovědný za zpracování a ukládání informací při provádění operací přijímání a přenosu dat.

Směrovače Zigbee fungují jako zprostředkující zařízení, která umožňují průchod dat skrz ně do jiných zařízení. Koncová zařízení mají omezenou funkčnost pro komunikaci s nadřazenými uzly, takže se šetří energie baterie, jak je znázorněno na obrázku. Počet směrovačů, koordinátorů a koncových zařízení závisí na typu sítí, jako jsou hvězdné, stromové a síťové sítě.

Architektura protokolu Zigbee se skládá z hromady různých vrstev, kde IEEE 802.15.4 je definován fyzickými vrstvami a vrstvami MAC, zatímco tento protokol je dokončen akumulací vlastních síťových a aplikačních vrstev Zigbee.

Architektura technologie ZigBee

Architektura technologie ZigBee

Fyzická vrstva : Tato vrstva provádí modulační a demodulační operace při vysílání a příjmu signálů. Frekvence, rychlost přenosu dat a počet kanálů této vrstvy jsou uvedeny níže.

Vrstva MAC : Tato vrstva je zodpovědná za spolehlivý přenos dat přístupem k různým sítím s detekcí vícenásobných kolizí s přístupem (CSMA). To také vysílá majákové rámce pro synchronizaci komunikace.

Síťová vrstva : Tato vrstva se stará o všechny síťové operace, jako je nastavení sítě, připojení koncového zařízení a odpojení od sítě, směrování, konfigurace zařízení atd.

Podvrstva podpory aplikací : Tato vrstva umožňuje, aby služby nezbytné pro objekty zařízení Zigbee a aplikační objekty byly propojeny se síťovými vrstvami pro služby správy dat. Tato vrstva je zodpovědná za párování dvou zařízení podle jejich služeb a potřeb.

Aplikační rámec : Poskytuje dva typy datových služeb jako pár klíč – hodnota a služby generických zpráv. Obecná zpráva je struktura definovaná vývojářem, zatímco pár klíč – hodnota se používá k získání atributů v rámci objektů aplikace. ZDO poskytuje rozhraní mezi aplikačními objekty a vrstvou APS v zařízeních Zigbee. Je zodpovědný za detekci, zahájení a připojení dalších zařízení k síti.

Provozní režimy Zigbee a jeho topologie

Obousměrná data Zigbee se přenášejí ve dvou režimech: Non-beacon mode a Beacon mode. V režimu majáku koordinátoři a směrovače nepřetržitě monitorují aktivní stav příchozích dat, a proto se spotřebovává více energie. V tomto režimu směrovače a koordinátoři nespí, protože jakýkoli uzel se může kdykoli probudit a komunikovat.

Vyžaduje však více napájení a jeho celková spotřeba energie je nízká, protože většina zařízení je v síti po delší dobu v neaktivním stavu. Pokud v režimu majáku nedochází k datové komunikaci z koncových zařízení, směrovače a koordinátoři přejdou do režimu spánku. Tento koordinátor se pravidelně probouzí a vysílá majáky na směrovače v síti.

Tyto majákové sítě fungují pro časové úseky, což znamená, že fungují, když výsledkem komunikace je nižší pracovní cykly a delší využití baterie. Tyto režimy majáku a bez majáku Zigbee mohou spravovat periodické (data ze senzorů), přerušované (světelné spínače) a opakující se datové typy.

Topologie Zigbee

Zigbee podporuje několik síťových topologií, ale nejčastěji používané konfigurace jsou hvězdné, síťové a topologické stromové struktury. Libovolná topologie se skládá z jednoho nebo více koordinátorů. V hvězdné topologii se síť skládá z jednoho koordinátora, který je zodpovědný za zahájení a správu zařízení v síti. Všechna ostatní zařízení se nazývají koncová zařízení, která přímo komunikují s koordinátorem.

Používá se v průmyslových odvětvích, kde jsou potřebná všechna koncová zařízení komunikovat s centrálním ovladačem a tato topologie je jednoduchá a snadno nasaditelná. V topologiích sítí a stromů je síť Zigbee rozšířena o několik směrovačů, kde je za jejich zodpovídání zodpovědný koordinátor. Tyto struktury umožňují jakémukoli zařízení komunikovat s jakýmkoli dalším sousedním uzlem za účelem zajištění redundance dat.

Pokud některý uzel selže, jsou informace podle těchto topologií automaticky směrovány na další zařízení. Jelikož redundance je hlavním faktorem v průmyslových odvětvích, proto se většinou používá topologie sítě. V síti klastrových stromů se každý klastr skládá z koordinátora s listovými uzly a tito koordinátoři jsou připojeni k nadřazenému koordinátorovi, který iniciuje celou síť.

Vzhledem k výhodám technologie Zigbee, jako jsou provozní režimy s nízkými náklady a nízkým výkonem, a její topologie, je tato komunikační technologie krátkého dosahu nejvhodnější pro několik aplikací ve srovnání s jinými vlastními komunikacemi, jako je Bluetooth, Wi-Fi atd., Některé z nich níže jsou uvedena srovnání, jako je rozsah Zigbee, standardy atd.

Proč nízké datové rychlosti v Zigbee?

Víme, že na trhu jsou k dispozici různé typy bezdrátových technologií, například Bluetooth nebo WiFi, které poskytují vysokou rychlost dat. Datové rychlosti v Zigbee jsou ale menší, protože hlavním účelem vývoje ZigBee je jeho využití v bezdrátovém ovládání a monitorování.

Množství dat a frekvence komunikace používané v těchto aplikacích je extrémně nízká. I když je pravděpodobné, že síť jako IEEE 802.15.4 dosáhne vysokých datových rychlostí, technologie Zigbee je založena na síti IEEE 802.15.4.

Technologie Zigbee v IoT

Víme, že Zigbee je jeden druh komunikační technologie podobné Bluetooth a WiFi, ale existuje také řada nových rostoucích síťových alternativ, jako je Thread, což je volba pro aplikace domácí automatizace. Ve velkých městech byly technologie Whitespace implementovány pro případy použití v širším regionu IoT.

ZigBee je specifikace WLAN (bezdrátová místní síť) s nízkou spotřebou. Poskytuje méně dat při menší spotřebě často připojených zařízení k vypnutí baterie. Díky tomu byl otevřený standard propojen prostřednictvím komunikace M2M (machine-to-machine) i průmyslového IoT (internet věcí).

Zigbee se stal protokolem IoT, který je celosvětově přijímán. Již soutěží s Bluetooth, WiFi a Thread.

Zigbee zařízení

Specifikace IEEE 802.15.4 Zigbee zahrnuje hlavně dvě zařízení, jako jsou plně funkční zařízení (FFD) a zařízení se sníženou funkcí (RFD). Zařízení FFD provádí různé úkoly, které jsou vysvětleny ve specifikaci, a může přijmout jakýkoli úkol v síti.

Zařízení RFD má částečné schopnosti, takže provádí omezené úkoly a toto zařízení může konverzovat s jakýmkoli zařízením v síti. Musí jednat a věnovat pozornost síti. Zařízení RFD může jednoduše konverzovat se zařízením FFD a používá se v jednoduchých aplikacích, jako je ovládání spínače jeho aktivací a deaktivací.

V IEEE 802.15.4 n / w hrají zařízení Zigbee tři různé role jako koordinátor, PAN koordinátor a zařízení. Zde jsou zařízení FFD koordinátorem i koordinátorem PAN, zatímco zařízení je buď RFD / FFD zařízení.

Hlavní funkcí koordinátora je předávání zpráv. V osobní síti je řadič PAN základním řadičem a zařízení je známé, jako by zařízení nebylo koordinátorem.
Standard ZigBee může vytvořit tři protokolová zařízení v závislosti na zařízeních Zigbee, koordinátoru PAN, koordinátorovi a standardní specifikaci ZigBee, jako je koordinátor, router a koncové zařízení, které jsou popsány níže.

Koordinátor Zigbee

V zařízení FFD se jedná o koordinátora PAN, který se používá k vytvoření sítě. Jakmile je síť vytvořena, přiřadí adresu sítě zařízením používaným v síti. A také směruje zprávy mezi koncovými zařízeními.

Směrovač Zigbee

Zigbee Router je zařízení FFD, které umožňuje dosah sítě Zigbee Network. Tento router se používá k přidání dalších zařízení do sítě. Někdy funguje jako koncové zařízení Zigbee.

Koncové zařízení Zigbee

Nejedná se o směrovač, ani o koordinátora, který komunikuje se senzorem a fyzicky jinak provádí kontrolní operaci. Na základě aplikace to může být RFD nebo FFD.

Proč je ZigBee lepší než WiFi?

V Zigbee je rychlost přenosu dat ve srovnání s WiFi nižší, takže nejvyšší rychlost je jednoduše 250 kb / s. Je to mnohem méně ve srovnání s nižší rychlostí WiFi.

Další nejlepší kvalitou Zigbee je rychlost využití energie a životnost baterie. Jeho protokol trvá několik měsíců, protože jakmile je sestaven, můžeme zapomenout.

Jaká zařízení používají ZigBee?

Následující seznam zařízení podporuje protokol ZigBee.

  • Belkin WeMo
  • Samsung SmartThings
  • Inteligentní zámky Yale
  • Philips Hue
  • Termostaty od společnosti Honeywell
  • Ikea Tradfri
  • Bezpečnostní systémy od společnosti Bosch
  • Comcast Xfinity Box od společnosti Samsung
  • Aktivní topení a příslušenství
  • Amazon Echo Plus
  • Amazon Echo Show

Místo připojení každého zařízení Zigbee samostatně je pro ovládání všech zařízení zapotřebí centrální rozbočovač. Výše uvedená zařízení, jmenovitě SmartThings, stejně jako Amazon Echo Plus, lze také použít jako rozbočovač Wink a hrát v síti zásadní roli. Centrální rozbočovač prohledá síť pro všechna podporovaná zařízení a poskytne vám jednoduchou kontrolu nad výše uvedenými zařízeními pomocí centrální aplikace.

Jaký je rozdíl mezi ZigBee a Bluetooth?

Rozdíl mezi Zigbee a Bluetooth je popsán níže.

Bluetooth

Zigbee

Frekvenční rozsah Bluetooth se pohybuje od 2,4 GHz do 2,483 GHzFrekvenční rozsah Zigbee je 2,4 GHz

Má 79 RF kanálůMá 16 RF kanálů
Technika modulace používaná v Bluetooth je GFSKZigbee používá různé modulační techniky jako BPSK, QPSK a GFSK.
Bluetooth obsahuje 8článkové uzlyZigbee zahrnuje více než 6500 buněčných uzlů
Bluetooth používá specifikaci IEEE 802.15.1Zigbee používá specifikaci IEEE 802.15.4
Bluetooth pokrývá rádiový signál až 10 metrůZigbee pokrývá rádiový signál až 100 metrů
Připojení Bluetooth trvá 3 sekundyZigbee trvá 3 sekundy, než se připojí k síti
Dosah sítě Bluetooth se pohybuje od 1 do 100 metrů na základě rádiové třídy.

Dosah sítě Zigbee je až 70 metrů
Velikost protokolu Bluetooth je 250 kBVelikost zásobníku protokolu Zigbee je 28 kB
Výška antény TX je 6 metrů, zatímco anténa RX je 1 metrVýška antény TX je 6 metrů, zatímco anténa RX je 1 metr
Modrý zub používá dobíjecí baterie

Zigbee nepoužívá dobíjecí baterie
Bluetooth vyžaduje menší šířku pásmaVe srovnání s Bluetooth potřebuje velkou šířku pásma
TX výkon Bluetooth je 4 dBm

Síla vysílání Zigbee je 18 dBm

Frekvence Bluetooth je 2400 MHzFrekvence Zigbee je 2400 MHz
Zisk Tx antény Bluetooth je 0 dB, zatímco RX -6 dBZisk Tx antény Zigbee je 0 dB, zatímco RX -6 dB
Citlivost je -93 dBCitlivost je -102 dB
Okraj Bluetooth je 20 dBMarže zigbee je 20 dB
Dosah Bluetooth je 77 metrůRozsah Zigbee je 291 metrů

Jaký je rozdíl mezi LoRa a ZigBee?

Hlavní rozdíl mezi LoRa a Zigbee je popsán níže.

LoRa Zigbee
Frekvenční pásma LoRa se pohybují od 863-870 MHz, 902-928 MHz a 779-787 MHzKmitočtová pásma Zigbee jsou 868 MHz, 915 MHz, 2450 MHz
LoRa pokrývá vzdálenost v městských oblastech jako 2 až 5 km, zatímco ve venkovských oblastech 15 kmZigbee pokrývá vzdálenost od 10 do 100 metrů
Využití energie LoRa je ve srovnání se Zigbee nízkéVyužití energie je nízké
Technika modulace použitá v LoRa je FSK, jinak GFSKTechnika modulace používaná v Zigbee je OQPSK a BPSK. Používá metodu DSSS ke změně bitů na čipy.
Datová rychlost LoRa je 0,3 až 22 kb / s pro modulaci LoRa a 100 kb / s pro GFSKDatová rychlost Zigbee je 20 kbps pro frekvenční pásmo 868, 40Kbps pro frekvenční pásmo 915 a 250 kbps pro frekvenční pásmo 2450)
Síťová architektura LoRa zahrnuje servery, LoRa Gateway a koncová zařízení.Síťová architektura routerů, koordinátorů a koncových zařízení Zigbee.
Zásobník protokolů LoRa zahrnuje vrstvy PHY, RF, MAC a aplikaceZásobník protokolů Zigbee zahrnuje vrstvy PHY, RF, MAC, zabezpečení sítě a aplikace.
Fyzická vrstva LoRa používá hlavně modulační systém a zahrnuje schopnosti opravy chyb. Zahrnuje preambuli za účelem synchronizace a používá CRC záhlaví celého CRC a PHY záhlaví.Zigbee obsahuje dvě fyzické vrstvy jako 868/915 Mhz a 2450 MHz.
LoRa se používá jako WAN (Wide Area Network)Zigbee se používá jako LR-WPAN (bezdrátová osobní síť s nízkou rychlostí)
Používá standard IEEE 802.15.4g a Alliance je LoRaZigbee používá specifikaci IEEE 802.15.4 a Zigbee Alliance

Výhody a nevýhody technologie Zigbee

Mezi výhody Zigbee patří následující.

  • Tato síť má flexibilní síťovou strukturu
  • Výdrž baterie je dobrá.
  • Spotřeba energie je menší
  • Velmi jednoduché řešení.
  • Podporuje přibližně 6500 uzlů.
  • Méně nákladů.
  • Je samoléčebný i spolehlivější.
  • Nastavení sítě je velmi snadné i jednoduché.
  • Zatížení jsou rovnoměrně rozložena po síti, protože neobsahuje centrální ovladač
  • Monitorování i ovládání domácích spotřebičů je pomocí dálkového ovládání velmi jednoduché
  • Síť je škálovatelná a je snadné přidat / vzdálit koncové zařízení ZigBee do sítě.

Mezi nevýhody Zigbee patří následující.

  • Potřebuje informace o systému k ovládání zařízení založených na Zigbee pro majitele.
  • Ve srovnání s WiFi není zabezpečená.
  • Vysoké náklady na výměnu, jakmile dojde k problému u domácích spotřebičů založených na Zigbee
  • Přenosová rychlost Zigbee je nižší
  • Nezahrnuje několik koncových zařízení.
  • Je velmi riskantní být používán pro oficiální soukromé informace.
  • Nepoužívá se jako venkovní bezdrátový komunikační systém, protože má menší limit pokrytí.
  • Podobně jako u jiných typů bezdrátových systémů je i tento komunikační systém ZigBee náchylný obtěžovat neoprávněné osoby.

Aplikace technologie Zigbee

Aplikace technologie ZigBee zahrnují následující.

Průmyslová automatizace: Ve výrobním a výrobním průmyslu komunikační spojení nepřetržitě monitoruje různé parametry a kritická zařízení. Zigbee tedy značně snižuje tyto náklady na komunikaci a optimalizuje řídicí proces pro větší spolehlivost.

Automatizace domácnosti: Zigbee je perfektně vhodný pro dálkové ovládání domácích spotřebičů jako ovládání osvětlení, ovládání spotřebiče, ovládání vytápění a chlazení, ovládání a ovládání bezpečnostních zařízení, dohled atd.

Inteligentní měření: Vzdálené operace Zigbee v inteligentním měření zahrnují reakci na spotřebu energie, podporu cen, zabezpečení před krádeží energie atd.

Monitorování Smart Grid: Provoz Zigbee v této inteligentní síti zahrnuje vzdálené monitorování teploty , lokalizace poruch, správa jalového výkonu atd.

Technologie ZigBee se používá k vytváření inženýrských projektů, jako je bezdrátový docházkový systém otisků prstů a domácí automatizace.

Jedná se o stručný popis architektury, provozních režimů, konfigurací a aplikací technologie Zigbee. Doufáme, že jsme vám poskytli dostatek obsahu k tomuto titulu, abyste mu lépe porozuměli. Jedná se tedy o přehled technologie Zigbee a je založen na síti IEEE 802.15.4. Tuto technologii lze navrhnout extrémně silně, takže funguje ve všech druzích prostředí.

Poskytuje flexibilitu i zabezpečení pro různá prostředí. Technologie Zigbee si na trhu získala tolik popularity, protože poskytuje konzistentní síťovou síť tím, že umožňuje síti ovládat rozsáhlou oblast, a také poskytuje komunikaci s nízkou spotřebou. Jedná se o dokonalou technologii IoT. Zde je otázka, jaké jsou různé bezdrátové komunikační technologie dostupné na trhu? Pokud potřebujete další pomoc a technickou pomoc, můžete nás kontaktovat níže uvedeným komentářem.