Достоинства и недостатки ZigBee

Размещено на http://www.allbest.ru/

3

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Уфимский государственный нефтяной технический университет»

Кафедра «Автоматизации технологических процессов и производств»

Курсовая работа

по дисциплине «Телеуправление и системы телекоммуникации»

на тему «Достоинства и недостатки ZigBee»

Уфа-2020г.

Содержание

Введение

1. Общие сведения о стандарте IEEE 802.15.4 и технологии ZigBee

2. Состав и формат пакетов

3. Топология ZigBee-сетей

4. Варианты доступа в mesh-сеть ZigBee

5. Беспроводное решение для одиночных скважин на основе технологии ZigBee

6. Достоинства и недостатки ZigBee

Заключение

Список используемых источников

Введение

Термин ZigBee родился из ассоциации с движением танцующих пчел, напоминающем зигзаг - таким способом они обмениваются информацией. Сегодня ZigBee это открытый мировой стандарт, обладающий превосходными радио характеристиками и обеспечивающий функционирование беспроводных сетей на основе стандарта IEEE 802.15.4.

EEE 802.15.4 - это стандарт, утвержденный Институтом инженеров электротехники и электроники (IEEE) для низкоскоростных беспроводных сетей персональной зоны покрытия (WPANs) и определяющий физический уровень и уровень среднего доступа. Этот стандарт - результат совместной работы целого ряда компаний, объединившихся в ZigBee Альянс. Альянс ZigBee, учрежденный в 2002 году, представляет собой сообщество компаний (более 300), объединившихся с целью разработки эффективных протоколов для беспроводной сети и обеспечения совместимости устройств различных производителей

Стандарт предоставляет спецификации для разработки дешевых, низкоэнергозатратных беспроводных сенсорных сетей, работающих скоординированно и автономно.

Основные преимущества ZigBee:

­ надежность и способность к самоорганизации;

­ большое количество поддерживаемых узлов;

­ простота установки;

­ длительный (год и более) срок автономной работы;

­ безопасность;

­ низкая стоимость;

­ широкая область использования;

­ обеспечение взаимозаменяемости сетей и узлов;

­ независимость от производителя оборудования.

Имеется множество стандартов, определяющих средне и высокоскоростные параметры для голоса, беспроводных локальных компьютерных сетей, видео и т.д. Однако именно ZigBee удовлетворяет специфическим потребностям сенсорных и контролирующих устройств, которым при длительном использовании батарей и поддержке большого числа устройств в сети необходимы не высокая пропускная способность, а низкая латентность и экономичное энергопотребление.

ZigBee прекрасно подходит для решения широкого круга задач автоматизированного управления зданий, технологического, медицинского контроля и мониторинга. В их числе:

­ управление освещением;

­ технологический и структурный контроль;

­ управление кондиционированием и отоплением;

­ автоматическое считывание показаний счетчиков;

­ действие беспроводных детекторов дыма и CO;

­ контроль помещений, работа систем безопасности;

­ контроль параметров окружающей среды;

­ медицинское считывание и контроль;

­ менеджмент активов.

Например, сенсоры, установленные в контейнерах, в каждом из них самоорганизуются в сеть, а отдельные сети - в общую сеть контейнеровоза и передают в контрольный центр данные о состоянии грузов.

1. Общие сведения о стандарте IEEE 802.15.4 и технологии ZigBee

Применение технологии ZigBee/IEEE 802.15.4 позволяет разрабатывать беспроводные интерфейсы с минимальными затратами благодаря простоте схемотехники, минимальному количеству внешних пассивных элементов, использованию готового программного обеспечения стека малых объемов. Стандарт позволяет создавать сети с многоячейковой топологией, обслуживать таким образом очень большое число узлов и увеличивать дальность связи без дополнительных затрат на усилители мощности.

Стандарт IEEE 802.15.4 описывает только самые нижние, физический и канальный уровни передачи данных по радиоканалу, а имя ZigBee означает технологию в общем, включая и физический уровень, и надлежащий логический уровень - уровень сетевого программного обеспечения (организацию структуры сети, обеспечение безопасности, поддержку профилей и т. п.). В дальнейшем эти понятия смешались и стали почти синонимами (рис.1.1).

Рисунок 1.1 - Уровни ZigBee

ZigBee предусматривает два варианта адресации: 64-разрядный (IEEE) с возможностью адресации до 264 устройств в беспроводной сети и локальный, 16-разрядный, с возможностью адресации до 65536 устройств. Применение 16-разрядной адресации более экономично, так как позволяет существенно уменьшить длину радиозапросов.

Для уменьшения стоимости в ZigBee определены два физически различных типа устройств: полнофункциональные устройства и устройства с ограниченными возможностями (рис.1.2). Любая сеть стандарта IEEE 802.15.4 обязана иметь по крайней мере одно полнофункциональное устройство, выступающее в роли координатора сети (PAN coordinator).

Рисунок 1.2 - Виды устройств

Функционально ограниченные устройства обычно являются самыми многочисленными узлами сети. Для них достаточно минимальных объемов памяти, и они способны выполнять лишь простейшие функции: поиск доступной сети, пересылка и получение данных. Такие устройства дешевле полнофункциональных, более компактны и экономичны. Благодаря возможности «засыпания» в периоды отсутствия обмена данных, функционально ограниченные устройства часто питаются от батарей или аккумуляторов.

Оборудование стандарта IEEE 802.15.4 может работать в трех частотных диапазонах: 868 МГц в Европе, 915 МГц в США и 2,4 ГГц во всем мире (таб.1.1).

Таблица 1.1 - Частотные диапазоны стандарта IEEE 802.15.4

В зависимости от схемы модуляции радиооборудование может поддерживать различные скорости передачи данных: 250 Кбит на частоте 2,4 ГГц, от 20 кбит до 250 кбит на частоте 868 МГц и от 40 Кбит до 250 Кбит в диапазоне 915 МГц. На рис. 1.3 показано распределение каналов в соответствии со стандартом IEEE 802.15.4b, в соответствии с которым в диапазоне 868 МГц организуется только один канал, 10 каналов на 915 МГц и 16 каналов на 2,4 ГГц. Центральные частоты этих каналов fc определяются следующим образом:

­ fc = 868,3 [МГц], k = 0;

­ fc = 906+2(k-1) [МГц], k = 1, 2,…, 10;

­ fc = 2405+5(k-11) [МГц], k = 11, 12,…, 26, где k - номер канала.

Глобальная спецификация ZigBee для беспроводных приложений, основанная на едином стандарте IEEE 802.15.4, изначально нацелена и сфокусирована на приложениях мониторинга и контроля, распределенных сетях датчиков, на развертывании беспроводных информационных сетей для недорогих низкопотребляющих систем, использующихся в коммерческой, промышленной и домашней автоматике.

.

Рисунок 1.3 - Распределение каналов

2. Состав и формат пакетов

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 (рис.2.1):

­ позволяет передавать до 104 байт данных;

­ для контроля последовательности передаваемых пакетов используется нумерация пакетов (Datasequencenumber);

­ контрольная сумма последовательности кадра обеспечивает безошибочную передачу (FrameCheckSequence - FCS).



Рисунок 2.1- Формат пакета данных

Формат пакета подтверждения (рис.2.2):

- 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.

Рисунок 2.2 - Формат пакета подтверждения

Формат пакета МАС команды (рис.2.3):

­ используется для удаленного управления и конфигурирования сетевых устройств;

­ позволяет координатору сети конфигурировать по отдельности все сетевые подчиненные устройства вне зависимости от размеров сети.



Рисунок 2.3 - Формат пакета МАС команды

Формат сигнального пакета (рис. 2.4):

­ 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.

Рисунок 2.4 - Формат сигнального пакета

3. Топология ZigBee-сетей

Главная особенность технологии ZigBee заключается в том, что она при относительно невысоком энергопотреблении поддерживает не только простые топологии беспроводной связи («точка-точка» и «звезда»), но и сложные беспроводные сети типа «кластерное дерево», а также ячеистую топологию (mesh) с ретрансляцией и маршрутизацией сообщений.

Наиболее перспективной в сети ZigBee является ячеистая топология (mesh-топология).

Рисунок 3.1 - Mesh-топология

При построении сети ZigBee с использованием координатора и маршрутизаторов реализуется полноценная mesh-сеть (рис. 3.1), в которой каждый узел сети участвует в процессе доставки данных и способен присоединять новые узлы.

Координатор - это узел, организовавший сеть. Именно он выбирает политику безопасности сети, разрешает или запрещает подключение к сети новых устройств, а также при наличии помех в радиоэфире инициирует процесс перевода всех устройств в сети на другой частотный канал.

Роутер - это узел, которые имеет стационарное питание и следовательно может постоянно участвовать в работе сети. Координатор также является роутером. На узлах этого типа лежит ответственность по маршрутизации сетевого трафика. Роутеры постоянно поддерживают специальные таблицы маршрутизации, которые используются для прокладки оптимального маршрута и поиска нового, если вдруг какое-либо устройство вышло из строя. Например, роутерами в сети ZigBee могут быть умные розетки, блоки управления осветительными приборами или любое другое устройство, которое имеет подключение к сети электропитания.

Конечное устройство - это устройство, которое подключаются к сети через родительский узел - роутер или координатор и не участвует в маршрутизации трафика. Все общение с сетью для них ограничивается передачей пакетов на «родительский» узел либо считыванием поступивших данных с него же. «Родителем» для таких устройств может быть любой роутер или координатор. Конечные устройства большую часть времени находятся в спящем режиме и отправляют управляющее или информационное сообщение обычно только по определенному событию (нажатие кнопки выключателя, открытие окна или двери). Это позволяет им долго сохранять энергию встроенного источника питания. Примером конечных устройств в сетях ZigBee могут быть беспроводные выключатели, управляющие работой светильников и работающие от батареек, датчики протечки воды, датчики открытия дверей.

Доступ к узлам сети осуществляется через «координатор», подключаемый к управляющему компьютеру напрямую через COM-порт либо через шлюзы (например, GSM или Ethernet).

Топология mesh основана на децентрализованной схеме организации сети. Это сетевая топология, в которой устройства объединяются многочисленными избыточными соединениями, вводимыми по стратегическим соображениям:

- высокая степень надежности (устойчивость сети к потере отдельных элементов);

- узлы сети выполняют функции маршрутизаторов/ретрансляторов для других узлов этой же сети в автоматическом режиме;

- выбор наилучшего с точки зрения скорости передачи данных маршрута прохождения сигнала;

- масштабируемость сети в режиме самоорганизации;

- создание зон сплошного информационного покрытия большой площади: территория покрытия разделяется на зоны, число которых не ограничено.

Продолжительность работы от батареи - один из важнейших параметров, которому в спецификации IEEE 802.15.4 уделено внимание. Время автономной работы датчика может насчитывать как несколько месяцев, так и несколько лет. Все зависит от того, насколько хорошо используются внутренние режимы энергосбережения и в какой мере реализованы сетевые возможности экономии энергии. Понятно ведь, что чем больше частота опроса того или иного устройства, тем меньше «проживет» его батарея. Поэтому стандарт предписывает беспроводным устройствам иметь рабочий цикл не более 1% от всего времени службы.

Однако ZigBee-устройства могут не только опрашиваться координатором сети, но и сами пересылать в него данные в определенные моменты времени, по таймеру или по какому либо внешнему событию.

Вариант с передачей по таймеру хорош тем, что устройству не приходится постоянно находиться в режиме ожидания приема данных. Этим достигается значительная экономия электроэнергии. Передача данных по событию - еще более экономный вариант. Например, датчику открывания двери нет смысла сообщать о ее состоянии каждые 10-15 с. Эффективнее активировать его по событиям: по открыванию и закрыванию двери.

Процесс сетевой оптимизации, о котором так же упоминалось выше, процесс творческий и зависит уже от механизмов управления беспроводной сетью в целом. На этом поприще огромным достоинством стандарта ZigBee стала возможность беспроводного изменения основных параметров новых устройств, вводимых в уже готовую сеть, например, таких, как настройка временных интервалов выдачи информации или перепрограммирование возложенных функций. Механизм удаленного управления позволяет значительно расширить энергосберегающие функции в том числе за счет возможности динамического переконфигурирования параметров сети.

4. Варианты доступа в mesh-сеть ZigBee

Доступ в mesh-сеть осуществляется через узел - «координатор», при реализации автоматизированного рабочего места в зоне покрытия ZigBee-сети «координатор» подключается непосредственно к ПК на диспетчерском пункте.

Однако при наличии нескольких mesh-сетей на ограниченной площади (например, в пределах завода или предприятия), «координаторы» каждой из них могут быть подключены к локальной сети предприятия для организации доступа в каждую из сетей из единого диспетчерского пункта.

Объединение разрозненных mesh-сетей для управления и мониторинга географически распределенных систем учета из единого диспетчерского пункта по сети Internet осуществляется с использованием каналов передачи данных сотовых сетей связи. Адресный доступ к модемам mesh-сетей ZigBee по GSM-каналу осуществляется с помощью ZigBee/GSM-шлюзов, реализованных, например, в виде соединенных между собой «координатора» и GPRS/EDGE-модема (рис. 4.1). В этом случае к GSM-модемам предъявляются повышенные требования по организации надежного и безопасного канала связи с диспетчерским пунктом.

Рис. 4.1 - ZigBee/GSM-шлюз. ZigBee -«координатор» + GSM-модем

Также необходимо обратить внимание на наличие поддержки коммуникационным серверным ПО одновременной работы с несколькими mesh-сетями, причем с возможностью организации различных вариантов доступа к «координаторам» (рис. 4.2): как напрямую через COM-порт диспетчерского ПК, так и путем шлюзования через Ethernet либо сотовые сети связи - с помощью GSM-модемов.

Рис. 4.2 - Варианты доступа в mesh - сеть на основе ZigBee - модемов AnCom RZ/B

5. Беспроводное решение для одиночных скважин на основе технологии ZigBee

Для нефтяных месторождений с большим количеством одиночных скважин актуальна проблема дистанционного сбора данных с контроллера станции управления, находящейся по месту, и осуществляющей управление УЭЦН, а также дистанционное управление УЭЦН, направленное на сокращение простоев, увеличение МРП, смену режимов и т.д. Зачастую, обслуживание фонда одиночных скважин требует больших затрат по сравнению с обслуживанием кустовой инфраструктуры, что связано с труднодоступностью, удаленностью или большим территориальным распределением объектов одиночного бурения. Актуальность данной проблемы также связана с рентабельностью возможных решений, т.к. стоимость одного контрольного пункта может достигать существенных значений. Это связано с высокой стоимостью устройств связи и терминальных контроллеров, а количество устанавливаемых комплексов равно количеству одиночных скважин, подключаемых к системе мониторинга (в отличие от кустового бурения, где достаточного одного кустового контроллера на 10-15 скважин).

Особенностью данного решения является использование терминалов связи стандарта ZigBee с интерфейсом RS-485 и встроенным преобразователем цифровых и аналоговых сигналов. Особенностью технологии ZigBee является малое энергопотребление аппаратной части и ее низкая стоимость. С помощью данной технологии можно организовать сеть с mesh-топологиией и передавать сигналы на значительные расстояния, используя интеллектуальную ретрансляции. За счет подобной топологии и применения специальных антенн усиления на радиус действия появляется возможность охвата достаточно обширных территорий, протяженных объектов (рис. 5.1).

Рисунок 5.1 - Структурная схема охвата фонда одиночных скважин с применением технологии ZigBee

Преимуществами данного варианта являются: низкая стоимость терминалов, удобство обслуживания, высокая защищенность информации, интеллектуальная самоорганизация сети, независимость от сторонних компаний (поставщиков услуг сотовой связи). Недостатком является ограничение на максимальное удаление подключаемого объекта. При желании, данное ограничение можно обойти, используя дополнительные ретрансляторы.

6. Достоинства и недостатки ZigBee

Кратко суммируем положительные и отрицательные черты технологии ZigBee. Достоинства следующие:

­ стандарт продвигается большим числом компаний (на сегодня своих более 90) и имеет все шансы получить широкое распространение;

­ очень выгодно смотрится на фоне конкурентов (рис. 6.1):

Таблица 6.1 - Сранение ZigBee с конкурентами

­ конечная стоимость устройств значительно ниже конкурентов (о цена чипа на уровне $2-4);

­ компактные размеры и сверхнизкое потребление (время работы от батарейки - до нескольких лет);

­ поддержка 8-разрядного микропроцессорного ядра 80C51;

­ невысокая сложность программирования (значительно проще, чем тот же Bluetooth).

Говорить об одних только достоинствах технологии -- неправильно. Недостатки у ZigBee, безусловно, имеются и, в первую очередь, это:

­ невысокая распространенность;

­ к настоящему моменту выпущено весьма ограниченное количество микроконтроллеров, поддерживающих ZigBee;

­ слабая техподдержка со стороны производителей устройств (документация у многих выглядит крайне скудно).

При всех недостатках технология ZigBee выглядит очень перспективно и, естественно, заслуживает внимания разработчиков.

Заключение

технология zig bee беспроводной

Беспроводные сети на базе стандарта IEEE 802.15.4 представляют собой альтернативу проводным соединениям в распределенных системах мониторинга и управления и отличаются более гибкой архитектурой, требуют меньших затрат при их установке и эксплуатации.

Технология ZigBee заняла нишу радиоинтерфейсов для низкоскоростных приложений с крайне малым энергопотреблением, где использовались либо технологии с более высокими эксплуатационными характеристиками и с высоким энергопотреблением, либо решения, базирующиеся на микросхемах радиотрансиверов различных производителей, не относящихся ни к одному из распространенных стандартов.

Список используемых источников

1. Технологии/Сетевая инфраструктура системы РТЛС/ Обзор технологии ZigBee. - (дата обращения:17.06.2020).

2. Сети ZigBee. Зачем и почему? - (дата обращения:17.06.2020).

3. А.А Лысенко. Презентация на тему: Беспроводная технология ZigBee: обзор, перспективы, демонстрация применения. - (дата обращения:17.06.2020).

4. Энциклопедия АСУ ТП/Промышленные сети и интерфейсы/Беспроводные локальные сети. - (дата обращения:17.06.2020).

5. Компоненты и технологии / ZigBee: обзор беспроводной технологии. - (дата обращения:17.06.2020).

6. Беспроводные сети ZigBee и Thread. - (дата обращения:17.06.2020).

Размещено на Allbest.ru

...