Архитектура технологии ZigBee и ее приложения

В современном мире связи доступно множество стандартов связи с высокой скоростью передачи данных, но ни один из них не соответствует стандартам связи датчиков и устройств управления. Эти стандарты связи с высокой скоростью передачи данных требуют малой задержки и низкого энергопотребления даже при более низкой пропускной способности. Технология Zigbee доступных проприетарных беспроводных систем отличается низкой стоимостью и низким энергопотреблением, а ее превосходные характеристики делают эту связь наилучшим образом подходящей для несколько встроенных приложений , промышленный контроль, домашняя автоматизация и т. д. Диапазон технологии Zigbee для расстояний передачи в основном составляет от 10 до 100 метров в зависимости от выходной мощности, а также характеристик окружающей среды.

Что такое Zigbee Technology?

Связь Zigbee разработана специально для сетей управления и датчиков по стандарту IEEE 802.15.4 для беспроводных персональных сетей (WPAN) и является продуктом альянса Zigbee. Этот стандарт связи определяет физический уровень и уровень управления доступом к среде (MAC) для обработки множества устройств с низкой скоростью передачи данных. WPAN этих Zigbee работают на частотах 868 МГц, 902–928 МГц и 2,4 ГГц. Скорость передачи данных 250 кбит / с лучше всего подходит для периодической, а также промежуточной двусторонней передачи данных между датчиками и контроллерами.

Что такое Zigbee Technology?

Zigbee - это недорогая ячеистая сеть с низким энергопотреблением, широко используемая для управления и мониторинга приложений, где она покрывает 10-100 метров в пределах диапазона. Эта система связи дешевле и проще, чем другие проприетарные системы ближнего действия. беспроводные сенсорные сети как Bluetoot ч и Wi-Fi.

Zigbee модем

Zigbee поддерживает различные конфигурации сети для связи между мастером и подчиненным. Кроме того, он может работать в разных режимах, в результате чего сохраняется заряд аккумулятора. Сети Zigbee расширяются с помощью маршрутизаторов и позволяют множеству узлов соединяться друг с другом для построения более широкой сети.

История технологии Zigbee

В 1990 году были внедрены цифровые радиосети с самоорганизацией ad hoc. Спецификация Zigbee, такая как IEEE 802.15.4-2003, была утверждена в 2004 году, 14 декабря. Спецификация 1.0 была объявлена ​​Zigbee Alliance в 2005 году 13 июня и названа Спецификацией ZigBee 2004.

Кластерная библиотека

В сентябре 2006 года была объявлена ​​спецификация Zigbee 2006, заменившая стек 2004 года. Таким образом, эта спецификация в основном заменяет парную структуру «ключ-значение», а также сообщение, используемое в стеке 2004 через кластерную библиотеку.

Библиотека включает набор согласованных команд, спланированных под группами, называемыми кластерами с такими именами, как Home Automation, Smart Energy и Light Link от ZigBee. В 2017 году библиотека была переименована Zigbee Alliance в Dotdot и объявлена ​​новым протоколом. Таким образом, эта точка Dotdot работает примерно для всех устройств Zigbee в качестве уровня приложения по умолчанию.

Zigbee Pro

В 2007 году Zigbee Pro, как и Zigbee 2007, был завершен. Это один из видов устройств, которые работают в устаревшей сети Zigbee. Из-за различий в вариантах маршрутизации эти устройства должны превратиться в немаршрутизирующие ZED или оконечные устройства Zigbee (ZED) в устаревшей сети Zigbee. Устаревшие устройства Zigbee должны превратиться в оконечные устройства Zigbee в сети Zigbee Pro. Он работает в диапазоне ISM 2,4 ГГц, а также включает в себя диапазон ниже ГГц.

Как работает технология Zigbee?

Технология Zigbee работает с цифровыми радиоприемниками, позволяя различным устройствам общаться друг с другом. Устройства, используемые в этой сети, - это маршрутизатор, координатор, а также конечные устройства. Основная функция этих устройств - доставлять инструкции и сообщения от координатора к конечным устройствам, таким как лампочка.

В этой сети координатор является наиболее важным устройством, которое находится в исходной точке системы. Для каждой сети есть просто один координатор, который выполняет разные задачи. Они выбирают подходящий канал для сканирования канала, а также для поиска наиболее подходящего канала с минимальными помехами, назначают эксклюзивный идентификатор, а также адрес каждому устройству в сети, чтобы сообщения, в противном случае инструкции могли быть переданы в сети. .

Маршрутизаторы расположены среди координатора, а также конечных устройств, которые отвечают за маршрутизацию сообщений между различными узлами. Маршрутизаторы получают сообщения от координатора и хранят их до тех пор, пока конечные устройства не окажутся в ситуации, когда они будут получены. Они также могут позволить другим конечным устройствам, а также маршрутизаторам подключаться к сети.

В этой сети небольшая информация может контролироваться конечными устройствами путем взаимодействия с родительским узлом, например, с маршрутизатором или координатором, в зависимости от типа сети Zigbee. Конечные устройства не взаимодействуют друг с другом напрямую. Во-первых, весь трафик может быть направлен к родительскому узлу, например маршрутизатору, который хранит эти данные до тех пор, пока принимающая сторона устройства не окажется в ситуации, когда они будут осведомлены. Конечные устройства используются для запроса любых сообщений, ожидающих от родителя.

Зигби Архитектура

Структура системы Zigbee состоит из трех различных типов устройств: координатора Zigbee, маршрутизатора и оконечного устройства. Каждая сеть Zigbee должна состоять как минимум из одного координатора, который действует как корень и мост сети. Координатор отвечает за обработку и хранение информации при выполнении операций приема и передачи данных.

Маршрутизаторы Zigbee действуют как промежуточные устройства, позволяющие передавать данные через них на другие устройства. Конечные устройства имеют ограниченную функциональность для связи с родительскими узлами, так что заряд батареи сохраняется, как показано на рисунке. Количество маршрутизаторов, координаторов и конечных устройств зависит от типа сетей, например, звездообразных, древовидных и ячеистых.

Архитектура протокола Zigbee состоит из стека различных уровней, где IEEE 802.15.4 определяется физическим и MAC-уровнями, в то время как этот протокол дополняется накоплением собственных сетевых и прикладных уровней Zigbee.

Архитектура технологии ZigBee

Физический слой : Этот уровень выполняет операции модуляции и демодуляции при передаче и приеме сигналов соответственно. Частота этого уровня, скорость передачи данных и количество каналов указаны ниже.

MAC-уровень : Этот уровень отвечает за надежную передачу данных путем доступа к различным сетям с функцией предотвращения конфликтов множественного доступа с контролем несущей (CSMA). Он также передает кадры маяка для синхронизации связи.

Сетевой уровень : Этот уровень заботится обо всех сетевых операциях, таких как настройка сети, подключение конечных устройств и отключение от сети, маршрутизация, конфигурации устройств и т. Д.

Подуровень поддержки приложений : Этот уровень позволяет службам, необходимым для объектов устройств Zigbee и приложений, взаимодействовать с сетевыми уровнями для служб управления данными. Этот уровень отвечает за сопоставление двух устройств в соответствии с их услугами и потребностями.

Платформа приложения : Он предоставляет два типа служб данных: пара ключ-значение и общие службы сообщений. Общее сообщение - это структура, определяемая разработчиком, тогда как пара ключ-значение используется для получения атрибутов в объектах приложения. ZDO обеспечивает интерфейс между объектами приложения и уровнем APS в устройствах Zigbee. Он отвечает за обнаружение, запуск и привязку других устройств к сети.

Режимы работы Zigbee и его топологии

Двусторонние данные Zigbee передаются в двух режимах: режим без маяка и режим маяка. В режиме маяка координаторы и маршрутизаторы постоянно контролируют активное состояние входящих данных, поэтому потребляется больше энергии. В этом режиме маршрутизаторы и координаторы не спят, потому что в любой момент любой узел может проснуться и связаться.

Однако для этого требуется больше источника питания, а его общее энергопотребление невелико, поскольку большинство устройств в течение длительного времени находятся в неактивном состоянии в сети. В режиме маяка, когда нет передачи данных от конечных устройств, маршрутизаторы и координаторы переходят в состояние ожидания. Периодически этот координатор просыпается и передает маяки маршрутизаторам в сети.

Эти сети радиомаяков работают для временных интервалов, что означает, что они работают, когда необходимая связь приводит к снижению рабочих циклов и более длительному использованию батареи. Эти режимы маяка и немаяка Zigbee могут управлять периодическими (данные датчиков), прерывистыми (переключатели света) и повторяющимися типами данных.

Топологии Zigbee

Zigbee поддерживает несколько сетевых топологий, однако наиболее часто используемые конфигурации - это топологии «звезда», «сетка» и «дерево кластеров». Любая топология состоит из одного или нескольких координаторов. В звездообразной топологии сеть состоит из одного координатора, который отвечает за запуск и управление устройствами в сети. Все остальные устройства называются конечными устройствами, которые напрямую связываются с координатором.

Это используется в отраслях, где все конечные устройства необходимы для общаться с центральным контроллером , и эта топология проста и удобна в развертывании. В ячеистой и древовидной топологиях сеть Zigbee расширяется несколькими маршрутизаторами, за которыми отвечает координатор. Эти структуры позволяют любому устройству связываться с любым другим соседним узлом для обеспечения избыточности данных.

Если какой-либо узел выходит из строя, информация автоматически направляется на другие устройства по этим топологиям. Поскольку резервирование является основным фактором в промышленности, в основном используется сеточная топология. В сети с деревом кластеров каждый кластер состоит из координатора с конечными узлами, и эти координаторы подключены к родительскому координатору, который инициирует всю сеть.

Благодаря преимуществам технологии Zigbee, таким как низкая стоимость и режимы работы с низким энергопотреблением, а также ее топологии, эта технология связи ближнего действия лучше всего подходит для нескольких приложений по сравнению с другими проприетарными средствами связи, такими как Bluetooth, Wi-Fi и т. Д., Некоторые из них сравнения, такие как диапазон Zigbee, стандарты и т. д., приведены ниже.

Почему низкие скорости передачи данных в Zigbee?

Мы знаем, что на рынке доступны различные типы беспроводных технологий, такие как Bluetooth и Wi-Fi, которые обеспечивают высокую скорость передачи данных. Но скорость передачи данных в Zigbee ниже, потому что основная цель разработки ZigBee - использовать его для беспроводного управления, а также для мониторинга.

Объем данных, а также частота обмена данными в таких приложениях крайне низки. Хотя вполне вероятно, что сеть, подобная IEEE 802.15.4, достигнет высоких скоростей передачи данных, поэтому технология Zigbee основана на сети IEEE 802.15.4.

Технология Zigbee в IoT

Мы знаем, что Zigbee - это один из видов коммуникационной технологии, похожий на Bluetooth, а также на WiFi, однако есть также множество новых растущих сетевых альтернатив, таких как Thread, который является вариантом для приложений домашней автоматизации. В крупных городах технологии Whitespace были внедрены для использования в более широких регионах на основе Интернета вещей.

ZigBee - это спецификация WLAN (беспроводной локальной сети) с низким энергопотреблением. Он предоставляет меньше данных, используя меньше энергии часто подключаемых устройств для выключения батареи. Благодаря этому открытый стандарт был подключен через M2M (межмашинную связь), а также через промышленный IoT (Интернет вещей).

Zigbee стал протоколом Интернета вещей, принятым во всем мире. Он уже конкурирует с Bluetooth, WiFi и Thread.

Zigbee устройства

Спецификация IEEE 802.15.4 Zigbee в основном включает два устройства, такие как полнофункциональные устройства (FFD), а также устройства с ограниченными функциями (RFD). Устройство FFD выполняет различные задачи, которые описаны в спецификации, и может выполнять любую задачу в сети.

Устройство RFD имеет частичные возможности, поэтому оно выполняет ограниченные задачи, и это устройство может взаимодействовать с любым устройством в сети. Он должен действовать, а также обращать внимание в сети. Устройство RFD может просто общаться с устройством FFD, и оно используется в простых приложениях, таких как управление переключателем путем его активации и деактивации.

В IEEE 802.15.4 n / w устройства Zigbee играют три разные роли, такие как координатор, координатор PAN и устройство. Здесь устройства FFD являются координатором, а также координатором PAN, тогда как устройство является устройством RFD / FFD.

Основная функция координатора - ретрансляция сообщений. В персональной сети контроллер PAN является важным контроллером, а устройство известно так, как будто оно не является координатором.
Стандарт ZigBee может создавать три протокольных устройства в зависимости от устройств Zigbee, координатора PAN, координатора и стандартной спецификации ZigBee, такой как координатор, маршрутизатор и конечное устройство, которые обсуждаются ниже.

Координатор Zigbee

В устройстве FFD для формирования сети используется координатор PAN. После того, как сеть установлена, она назначает адрес сети для устройств, используемых в сети. Кроме того, он маршрутизирует сообщения между конечными устройствами.

Маршрутизатор Zigbee

Маршрутизатор Zigbee - это устройство FFD, которое позволяет работать в сети Zigbee. Этот маршрутизатор используется для добавления дополнительных устройств в сеть. Иногда он действует как оконечное устройство Zigbee.

Конечное устройство Zigbee

Это ни маршрутизатор, ни координатор, который физически взаимодействует с датчиком, иначе выполняет операцию управления. В зависимости от приложения это может быть RFD или FFD.

Почему ZigBee лучше WiFi?

В Zigbee скорость передачи данных ниже по сравнению с WiFi, поэтому максимальная скорость составляет всего 250 кбит / с. Это очень мало по сравнению с меньшей скоростью WiFi.

Еще одно лучшее качество Zigbee - это скорость использования энергии, а также срок службы батареи. Его протокол длится несколько месяцев, потому что, как только он будет собран, мы можем забыть.

Какие устройства используют ZigBee?

Следующий список устройств поддерживает протокол ZigBee.

• Белкин WeMo
• Samsung SmartThings
• Умные замки Yale
• Philips Hue
• Термостаты от Honeywell
• Икеа Традфри
• Системы безопасности от Bosch
• Comcast Xfinity Box от Samsung
• Активное отопление Hive и аксессуары
• Amazon Echo Plus
• Amazon Echo Show

Вместо того, чтобы подключать каждое устройство Zigbee по отдельности, требуется центральный концентратор для управления всеми устройствами. Вышеупомянутые устройства, а именно SmartThings, а также Amazon Echo Plus также могут использоваться как концентратор Wink, чтобы играть жизненно важную роль в сети. Центральный концентратор просканирует сеть на предмет всех поддерживаемых устройств и предоставит вам простое управление вышеуказанными устройствами с помощью центрального приложения.

В чем разница между ZigBee и Bluetooth?

Разница между Zigbee и Bluetooth обсуждается ниже.

В чем разница между LoRa и ZigBee?

Основные различия между LoRa и Zigbee обсуждаются ниже.

Преимущества и недостатки технологии Zigbee

К достоинствам Zigbee можно отнести следующее.

• Эта сеть имеет гибкую сетевую структуру
• Время автономной работы хорошее.
• Потребляемая мощность меньше
• Исправить очень просто.
• Он поддерживает примерно 6500 узлов.
• Меньше затрат.
• Он самовосстанавливающийся, а также более надежный.
• Настройка сети очень проста и проста.
• Нагрузки распределяются по сети равномерно, поскольку в ней нет центрального контроллера.
• Мониторинг бытовой техники, а также управление очень просто с помощью пульта дистанционного управления.
• Сеть является масштабируемой, и в нее легко добавить / удалить конечное устройство ZigBee.

К недостаткам Zigbee можно отнести следующее.

• Системная информация необходима для управления устройствами на базе Zigbee для владельца.
• По сравнению с WiFi это небезопасно.
• Высокая стоимость замены в случае возникновения каких-либо проблем с бытовой техникой на базе Zigbee.
• Скорость передачи Zigbee меньше
• Он не включает несколько оконечных устройств.
• Использование для служебной частной информации очень рискованно.
• Он не используется в качестве наружной системы беспроводной связи, поскольку имеет меньший предел покрытия.
• Подобно другим типам беспроводных систем, эта система связи ZigBee склонна к беспокойству со стороны посторонних.

Применение технологии Zigbee

Применения технологии ZigBee включают следующее.

Индустриальная автоматизация: В обрабатывающей и производственной отраслях канал связи постоянно контролирует различные параметры и критически важное оборудование. Следовательно, Zigbee значительно снижает стоимость связи, а также оптимизирует процесс управления для большей надежности.

Домашняя автоматизация: Zigbee идеально подходит для удаленное управление бытовой техникой как управление системой освещения, управление приборами, управление системами отопления и охлаждения, управление и управление защитным оборудованием, наблюдение и т. д.

Интеллектуальный учет: Удаленные операции Zigbee в интеллектуальных измерениях включают в себя реакцию на потребление энергии, поддержку ценообразования, защиту от кражи энергии и т.

Мониторинг Smart Grid: Операции Zigbee в этой интеллектуальной сети включают удаленный мониторинг температуры , поиск неисправностей, управление реактивной мощностью и т. д.

Технология ZigBee используется для создания инженерных проектов, таких как беспроводная система контроля отпечатков пальцев и домашняя автоматизация.

Это все о кратком описании архитектуры, режимов работы, конфигураций и приложений технологии Zigbee. Мы надеемся, что мы предоставили вам достаточно информации об этом названии, чтобы вы могли лучше его понять. Таким образом, это обзор технологии Zigbee, основанной на сети IEEE 802.15.4. Разработка этой технологии может быть очень сильной, поэтому она может работать во всех средах.

Он обеспечивает гибкость, а также безопасность для различных сред. Технология Zigbee приобрела такую ​​популярность на рынке, потому что она обеспечивает согласованную ячеистую сеть, позволяя сети контролировать обширный регион, а также обеспечивает связь с низким энергопотреблением. Итак, это идеальная технология Интернета вещей. Вот вам вопрос: какие технологии беспроводной связи доступны на рынке? Для получения дополнительной помощи и технической поддержки вы можете связаться с нами, оставив комментарий ниже.