Zigbee: vezeték nélküli komplex szenzorhálózatok gyorsan, olcsón, hatékonyan Bevezetés Ballagi Áron Miskolci Egyetem, Automatizálási Tanszék H-3515 Miskolc Egyetemváros E-mail: aron@mazsola.iit.uni-miskolc.hu Tel.: (46) 565-111/17-35 Napjainkban több vezeték nélküli kommunikációs szabvány áll rendelkezésre közepes és nagysebességű adatátvitelhez, hang, kép, videó, és PC-s hálózatok kiszolgálásához. Kínálatból azonban hiányoztak a szenzor és vezérlő egységek speciális igényeit kielégítő vezeték nélküli kommunikációs szabványok. Ezek a rendszerek nem igényelnek nagy sávszélességet, de szükséges a rövid várakozási idő, látencia, az alacsony energia felhasználás és a biztonságos kommunikáció. Természetesen az alacsony költségek is fontos paramétert jelentenek egy széles körben felhasznált vagy elterjeszteni kívánt szabványnál. A ZigBee Alliance létrejöttének célja a hiányzó űr betöltése, a ZigBEE/IEEE 802.15.4 szabvány létrehozásával. ZigBee/IEEE 802.15.4 felépítése Mint egyéb vezeték nélküli rendszereknél is az alap szabvány az IEEE által lett lefektetve. Az IEEE 802.15.4-es csoport célja kis adatrátájú, több hónapos vagy éves telep élettartalmú, kis komplexitású nem engedély köteles rádió szabvány megalkotása. A potenciális felhasználási terület a ház-automatizálástól az ipari szenzor hálózatokig terjed. Az IEEE csoport a két alsó réteg meghatározására koncentrált (1. ábra): physical layer (PHY) és media access controller (MAC). A 1. ábrán látható az IEEE 802.15.4 a ZigBee és a felhasználói program rétegződése és egymásra épülése. Alap esetben az applikációs profilt is a ZigBee Alliance határozza meg. 1.ábra IEEE 802.15.4 és ZigBee stack modell
ZigBee/IEEE 802.15.4 jellemzői Kétféle PHY szint (2.4 GHz és 868/915 MHz) Átviteli sebesség 250 kbps @ 2.4 GHz, 40 kbps @ 915 MHz, és 20 kbps @ 868 MHz Kis működési (adási) ciklusú alkalmazásokhoz (< 0.1 %) optimalizált Nagy átviteli kapacitás kis késleltetéssel kis működési ciklusú eszközök esetén (pl.: szenzorok) Kis fogyasztás (telep élettartalma több hónapban, illetve években mérhető) Többféle hálózati topológia: csillag, szövevényes hálózat (mesh), klaszter-fa Címzési tartomány: 18450000000000000000 egység @ IEEE 64 bites címzés Összesen 65535 csomópont hálózatonként Ad-hoc önszervező hálózat Opcionális idősáv garancia az alkalmazásoknak Teljes kézfogásos (hand-shake) protokoll Biztonságos AES-128 bites kódolás Hatótáv: 10 500 m a környezet függvényében ZigBee eszköz típusok Két eszközosztály létezik: FFD (Full Function Device) o ZigBee Router és ZigBee Coordinator is lehet o Részt vesz a szövevényes hálózat kialakításában és az adatok útvonal irányításában o Elláthat további funkciókat is RFD (Reduced Function Device) o Nem lehet ZigBee Router, nem végez útvonalirányítást o Kizárólag végpont lehet o Szenzorok, beavatkozók, stb. A különböző eszközosztályok lehetővé teszik az alkalmazásoknak megfelelő legoptimálisabb eszköz választást, a költségek csökkentését. ZigBee Hálózatok ZigBee Personal Area Network: 16-bites PAN Azonosító A ZigBee Coordinator alakítja ki a hálózatot o 0. számú node o Kiválasztja a rádió csatornát o Meghatározza a PAN azonosítót o Biztonsági szint kiválasztása o Elindítja a hálózat kialakítását A hálózatban vannak routing és nem routing elemek
A hálózati topológiák a következők lehetnek: 1. Csillag (Star) 2. Klaszter (Cluster) 3. Szövevényes hálózat (mesh)
A ZigBee helye a vezeték nélküli világban A ZigBee kis sebességű vezeték nélküli személyes hálózatok számára (LR-WPAN) készült, ahol szöveg alapú átvitel szükséges (gép gép kommunikáció). A 2. ábrán láthatjuk az elhelyezkedését a többi szabványos átvitel között. Az ábrából látszik, hogy a Bluetooth szabvány áll hozzá a legközelebb ezért azzal érdemes összevetni. 2. ábra Vezeték nélküli kommunikációs szabványok A Bluetooth már egy kiforrott szabványnak tekinthető sok hardver és szoftver támogatással. A ZigBee létjogosultsága a kis fogyasztás és bonyolult hálózat ad-hoc felépítésében rejlik. A következő táblázat összefoglalja a ZigBee és Bluetooth időzítési paramétereit: ZigBee Bluetooth Új szolga felvétele a hálózatba 30 ms 20 s Váltás alvásból aktív állapotba 15 ms 3 s Aktív szolga csatorna elérési ideje 15 ms 2 ms A ZigBee eszközök gyorsan csatlakoznak, információt cserélnek és lekapcsolódnak a hálózatról visszatérve egy mély alvási állapotba, elérve így egy nagyon hosszú telep élettartamot. Egy Bluetooth eszköz kb. 100-szor több energiát igényel ugyanehhez a művelethez. Összefoglalás IEEE 802.15.4/Zigbee egy relatív új szabvány mely a kis adatrátájú, kis energia fogyasztású vezeték nélküli kommunikációs hálózatot írja le. Gép gép kommunikációs (M2M) esetén, ahol nincs szükség nagy átviteli sebességre, gyors és kis erőfeszítésekkel járó hálózatépítést tesz lehetővé. Teljesítménye és költsége a szenzorhálózatoknál sokkal jobb mint Bluetooth vagy IEEE 802.11 (WIFI) használata esetén. Az IEEE 802.15.4 egy WPAN szabvány amely relatív kis adatrátájú, kis fogyasztású rendszerekhez lett megalkotva, ahol az egyik elsődleges cél a telep élettartalmának növelése. Ez a szabvány a PHY és MAC rétegeket határozza meg, a felsőbb rétegek definiálását a ZigBee végzi. A protokoll 16 csatornát tartalmaz 2.4 GHz-es ISM sávban 250 kbps átviteli sebességgel.
Köszönetnyilvánítás A kutatómunkát és a DCS-13 konferencián való részvételt az OTKA T049499 Autonóm mobil anyagmozgató robotok intelligens irányítási stratégiáinak kidolgozása. tematikus pályázat támogatta. Irodalomjegyzék 2. Az IEEE 802.15 WPAN Task Group 4 (TG4) honlapja, http://grouper.ieee.org/groups/802/15/pub/tg4.html 3. Ed Callaway, P. Gorday, L. Hester, J.A. Gutierrez, M. Neave, B. Heile, V. Bahl, "Home networking with IEEE 802.15.4: A developing standard for low-rate wireless personal area networks," IEEE Communication Magazine, vol. 40, no. 8, pp. 70-77, August 2002. 4. ZigBee Alliance honlapja, http://www.zigbee.org/ 5. B. Razavi, RF Microelectronics, Prentice Hall 1998. 6. D. Pozar, Microwave and RF Design of Wireless Systems, 2001. 7. Göpfert, L. and the ZMD Engineering Team, A Fully-Integrated 900MHz CMOS RF Transceiver Including Digital Baseband for IEEE 802.15.4/ZigBee Application. 8. P. Kinney, ZigBee Technology: Wireless Control that Simply Works, White Paper dated 2 October 2003. 9. [8] Frenzel, L., A Supplement to Electronic Design, Wireless Control That Simply Works, January 12, 2004.