Zigbee er spesifikasjonsnavnet for en serie trådløse kommunikasjonsprotokoller på høyt nivå for bruk med lavenergi digital kringkasting , basert på IEEE 802.15.4 - standarden for trådløse personlige nettverk ( WPAN ) . Målet er applikasjoner som krever sikker kommunikasjon med lav datahastighet og maksimering av batterilevetid.
I prinsippet er området der denne teknologien forventes å styrke seg innen hjemmeautomatisering , som man kan se i Zigbee Alliance-dokumentene, i de bibliografiske referansene gitt nedenfor i dokumentet «Zigbee and Home Automation». Årsaken til dette er forskjellige egenskaper som skiller den fra andre teknologier:
Zigbee er basert på fysisk lag og medium tilgangskontroll (MAC) definert i 2003-versjonen av IEEE 802.15.4 -standarden . Forholdet mellom IEEE 802.15.4-2003 og Zigbee er likt det mellom IEEE 802.11 og Wi-Fi Alliance . Zigbee Specification 1.0 ble godkjent 14. desember 2004 og er tilgjengelig for medlemmer av utviklingsgruppen (Zigbee Alliance). Et første abonnementsnivå, kalt adopter , gjør det mulig å lage produkter for kommersialisering ved å ta i bruk spesifikasjonen for $3500 per år. Denne spesifikasjonen er tilgjengelig for allmennheten for ikke-kommersielle formål på forespørsel for nedlasting . Den nåværende revisjonen fra 2006 ble godkjent i desember samme år.
Zigbee bruker ISM-båndet til industriell, vitenskapelig og medisinsk bruk; nærmere bestemt 868 MHz i Europa, 915 i USA og 2,4 GHz over hele verden. Men når de designer enheter, vil selskaper praktisk talt alltid velge 2,4 GHz-båndet, siden det er gratis over hele verden. [ 1 ] Utviklingen av teknologien fokuserer på enkelhet og lave kostnader i stedet for lignende trådløse nettverk i WPAN -familien , som Bluetooth . Den mest komplette Zigbee-noden krever teoretisk omtrent 10 % av maskinvaren til en typisk Bluetooth- eller Wi-Fi- node ; dette tallet synker til 2 % for de enkleste nodene. [ referanse nødvendig ] Størrelsen på selve koden er imidlertid mye større og er nær 50 % av størrelsen på Bluetooth. [ 2 ] Enheter med opptil 128 kB lagringsplass annonseres. [ referanse nødvendig ]
I 2006 er markedsprisen på en Zigbee-kompatibel transceiver nær én dollar og prisen på et sett med radio, prosessor og minne er rundt tre dollar. [ 3 ] Til sammenligning ble Bluetooth i utgangspunktet (i 1998, før utgivelsen) forventet å koste $4-6 ved høye volumer [ sitat nødvendig ] ; tidlig i 2007 var prisen på vanlige forbrukerenheter omtrent tre dollar. [ 4 ]
Den første versjonen av stabelen blir nå ofte referert til som Zigbee 2004 . Den andre og nåværende versjonen fra juni 2006 heter Zigbee 2006 , og erstatter MSG/KVP-strukturen med et klyngebibliotek , noe som gjør den forrige versjonen foreldet. Endelig har Zigbee Alliance gitt ut 2007-versjonen av stabelen. Noen nye applikasjonsprofiler er også inkludert, for eksempel automatisk lesing , kommersiell byggautomatisering og hjemmeautomatisering basert på prinsippet om bruk av klyngebiblioteket .
Zigbee 2007 kalles noen ganger Pro , men Pro er faktisk en stabelprofil som definerer visse egenskaper ved stabelen.
Zigbee 2007-nettverkslaget er ikke kompatibelt med Zigbee 2004-2006, selv om en RFD-node kan bli med i et 2007-nettverk og omvendt. Gammel versjon av rutere kan ikke blandes med en 2007-koordinator.
Zigbee er veldig lik Bluetooth , men med noen forskjeller og fordeler for hjemmeautomatisering:
Tre forskjellige typer Zigbee-enheter er definert basert på deres rolle i nettverket:
Som et eksempel på bruk i hjemmeautomatisering vil vi i et rom i huset ha forskjellige sluttenheter (som en bryter og en lampe) og et sammenkoblingsnettverk laget med Zigbee-rutere og styrt av koordinatoren.
Basert på funksjonaliteten kan en andre klassifisering vurderes:
En Zigbee-knute (både aktiv og passiv) reduserer forbruket takket være det faktum at den kan forbli i dvale mesteparten av tiden (selv mange dager på rad). Når bruken er nødvendig, er Zigbee-noden i stand til å våkne på svært kort tid, for å gå i dvale igjen når den ikke lenger er nødvendig. Enhver node våkner etter ca. 15 ms. I tillegg til denne tiden vises andre vanlige funksjonstidsmålinger:
Protokollene er basert på nyere forskning på nettverksalgoritmer ( ad hoc on-demand distance vector , neuRFon) for å bygge lavhastighets ad hoc-nettverk. De fleste store nettverk er designet for å danne en klynge av klynger. Det kan også være strukturert som et nett eller som en enkelt klynge. Gjeldende protokollprofiler støtter nettverk som kanskje eller ikke bruker beaconing-fasiliteter.
Nettverk uten beacons (de hvis beacon-grad er 15) får tilgang til kanalen via CSMA/CA . Rutere er vanligvis aktive hele tiden, så de krever generelt stabil strøm. Dette åpner igjen for heterogene nettverk der noen enheter kan sende hele tiden, mens andre bare sender i nærvær av eksterne stimuli. Det typiske eksempelet er en trådløs bryter: en node i lampen kan motta kontinuerlig siden den er koblet til nettverket; i motsetning til dette vil en batteridrevet bryter være i dvale til mekanismen aktiveres. I et slikt nettverk vil lampen være en ruter eller koordinator, og bryteren en sluttenhet.
Hvis nettverket bruker beacons, genererer ruterne dem med jevne mellomrom for å bekrefte deres tilstedeværelse til andre noder. Noder kan deaktiveres mellom beacon-mottak ved å redusere driftssyklusen deres . Beacon-intervaller kan variere fra 15,36 ms til 15,36 ms * 2 14 = 251,65824 sekunder ved 250 kbit /s; 24 ms til 24 ms * 2 14 = 393,216 sekunder ved 40 kbit/s; og fra 48 ms til 48 ms * 2 14 = 786,432 sekunder ved 20 kbit/s. Lange perioder med korte driftssykluser krever imidlertid presis timing, noe som kan gå imot lavkostnadsprinsippet.
Generelt sett minimerer Zigbee-protokoller radiooppetid for å unngå strømforbruk. I nettverk med beacons trenger nodene kun å være våkne mens beacons sendes (i tillegg til når de får tildelt tid til å sende). Hvis det ikke er beacons, er forbruket asymmetrisk fordelt mellom permanent aktive enheter og andre som bare er sporadisk aktive.
Zigbee-enheter må overholde IEEE 802.15.4-2003 lavhastighets WPAN -standard. Den definerer de laveste nivåene: det fysiske laget (PHY) og middels tilgangskontroll (MAC, del av datalinklaget , DLL). Standarden fungerer på ISM -båndene med uregulert bruk beskrevet ovenfor. Opptil 16 kanaler er definert i 2,4 GHz-området, hver med en båndbredde på 5 MHz. Senterfrekvensen til hver kanal kan beregnes som: FC = (2405 + 5*(k-11 )
Radioer bruker et spredt spektrum med direkte sekvens . BPSK brukes i de to lavere frekvensområdene, samt en ortogonal QPSK som sender to bits per symbol i 2,4 GHz-båndet. Dette tillater overføringshastigheter i luften på opptil 250 kbps, mens de nedre båndene er utvidet med siste revisjon med denne hastigheten fra 40 kbps i den første versjonen. Overføringsområdet varierer mellom 10 og 75 meter, selv om det avhenger mye av miljøet. Effekten til radioer er vanligvis 0 dBm (1 mW).
Selv om CSMA/CA generelt brukes for å unngå overføringskollisjoner, er det noen unntak fra bruken: på den ene siden følger rammene en fast timing som må respekteres; på den annen side følger heller ikke forsendelsesbekreftelser denne disiplinen; Til slutt, hvis garanterte tidsluker er tildelt for en overføring, er det heller ikke mulig å stride.
Selv om maskinvaren er enkel, innebærer sertifiseringsprosessen av en enhet en fullstendig validering av kravene til det fysiske laget. Denne intensive gjennomgangen har mange fordeler, siden alle radioer laget av samme halvledermaske vil ha de samme radiofrekvensegenskapene. På den annen side kan et dårlig kontrollert fysisk nivå skade ikke bare selve enheten, men også strømforbruket til andre enheter på nettverket. Andre standarder kan kompensere for visse problemer, mens Zigbee jobber i svært smale marginer av forbruk og båndbredde. Derfor, i henhold til 802.15.4, passerer radioene ISO 17025- valideringer . De fleste produsenter planlegger å integrere radioen og mikrokontrolleren på en enkelt brikke, noe som gir mer kompakte enheter.
Zigbee tillater tre nettverkstopologier :
Den mest interessante topologien (og en av grunnene til at Zigbee ser ut til å lykkes) er mesh-topologien. Dette tillater at hvis, i et gitt øyeblikk, en node av banen svikter og faller, kan kommunikasjonen mellom alle de andre nodene fortsette på grunn av det faktum at alle banene er gjenoppbygd. Forvaltningen av stiene er koordinatorens oppgave.
Zigbee-nettverk er designet for å spare strøm ved 'slave'-nodene. På denne måten oppnås lavt strømforbruk. Strategien er at en "slave"-enhet i lang tid er i "sleep"-modus, på en slik måte at den bare "våkner" i en brøkdel av et sekund for å bekrefte at den er "levende" i nettverket av enheter i verten. som er en del Denne overgangen fra "sleep"-modus til "våken"-modus (modus der den faktisk sender), tar ca. 15 ms, og "slave"-oppregningen varer ca. 30 ms, som diskutert ovenfor.1
I Zigbee-nettverk kan to typer miljøer eller systemer brukes:
Med beaconsDet er en mekanisme for å kontrollere strømforbruket i nettverket. Gir beskjed til alle enheter når de kan kringkaste. I denne modellen har de to banene til nettverket en distributør som har ansvaret for å kontrollere kanalen og styre sendingene. Beacons som gir navn til denne typen miljøer brukes for å kunne synkronisere alle enhetene som utgjør nettverket, identifisere hjemmeautomatiseringsnettverket og beskrive strukturen til "superrammen". Beacon-intervaller tilordnes av nettverkskoordinatoren og kan variere fra 15 ms til 4 minutter.
Denne modusen er mer anbefalt når nettverkskoordinatoren jobber med et batteri. Enhetene som utgjør nettverket lytter til nevnte koordinator under "beacon" (sender meldinger til alle enheter -broadcast-, mellom 0,015 og 252 sekunder). En enhet som ønsker å gripe inn, det første den må gjøre er å registrere seg for koordinatoren, og det er da den sjekker om det er noen meldinger til den. I tilfelle det ikke er noen meldinger, går denne enheten tilbake til "dvale" og våkner i henhold til en tidsplan som tidligere er fastsatt av koordinatoren. Så snart koordinatoren er ferdig med «beacon», går han tilbake til «søvn».
Ingen beaconsMultippel tilgang til Zigbee-systemet brukes i et nært punkt-til-punkt-nettverk. I denne typen er hver enhet autonom, og kan starte en samtale der de andre kan forstyrre. Noen ganger kan det hende at destinasjonsenheten ikke hører forespørselen, eller at kanalen er opptatt.
Dette systemet brukes vanligvis i sikkerhetssystemer, der enhetene deres (sensorer, bevegelsesdetektorer eller glassbrudddetektorer) sover praktisk talt hele tiden (99,999%). For å bli lagt merke til, "våkner" disse elementene med jevne mellomrom for å kunngjøre at de fortsatt er på nettverket. Når en hendelse oppstår (i vårt system vil det være når noe oppdages), "våkner" sensoren øyeblikkelig og sender den tilsvarende alarmen. Det er i dette øyeblikket at nettverkskoordinatoren mottar meldingen sendt av sensoren og aktiverer den tilsvarende alarmen. I dette tilfellet mates nettverkskoordinatoren til enhver tid fra hovednettet.
Zigbee-moduler forventes å være de billigste trådløse senderne noensinne og masseprodusert. De vil koste rundt $ 8 , og vil ha en innebygd antenne, frekvenskontroll og et lite batteri. De vil tilby en så billig løsning fordi radioen kan lages med langt mindre analoge kretser enn det som vanligvis er nødvendig.