1

Cuprins

1. Prezentare generală .................................................................................................... 2

2. Moduri de operare ZigBee ........................................................................................... 6

3. Arhitectura software de operare ZigBee ...................................................................... 9

4. Modele de comunicații ............................................................................................... 11

5. Bibliografie ................................................................................................................ 12

2

1. Prezentare generală

ZigBee este o specificație pentru o suită de protocoale de comunicație de înalt

nivel folosită pentru a creea rețele de zonă personală construite de la radiouri digitale

mici de putere joasă. ZigBee este bazat pe un standard IEEE 802.15. Deși au o putere

joasă, dispozitivele ZigBee pot transmite date pe distanțe lungi prin trecerea datelor prin

dispozitivele intermediare pentru a ajunge la toate dispozitivele din rețea.

ZigBee este folosit în aplicații care necesită doar o rată scăzută de date, baterie

de lungă viață și rețele sigure. ZigBee are o rată definită de 250 kbit/s, cel mai potrivit

pentru date periodice sau intermitente, sau un singur semnal de transmisie de la un

senzor sau un dispozitiv de intrare. Tehnologia definită de specificația ZigBee este

destinată sa fie mai simplă și mai puțin costisitoare decât alte WPAN-uri, cum ar fi

Bluethooth sau Wi-Fi.

Ariile de aplicabilitate a standardului ZigBee sunt:

Home Entertainment and Control – automatizarea casei, iluminat inteligent,

control avansat al temperaturii, securitate și siguranță, filme și muzică;

Rețele de senzori wireless – începând cu senzori individuali ca și Telosb/Tmote

și Iris de la Memsic;

Control industrial;

Detectare încorporată;

Colectare de date medicale;

Alarma de fum și intruși;

Automatizarea clădirilor.

Ca şi tehnologii de achiziţie de date şi măsurători, două standarde ocupă poziţii

importante ca şi utilizare: Wi-Fi şi ZigBee. Standardul ZigBee este un standard de cost

redus, de putere joasă, utilizat cu precădere în topologii de tip “plasă” (mesh network),

“stea” sau “grup-arbore” (cluster tree). Acesta este proprietate a ZigBee Alliance şi

3

folosit mai ales în sisteme unde scopul este de a realiza cu putere mică de emisie

performanţe ridicate şi autonomie cât mai mare a bateriei ce alimenteaza sistemul.

Figura de mai jos ilustrează o mică comparaţie între principalele standarde utilzate în

WDAQ şi WSN.

Fig.1 Comparaţie între principalele standarde utilizate în WDAQ

Eficientizarea low-cost permite tehnologiei să fie vast utilizată în controlul şi

monitorizarea wireless, consumul redus de energie permiţând totodată durată de viaţă

ridicată iar reţeaua de tip “plasă” permite fiabilitate şi rază mult mai mare de acţiune.

Fig.1-2 Caracteristicile standardului ZigBee şi modul radio în acest standard

4

Design-ul radio pentru modulele ZigBee a fost optimizat în cea mai mare măsură

pentru cost redus în producţia de masă. Posedă doar câteva stagii de prelucrare

analogică a semnalului şi circuite digitale în mare măsură, acolo unde este posibil.

Fig.3 Arhitectura unui sistem ZigBee la nivel de modul electronic

Deşi modulele radio nu au un preţ de achiziţie ridicat, procesul de calificare

ZigBee implică o validare completă a cerinţelor layer-ului fizic. Toate modulele radio

derivate din aceeaşi mască semiconductoare trebuie să îndeplinească aceleaşi

caracteristici de radiofrecvenţă. Un strat fizic necertificat cu funcţionare defectuaoasă ar

putea să saboteze viaţa bateriei utilizate şi a întregii reţele ZigBee. Transceiverele

Zigbee posedă constrângeri foarte mari în ceea ce priveşte puterea de emisie şi

lărgimea de bandă. Pentru dispozitivele operând în banda de 2.4GHz sunt alocate 16

canale, fiecare necesitând 5MHz lărgime de bandă. Transceiverele folosesc modulaţia

DSSS care este atribuită stream-ului digital din sistemul modulator. Modulaţia de tip

BPSK (Binary Phase Shift Keying) este utilizată preponderent în banda de 868MHz şi

915MHz, în 2.4GHz folosindu-se modulaţia de tip OQPSK (Offset Quadrature Phase

Shift Keying) cu transmiterea a doi biţi pentru un simbol.

5

În banda ISM de 2.4GHz se poate ajunge la viteze de transmisie a datelor de

până la 250 kbit/s pe canal, 40kbit/s pe canal, iar în cea de 915MHz şi 20kbit/s pe canal

în 868MHz. Pentru transmisiuni în interiorul unor clădiri (indoor), distanţa de emisie

poate fi de la 10÷20m şi depinde de numărul de pereţi şi construcţia respectivă precum

şi de limitele de putere în respectiva locaţie geografică. Însă, în spaţii deschise distanţa

acoperită de o reţea wireless ZigBee poate să ajungă până la 1500m, depinzând de

caracteristicile mediului respectiv. Puterea de ieşire de radiofrecvenţă variază între

0÷20dBm (0÷100mW).

6

2. Moduri de operare ZigBee

Din punct de vedere al conexiunilor posibile în arhitectură şi în funcţie de rolul pe

care modulele ZigBee pot să îl îndeplinească în cadrul reţelei, se identifică:

a. Coordonatorul ZigBee (ZC) – coordonatorul formează rădăcina conexiunii

fiind dispozitivul cel mai capabil din cadrul reţelei şi se poate conecta cu

alte reţele prin conexiunea bridge; există un singur coordonator în fiecare

reţea şi este entitatea care iniţiază conexiunea, stocând date despre reţea

şi administrând centrul de securitate şi parolele stocate;

b. Routerul ZigBee (ZR) – în timp ce rulează o funcţie de aplicaţie acesta

poate face conexiunea de la un router la altul sau poate intercepta şi

retransmite informaţia către alt dispozitiv;

Fig.4 Conexiuni posibile şi arhitectura ZigBee

c. ZigBee End Device (ZED) – conţine suficiente funcţionalităţi pentru a

comunica cu nodul părinte (ZC sau ZR) şi nu poate să schimbe informaţia

de la un router la altul; această situaţie permite nodului central să fie în

starea “sleep” astfel consumând mai puţină energie şi mărind durata de

7

viaţă a bateriei; ZED necesită cea mai mică cantitate de memorie alocată

pentru a funcţiona şi în felul acesta se poate spune că are un cost de

producţie mult mai mic decât ZC sau ZR.

Protocoalele curente ZigBee suportă arhitecturi de tip “far” şi “non-far” (beacon /

non- beacon). În cele din urmă se utilizează un mecanism de acces la canal de tip

CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Acces with Collision Avoidance). În acest tip de

reţea, routerele ZigBee au de obicei receptoarele activate continuu, acest lucru

crescând cerinţele în ceea ce priveşte sursa mult mai robustă de alimentare. Aceasta

permite instalarea unei arhitecturi heterogene însemnând că în timp ce anumite

dispozitive recepţionează în continuu, unele doar transmit la detecţia unui stimul extern.

Un exemplu tipic pentru reţeaua heterogenă este comutatorul de lumină activat

wireless. Nodul ZigBee asociat lămpii va ramâne activ deoarece el este alimentat de la

reţeaua de bază tot timpul (ex. 220Vca) în timp ce nodul de la comutatorul de lumină de

perete, spre exemplu, alimentat de la baterii, va ramâne în modul “sleep” până

comutatorul este acţionat. Astfel, după iniţializarea comenzii, comutatorul va primi un

răspuns de la lampă după care va reintra în modul “sleep” din nou. Într-o astfel de reţea

nodul lămpii va fi cel puţin un ZigBee Router sau Coordonator şi nodul comutator va fi

de tip ZED.

În reţelele “far-activate” lucrurile se petrec puţin diferit, routerele ZigBee transmit

periodic semnale de baliză pentru a confirma prezenţa lor în nodul de reţea sau la alte

noduri de reţea. Nodurile pot să fie în starea “sleep” între transmisia semnalelor de

baliză, aceasta însemnând că factorul de umplere al semnalelor eventual transmise se

va diminua implicit reducându-se şi consumul de energie din baterie. Intervalele de

transmisie depind de rata semnalului util, având de la:

- 15.36ms până la 251.65824s la 250kbit/s;

- 24ms până la 393.216s la 40kbit/s;

- 48ms până la 786.432s la 20kbit/s.

Totuşi, pentru a implementa o funcţionare cu factor de umplere redus şi semnale

de baliză cu intervale mari este necesară o sincronizare precisă ceea ce poate creşte

mult costurile de producţie. Deci în acestă zonă sunt limitările de tehnologie şi cost la

8

ora actuală. În general protocoalele de comunicaţie ZigBee sunt în aşa fel elaborate

încât să minimizeze pe cât posibil timpii cât dispozitivul este în starea “pornit”, tocmai

pentru a reduce puterea consumată. Exceptând protocolul Smart Energy Profile 2.0,

dispozitivele ZigBee trebuie să îndeplinească şi să fie conformă cu standardul IEEE

802.15.4-2003 LR-WPAN (Low Range – Wireless Personnal Area Network). Standardul

specifică nivelele de jos ale protocolului fizic (PHY) precum şi porţiunea de acces şi

control media a stratului de legături de date (DLL). Accesul de bază la canal este

CSMA/CA. Acesta se rezumă la faptul că nodurile comunică între ele la fel ca în

comportamentul uman: se verifică că nici un nod nu transmite la momentul respectiv

înainte ca cineva sa înceapă să transmită. Semnalele de baliză sunt transmise la

intervale foarte precise de timp, şi nu folosesc CSMA. De asemenea mesajele de

confirmare a recepţionării semnalului util nu folosesc CSMA.

9

3. Arhitectura software de operare ZigBee

Software-ul pentru entităţile ZigBee este astfel conceput pentru a fi uşor

dezvoltat şi implementat pe microprocesoare cu putere redusă de calcul. În cele ce

urmează vom studia un număr de 3 nivele distincte aplicabile care au impact major în

arhitectura software:

a. Nivelul de reţea (Network Layer) – funcţia sa de bază este de a activa corect

subnivelul MAC şi de a furniza o interfaţă propice pentru utlizarea nivelului

imediat superior, denumit nivelul de aplicaţie. Pe de altă parte entităţile de date

crează şi controlează unităţile de date din nivelul de reţea de la sarcina distribuită

de nivelul de aplicaţie şi îndeplineşte rutarea în concordanţă cu topologia

respectivă. Suplimentar există şi nivelul de control care este folosit pentru a se

ocupa de configurarea noilor device-uri care tocmai au intrat în reţea sau pentru

a stabili noi reţele: poate descoperi când un vecin de reţea aparţine unei anumite

reţele şi descoperă noi vecini si routere. Controlul poate detecta de asemenea şi

prezenţa unui nou receptor ceea ce permite comunicaţia directă şi sincronizare

de adrese MAC (Media Acces Control). Protocolul de rutare folosit de nivelul de

reţea este unul de tip AODV (Ad-Hoc On Demand Distance Vector Routing).

Pentru a afla destinaţia pachetului de date transmite o cerinţă de traseu la toţi

vecinii de nod. Aceşti vecini transmit mai apoi cererea la ceilalţi vecini de reţea

până ce destinaţia finală a mesajului a fost atinsă.

b. Nivelul de aplicaţie – este nivelul cel mai înalt definit de specificaţie şi este

interfaţa efectivă a sistemului ZigBee cu utilizatorul final. Conţine majoritatea

componentelor date de standardul ZigBee: procedurile de management şi

obiectele de aplicaţie definite de producător.

c. Componentele de bază – ZDO (ZigBee Device Object) este unul din protocoalele

de stivă responsabile pentru managementul total al dispozitivului, chei de

securitate şi politici de rutare. Este de asemenea responsabil pentru definirea

rolului unui anumit dispozitiv ca fiind coordonator sau router. Poate de asemenea

10

să stabileasca conexiuni sigure cu alte dispozitive şi să răspundă cererilor de

conexiune. Tot aici există şi subnivelul de ajutor pentru aplicaţii (APS) şi conţine

o interfaţă bine definită şi servicii de control. Funcţionează ca o punte de legătură

între nivelul de reţea şi alte componente ale nivelului de aplicaţii: menţine

actualizate tabelele de legătură sub forma unei baze de date. De asemenea

rutează mesaje între nivelele stivei de protocoale.

11

4. Modele de comunicații

Un model de aplicaţie poate fi comunicaţia între mai multe obiecte care încearcă

să îndeplinească împreună sarcini diferite. Scopul ZigBee este de a distribui munca

între mai mulţi parteneri de comunicaţie. Colecţia de obiecte care formează reţeaua

comunică folosind resursa APS, supervizate de interfaţa ZDO. Nivelul de aplicaţie

urmează în acest caz o structură de tip cerere/confirmare – indicaţie/răspuns. În cadrul

unui singur dispozitiv pot exista până la 240 obiecte de aplicaţii, numerotate în intervalul

1÷240. Numărul 0 este rezervat pentru interfaţa de date ZDO iar 255 pentru transmisie.

Există un număr de două servicii disponibile pentru obiectele de aplicaţie ce pot fi

utilizate:

Serviciul de pereche de key (KVP Key-pair Value Service) – destinat scopurilor

de configurare; activează descrierea, cererea şi modificarea atributelor obiectelor

în uz prin intermediul unei interfeţe simple bazate pe un set de primitive de

eveniment de tip preia/seteză unele dintre ele permiţând şi cererea de răspuns;

configurația foloseşte XML comprimat.

Serviciul de mesaje – destinat să ofere o aproximare generală tratării tipului de

informaţie, evitând necesitatea de adaptare la protocoale de comunicaţie.

Adresarea face de asemenea parte din nivelul de aplicaţie. Un nod de reţea

constă dintr-un dispozitiv - transceiver radio conform cu standrdul IEEE 802.15.4 şi una

sau mai multe descrieri de dispozitiv (de fapt colecţii de atribute care pot fi interogate

sau setate, sau care pot fi monitorizate prin intermediul evenimentelor). Transceiverul

radio este baza de adresare, iar dispozitivele din nod sunt specificate de un

„identificator de sfârsit de nod”, în intervalul 1÷240.

12

5. Bibliografie

Halvorsen Hans-Peter, Telemark University College, Wireless Data Acquisition in

LabView

Ibidem,extra:

http://en.wikipedia.org/wiki/File:ETRX357_ZigBee_module_with_size_ref.JPG

Wikipedia – documentație, http://en.wikipedia.org/wiki/ZigBee