Технологична архитектура ZigBee и нейните приложения

Технологична архитектура ZigBee и нейните приложения

В настоящия свят на комуникация има многобройни комуникационни стандарти с висока скорост на предаване на данни, но никой от тях не отговаря на стандартите за комуникация на сензорите и контролните устройства. Тези комуникационни стандарти с висока скорост на предаване на данни изискват ниска латентност и ниска консумация на енергия дори при по-ниска честотна лента. Технологията Zigbee на наличните собствени безжични системи е с ниска цена и ниска консумация на енергия и нейните отлични и превъзходни характеристики правят тази комуникация най-подходяща за няколко вградени приложения , индустриален контрол и автоматизация на дома и т.н. Обхватът на технологията Zigbee за разстояния на предаване варира главно от 10 - 100 метра въз основа на изходната мощност, както и характеристиките на околната среда.



Какво представлява Zigbee Technology?

Zigbee комуникацията е специално изградена за контролни и сензорни мрежи по стандарта IEEE 802.15.4 за безжични лични мрежи (WPAN) и е продукт на алианса Zigbee. Това комуникационен стандарт дефинира физически и Media Access Control (MAC) слоеве за обработка на много устройства с ниска скорост на предаване на данни. Тези WPAN на Zigbee работят на честоти 868 MHz, 902-928MHz и 2,4 GHz. Скоростта на предаване на данни от 250 kbps е най-подходяща за периодично, както и за междинно двупосочно предаване на данни между сензори и контролери.


Какво представлява Zigbee Technology?

Какво представлява Zigbee Technology?





Zigbee е мрежа с ниска цена и ниска мощност, широко разпространена за управление и наблюдение на приложения, където обхваща 10-100 метра в обхвата. Тази комуникационна система е по-евтина и по-проста от другата собственост на къси разстояния безжични сензорни мрежи като Bluetoot h и Wi-Fi.

Zigbee модем

Zigbee модем



Zigbee поддържа различни мрежови конфигурации за комуникация между главен или главен или подчинен. Освен това може да работи в различни режими, в резултат на което се запазва заряда на батерията. Мрежите Zigbee могат да се разширяват с помощта на рутери и позволяват на много възли да се свързват помежду си за изграждане на по-широка областна мрежа.

История на Zigbee Technology

През 1990 г. бяха въведени цифровите радио мрежи със самоорганизиращи се ad hoc. Спецификацията на Zigbee като IEEE 802.15.4-2003 е одобрена през 2004 г., на 14 декември. Спецификацията 1.0 е обявена от Zigbee Alliance през 2005 г., на 13 юни, наречена Спецификация на ZigBee 2004.

Клъстерна библиотека

През 2006 г., септември, беше обявена спецификацията на Zigbee 2006 чрез замяна на стека от 2004 г. Така че тази спецификация замества основно структурата на двойките ключ-стойност, както и съобщението, използвано в стека от 2004 г. чрез клъстерна библиотека.


Библиотеката включва набор от последователни команди, планирани под групи, наречени клъстери с имена като Home Automation, Smart Energy & Light Link на ZigBee. През 2017 г. библиотеката е преименувана с Dotdot от Zigbee Alliance и е обявена за нов протокол. И така, тази Dotdot работи за приблизително всички устройства Zigbee като слой по подразбиране.

Zigbee Pro

През 2007 г. Zigbee Pro като Zigbee 2007 беше финализиран. Това е един вид устройство, което работи в наследена мрежа Zigbee. Поради несъответствията в опциите за маршрутизиране, тези устройства трябва да се превърнат в ZED-та или Zigbee крайни устройства (ZED), които не се маршрутизират в наследствена мрежа Zigbee. Наследните устройства Zigbee трябва да се превърнат в крайни устройства на Zigbee в мрежата на Zigbee Pro. Той функционира през 2.4 GHz ISM лента, както и включва под-GHz лента.

Как работи Zigbee Technology?

Технологията Zigbee работи с цифрови радиостанции, като позволява на различни устройства да общуват помежду си. Устройствата, използвани в тази мрежа, са рутер, координатор, както и крайни устройства. Основната функция на тези устройства е да доставят инструкциите и съобщенията от координатора до единичните крайни устройства като крушка.

В тази мрежа координаторът е най-важното устройство, което е поставено в началото на системата. За всяка мрежа има просто един координатор, използван за изпълнение на различни задачи. Те избират подходящ канал за сканиране на канал, както и за намиране на най-подходящия чрез минимум смущения, разпределят изключителен идентификатор, както и адрес на всяко устройство в мрежата, така че съобщенията в противен случай могат да бъдат прехвърляни в мрежата .

Рутерите са подредени между координатора, както и крайните устройства, които са отговорни за маршрутизиране на съобщенията между различните възли. Рутерите получават съобщения от координатора и ги съхраняват, докато крайните им устройства не са в състояние да ги получат. Те могат също така да позволят на други крайни устройства, както и рутери да свързват мрежата

В тази мрежа малката информация може да се контролира от крайни устройства чрез комуникация с родителския възел като рутер или координатор, базиран на типа мрежа Zigbee. Крайните устройства не разговарят директно едно през друго. Първо, целият трафик може да бъде насочен към родителския възел като рутера, който съхранява тези данни, докато получаващият край на устройството не е в ситуация да го осъзнае. Крайните устройства се използват за искане на всички съобщения, които чакат от родителя.

Зигби архитектура

Структурата на системата Zigbee се състои от три различни типа устройства като Zigbee Coordinator, Router и End device. Всяка Zigbee мрежа трябва да се състои от поне един координатор, който действа като корен и мост на мрежата. Координаторът е отговорен за обработката и съхраняването на информацията, докато изпълнява операции за получаване и предаване на данни.

Zigbee маршрутизаторите действат като посреднически устройства, които позволяват на данните да преминават напред и назад през тях към други устройства. Крайните устройства имат ограничена функционалност за комуникация с родителските възли, така че енергията на батерията да бъде спестена, както е показано на фигурата. Броят на маршрутизаторите, координаторите и крайните устройства зависи от типа мрежи като звезда, дърво и мрежови мрежи.

Архитектурата на протокола Zigbee се състои от стек от различни слоеве, където IEEE 802.15.4 се дефинира от физически и MAC слоеве, докато този протокол се завършва чрез натрупване на собствени мрежови и приложни слоеве на Zigbee.

ZigBee технологична архитектура

ZigBee технологична архитектура

Физически слой : Този слой извършва операции по модулация и демодулация при предаване и получаване на сигнали съответно. Честотата, скоростта на предаване на данни и редица канали на този слой са дадени по-долу.

MAC слой : Този слой е отговорен за надеждното предаване на данни чрез достъп до различни мрежи с избягване на сблъсък с множествен достъп на носителя (CSMA). Това също предава светлинните рамки за синхронизиране на комуникацията.

Мрежов слой : Този слой се грижи за всички операции, свързани с мрежата, като настройка на мрежата, свързване на крайното устройство и прекъсване на връзката с мрежата, маршрутизация, конфигурации на устройства и т.н.

Подслой за поддръжка на приложения : Този слой позволява на услугите, необходими на обектите на устройството Zigbee и обектите на приложенията да се свързват с мрежовите слоеве за услуги за управление на данни. Този слой е отговорен за съвпадение на две устройства според техните услуги и нужди.

Приложна рамка : Предоставя два вида услуги за данни като двойка ключ-стойност и услуги за общи съобщения. Общото съобщение е дефинирана от разработчика структура, докато двойката ключ-стойност се използва за получаване на атрибути в обектите на приложението. ZDO осигурява интерфейс между обектите на приложението и APS слоя в устройствата Zigbee. Той отговаря за откриването, инициирането и свързването на други устройства към мрежата.

Режими на работа на Zigbee и неговите топологии

Двупосочните данни на Zigbee се прехвърлят в два режима: режим без маяк и режим на маяк. В режим на маяк координаторите и маршрутизаторите непрекъснато наблюдават активното състояние на входящите данни, поради което се консумира повече енергия. В този режим рутерите и координаторите не спят, защото по всяко време всеки възел може да се събуди и да комуникира.

Необходимо е обаче повече захранване и общата му консумация на енергия е ниска, тъй като повечето устройства са в неактивно състояние за дълги периоди в мрежата. В режим на маяк, когато няма комуникация на данни от крайни устройства, тогава рутерите и координаторите влизат в състояние на заспиване. Периодично този координатор се събужда и предава маяците на рутерите в мрежата.

Тези маякови мрежи работят за времеви интервали, което означава, че те работят, когато необходимата комуникация води до по-ниски работни цикли и по-дълго използване на батерията. Тези режими на маяци и без маяци на Zigbee могат да управляват периодични (данни от сензори), периодични (превключватели на светлината) и повтарящи се типове данни.

Зигби топологии

Zigbee поддържа няколко мрежови топологии, но най-често използваните конфигурации са топологии звезда, мрежа и клъстерно дърво. Всяка топология се състои от един или повече координатори. В звездната топология мрежата се състои от един координатор, който отговаря за инициирането и управлението на устройствата по мрежата. Всички останали устройства се наричат ​​крайни устройства, които пряко комуникират с координатора.

Това се използва в индустрии, където са необходими всички крайни устройства комуникирайте с централния контролер , а тази топология е лесна и лесна за разгръщане. В мрежовите и дървесни топологии мрежата на Zigbee е разширена с няколко рутера, където координаторът е отговорен за тяхното наблюдение. Тези структури позволяват на всяко устройство да комуникира с всеки друг съседен възел за осигуряване на резервиране на данните.

Ако някой възел се провали, информацията се насочва автоматично към други устройства чрез тези топологии. Тъй като излишъкът е основният фактор в индустриите, следователно се използва най-вече мрежовата топология. В мрежа от клъстерни дървета всеки клъстер се състои от координатор с листни възли и тези координатори са свързани с родителския координатор, който инициира цялата мрежа.

Поради предимствата на технологията Zigbee като ниски разходи и ниски работни режими и нейните топологии, тази комуникационна технология с малък обхват е най-подходяща за няколко приложения в сравнение с други собствени комуникации, като Bluetooth, Wi-Fi и др. Някои от тях сравнения като диапазон на Zigbee, стандарти и др. са дадени по-долу.

Защо ниски нива на данни в Zigbee?

Знаем, че на пазара се предлагат различни видове безжични технологии като Bluetooth, както и WiFi, който осигурява висока скорост на данни. Но скоростта на предаване на данни в Zigbee е по-малка, тъй като основната цел на разработката на ZigBee е да се използва в безжичния контрол, както и в монитора.

Количеството данни, както и честотата на комуникация, използвана в такива приложения, е изключително ниска. Въпреки това е вероятно мрежа като IEEE 802.15.4 да постигне висока скорост на предаване на данни, така че технологията Zigbee се основава на мрежата IEEE 802.15.4.

Zigbee Technology в IoT

Знаем, че Zigbee е един вид комуникационна технология, подобна на Bluetooth, както и WiFi, но има и множество нови нарастващи алтернативи на мрежи като Thread, която е опция за приложенията на домашната автоматизация. В големите градове технологиите Whitespace са внедрени за базирани на IoT случаи на по-широк регион.

ZigBee е спецификация за WLAN (безжична локална мрежа) с ниска мощност. Той осигурява по-малко данни, използвайки по-малко енергия от често свързани устройства за изключване на батерията. Поради това отвореният стандарт е свързан чрез M2M (машина към машина) комуникация, както и индустриалния IoT (интернет на нещата).

Zigbee се превърна в IoT протокол, който се приема в световен мащаб. Вече се конкурира с Bluetooth, WiFi и Thread.

Зигби устройства

Спецификацията на IEEE 802.15.4 Zigbee включва главно две устройства като пълнофункционални устройства (FFD), както и устройства с намалена функция (RFD). FFD устройство изпълнява различни задачи, които са обяснени в спецификацията и може да приеме всяка задача в мрежата.

RFD устройство има частични възможности, така че изпълнява ограничени задачи и това устройство може да разговаря с всяко устройство в мрежата. Той трябва да действа, както и да обръща внимание в мрежата. RFD устройство може да разговаря просто с FFD устройство и се използва в прости приложения, като например управление на превключвател чрез активиране и деактивиране.

В IEEE 802.15.4 n / w устройствата Zigbee играят три различни роли като координатор, координатор PAN и устройство. Тук FFD устройствата са координатор, както и PAN координатор, докато устройството е или RFD / FFD устройство.

Основната функция на координатора е за препредаване на съобщения. В личната мрежа PAN контролерът е основен контролер и устройството е известно, сякаш устройството не е координатор.
Стандартът ZigBee може да създаде три протоколни устройства в зависимост от устройствата Zigbee, координатор PAN, координатор и стандартната спецификация на ZigBee като координатор, рутер и крайно устройство, които са разгледани по-долу.

Zigbee координатор

В FFD устройство това е координатор на PAN, който се използва за формиране на мрежата. След като мрежата се установи, тя присвоява адреса на мрежата за устройствата, използвани в мрежата. Освен това насочва съобщенията към крайните устройства.

Zigbee Router

Zigbee Router е FFD устройство, което позволява обхвата на мрежата Zigbee. Този рутер се използва за добавяне на повече устройства към мрежата. Понякога той действа като Zigbee End Device.

Крайно устройство Zigbee

Това не е нито рутер, нито координатор, който взаимодейства със сензор, иначе физически изпълнява контролна операция. Въз основа на приложението, това може да бъде RFD или FFD.

Защо ZigBee е по-добър от WiFi?

В Zigbee скоростта на трансфер на данни е по-малка в сравнение с WiFi, така че е най-високата скорост е просто 250kbps. Това е много по-малко в сравнение с по-ниската скорост на WiFi.

Още едно най-добро качество на Zigbee е степента на използване на мощността, както и живота на батерията. Протоколът му продължава няколко месеца, защото след като бъде сглобен, можем да забравим.

Какви устройства използват ZigBee?

Следващият списък с устройства поддържа протокола ZigBee.

  • Belkin WeMo
  • Samsung SmartThings
  • Интелигентни брави на Йейл
  • Philips Hue
  • Термостати от Honeywell
  • Ikea Tradfri
  • Системи за сигурност от Bosch
  • Comcast Xfinity Box от Samsung
  • Hive активно отопление и аксесоари
  • Amazon Echo Plus
  • Amazon Echo Show

Вместо да свързвате всяко устройство Zigbee поотделно, е необходим централен хъб за управление на всички устройства. Гореспоменатите устройства, а именно SmartThings, както и Amazon Echo Plus, също могат да се използват като хъб на Wink, за да играят жизненоважна роля в мрежата. Централният хъб ще сканира мрежата за всички поддържани устройства и ви осигурява лесен контрол на горните устройства с централно приложение.

Каква е разликата между ZigBee и Bluetooth?

Разликата между Zigbee и Bluetooth е обсъдена по-долу.

Bluetooth

Зигби

Честотният обхват на Bluetooth варира от 2,4 GHz - 2,483 GHzЧестотният диапазон на Zigbee е 2,4 GHz

Той има 79 RF каналаРазполага с 16 RF канала
Техниката на модулация, използвана в Bluetooth, е GFSKZigbee използва различни техники на модулация като BPSK, QPSK и GFSK.
Bluetooth включва 8-клетъчни възлиZigbee включва над 6500 клетъчни възли
Bluetooth използва спецификация IEEE 802.15.1Zigbee използва спецификация IEEE 802.15.4
Bluetooth покрива радиосигнала до 10 метраZigbee покрива радиосигнала до 100 метра
Bluetooth отнема 3 секунди, за да се присъедини към мрежаZigbee отнема 3 секунди, за да се присъедини към мрежа
Мрежовият обхват на Bluetooth варира от 1-100 метра в зависимост от радио класа.

Обхватът на мрежата на Zigbee е до 70 метра
Размерът на стека протоколи за Bluetooth е 250 KbytesРазмерът на стека на протоколи за Zigbee е 28 Kbytes
Височината на TX антената е 6 метра, докато RX антената е 1 метърВисочината на TX антената е 6 метра, докато RX антената е 1 метър
Синият зъб използва акумулаторни батерии

Zigbee не използва акумулаторни батерии
Bluetooth изисква по-малка честотна лентаВ сравнение с Bluetooth, той се нуждае от висока честотна лента
TX мощността на Bluetooth е 4 dBm

TX мощността на Zigbee е 18 dBm

Честотата на Bluetooth е 2400 MHzЧестотата на Zigbee е 2400 MHz
Tx усилването на антената на Bluetooth е 0dB, докато RX -6dBTx усилването на антената на Zigbee е 0dB, докато RX -6dB
Чувствителността е -93 dBЧувствителността е -102 dB
Маржът на Bluetooth е 20 dBГраницата на зигби е 20 dB
Обхватът на Bluetooth е 77 метраОбхватът на Zigbee е 291 метра

Каква е разликата между LoRa и ZigBee?

Основната разлика между LoRa и Zigbee са разгледани по-долу.

LoRa Зигби
Честотните ленти на LoRa варират от 863-870 MHz, 902-928 MHz и 779-787 MHzЧестотните ленти на Zigbee са 868MHz, 915 MHz, 2450 MHz
LoRa покрива разстоянието в градските райони като 2 до 5 км, докато в селските райони 15 кмZigbee покрива разстоянието от 10-100 метра
Използването на енергия на LoRa е ниско в сравнение със ZigbeeИзползването на мощност е ниско
Техниката на модулация, използвана в LoRa, е FSK, иначе GFSKТехниката на модулация, използвана в Zigbee, е OQPSK & BPSK, Използва DSSS метод за промяна на битовете в чипове.
Скоростта на предаване на данни за LoRa е от 0,3 до 22 Kbps за LoRa модулация и 100 Kbps за GFSKСкоростта на данни на Zigbee е 20 kbps за 868 честотна лента, 40Kbps за 915 честотна лента и 250 kbps за 2450 честотна лента)
Мрежовата архитектура на LoRa включва сървъри, LoRa Gateway и крайни устройства.Мрежовата архитектура на Zigbee рутери, координатор и крайни устройства.
Протоколният стек на LoRa включва PHY, RF, MAC и слоеве на приложенияПротоколният стек на Zigbee включва PHY, RF, MAC, мрежова сигурност и слоеве на приложения.
Физическият слой на LoRa използва основно модулационна система и включва способности за отстраняване на грешки. Той включва преамбюл за целите на синхронизацията и използва цял кадър CRC & PHY заглавка CRC.Zigbee включва два физически слоя като 868/915 Mhz и 2450 MHz.
LoRa се използва като WAN (Wide Area Network)Zigbee се използва като LR-WPAN (безжична лична мрежа с ниска скорост)
Той използва стандарта IEEE 802.15.4g и Alliance е LoRaZigbee използва IEEE 802.15.4 спецификация и Zigbee Alliance

Предимства и недостатъци на Zigbee Technology

Предимствата на Zigbee включват следното.

  • Тази мрежа има гъвкава мрежова структура
  • Животът на батерията е добър.
  • Консумацията на енергия е по-малка
  • Много лесно за поправяне.
  • Той поддържа приблизително 6500 възли.
  • По-малко разходи.
  • Той е самолечителен, както и по-надежден.
  • Настройката на мрежата е много лесна, както и проста.
  • Натоварванията се разпределят равномерно в мрежата, тъй като тя не включва централен контролер
  • Наблюдението на битовите уреди, както и управлението им, е изключително лесно с помощта на дистанционно
  • Мрежата е мащабируема и е лесно да добавите / отдалечите крайно устройство ZigBee към мрежата.

Недостатъците на Zigbee включват следното.

  • Тя се нуждае от системната информация, за да контролира устройствата, базирани на Zigbee, за собственика.
  • В сравнение с WiFi, той не е сигурен.
  • Високите разходи за подмяна, когато се случи някакъв проблем в домакинските уреди, базирани на Zigbee
  • Скоростта на предаване на Zigbee е по-малка
  • Той не включва няколко крайни устройства.
  • Толкова е рисковано да се използва за официална частна информация.
  • Той не се използва като външна безжична комуникационна система, тъй като има по-малко ограничение на покритието.
  • Подобно на други видове безжични системи, тази комуникационна система ZigBee е склонна да притеснява неоторизирани хора.

Приложения на Zigbee Technology

Приложенията на технологията ZigBee включват следното.

Индустриална автоматизация: В производствената и производствената индустрия комуникационната връзка непрекъснато наблюдава различни параметри и критично оборудване. Следователно Zigbee значително намалява тези разходи за комуникация, както и оптимизира процеса на управление за по-голяма надеждност.

Автоматизация на дома: Zigbee е напълно подходящ за дистанционно управление на домакински уреди като управление на осветителна система, контрол на уреда, отопление и охлаждане, управление и контрол на оборудването за безопасност, наблюдение и т.н.

Интелигентно измерване: Дистанционните операции на Zigbee при интелигентно измерване включват реакция на потреблението на енергия, поддръжка на цените, сигурност при кражба на енергия и др.

Интелигентно наблюдение на мрежата: Операциите на Zigbee в тази интелигентна мрежа включват дистанционно наблюдение на температурата , откриване на неизправности, управление на реактивна мощност и т.н.

Технологията ZigBee се използва за изграждане на инженерни проекти като безжична система за посещаемост на пръстови отпечатъци и домашна автоматизация.

Тук става въпрос за кратко описание на архитектурата, режимите на работа, конфигурациите и приложенията на технологията Zigbee. Надяваме се, че сме ви дали достатъчно съдържание за това заглавие, за да го разберете по-добре. По този начин всичко е свързано с преглед на технологията Zigbee и се основава на мрежата IEEE 802.15.4. Проектирането на тази технология може да се направи изключително силно, така че да работи във всякакви среди.

Той осигурява гъвкавост, както и сигурност за различни среди. Технологията Zigbee придоби толкова голяма популярност на пазара, защото осигурява последователна мрежова мрежа, като позволява на мрежата да контролира обширен регион, а също така осигурява комуникация с ниска мощност. Така че това е перфектна IoT технология. Ето един въпрос към вас, кои са различните безжични комуникационни технологии, предлагани на пазара? За допълнителна помощ и техническа помощ можете да се свържете с нас, като коментирате по-долу.