ZigBee - když je pomalejší síť výhodnější

24. 8. 2011 06:55    Rubrika: Technologie    Autor: Jakub Pavlis

ZigBee je jednoznačně nejpomalejší bezdrátová komunikační technologie dneška. Proč se někdo zabývá technologií, která není o mnoho rychlejší než prastaré analogové modemy a k čemu se vlastně hodí si vysvětlíme v dnešním článku. Ostatně dost možná není daleko doba, kdy se s ní budeme setkávat naprosto běžně, nejspíše přímo ve vlastních domovech.

Název ZigBee může být pro řadu lidí úplná neznámá. Dnešní název je tedy o bezdrátové komunikační technologii, která nejen že nechce konkurovat Wi-Fi nebo Bluetooth, ale doplňovat je na úrovni, kam se ani jedna z nich nehodí. Je sice velice pomalá, orientačně v řádu desítek kilobitů za sekundu, a funguje maximálně na desítky metrů, ale její výhoda tkví v tom, že je jednoduchá, má naprosto minimální nároky na hardware i spotřebu energie a přitom umožňuje vznik poměrně složitých sítí. Její využití je směřováno především do průmyslu pro bezdrátovou komunikaci různých senzorů a regulátorů, případně pro monitorovací systémy ve zdravotnictví, dost možná ale čeká tuto technologii velkolepá budoucnost v domácnostech a spotřební elektronice – může řídit osvětlení, žaluzie, domácí spotřebiče (pračky, myčky, topení či klimatizaci) či nenáročné počítačové periferie, zejména u klávesnic a myší by snadno mohla vytlačit Bluetooth.

Jak vlastně tato technologie vznikla? Je postavena na standardu IEEE 802.15.4, kterého se ujalo mezinárodní společenství velkých elektrotechnických firem, které se nazvalo ZigBee Alliance a mezi jeho členy patří i obři jako Samsung, Texas Instruments, Philips, AT&T, Cisco, Huawei, Intel, ale třeba i Whirlpool, LG a několik stovek(!) dalších. Přitom tento IEEE standard patří mezi ty nejmladší, byl představen teprve v roce 2004. Jeden ze členů aliance, IMSresearch předpokládá, že se do roku 2015 prodá více než 1,1 miliardy IEEE 802.15.4 zařízení, z nichž bude více než 85% využívat technologii ZigBee. Při tak masivní podpoře se není čemu divit.

Protokoly ZigBee jsou extrémně jednoduché, musí být zpracovatelné i 8bitovými kontroléry pro nejjednodušší aplikace, navíc se počítá s bateriovým pohonem a dobou výdrže na úrovni stovek dní až jednotek let, celá struktura tedy zabírá jen 30 kB paměti. Signál se šíří v nelicencovaných pásmech. Globálně pracuje v pásmu 2,4 GHz s 16 kanály a rychlostí až 25 kb/s. V zámoří dále využívá pásmo 915 MHz s 10 kanály a přenosovou rychlostí 40 kb/s, v Evropě pak pásmo 868 MHz s jediným kanálem a rychlostí redukovanou na 20 kb/s. Pro adresování jednotlivých zařízení se používají binární kódy s délkou 64 bitů, případně ve zkrácené (a předpokládá se, že používanější) verzi 16 bitů. I 16bitové adresy umožňují připojit 65 535 zařízení, což by (snad až na nějaké obří továrny) mělo stačit.

Komunikační standard má tři vrstvy.
První je dána standardem IEEE 802.15.4 a určuje fyzickou a MAC (linkovou) vrstvu. Na nich je založen způsob vysílání a modulace signálu, užitá frekvenční pásma a samotný komunikační protokol založený na 4 rámcích (Frame).
1. - Beacon Frame – slouží k synchronizaci zařízení a je používán zejména v módu beacon enable, kde umožňuje uspávání klientsků do spánkového režimu s maximálně sníženou spotřebou
2. - MAC Command Frame – slouží ke konfigurací a řízení zařízení v síti
3. - Acknowledgement Frame – slouží pro přenos potvrzovacích informací
4. - Data Frame - slouží pro přenos užitečných dat (naměřené hodnoty, požadavky typu switch on/off apod.)

Druhá vrstva, síťová, je kompilována právě ZigBee Alliance a definuje topografii sítě a jejím zabezpečením:
Topografie sítě může být principiálně třídruhová:
hvězdná (star) s centrálním koordinačním centrem
stromová (cluster), která slouží zejména pro prodloužení sdělovacích vzdáleností
síťová (mesh)
Redundantní zařízení (Redundance Function Device) nedisponují všemi knihovnami protokolu, takže mohou být výhradně koncovými zařízeními, je u nich ale dále snížena hardwarová náročnost a spotřeba energie.

Topografie Zigbee sítí.

Pro zabezpečení se používá algoritmus AES s klíčem o délce 128 bitů.Pokud je to ovšem požadováno, lze zabezpečení použít již v MAC vrstvě.

Třetí vrstva, aplikační, je zodpovědná za párování zařízení, ZigBee objekty, které definují roli zařízení v síti, a aplikační objekty, které vycházejí z konkrétní aplikace a určuje, jak se bude zařízení chovat.

ZigBee je stále ve vývoji, přesto se s jeho aplikacemi začneme v nejbližší době potkávat – chcete rozsvěcet a zhasínat světlo od postele místo od dveří a nechcete sekat nové vedení? Toto je jedna z možností. Zigbee je výhodné všude tam, kde je potřeba spolehlivý přenos dat, velice nízká spotřeba a důraz se klade i na ekonomickou stránku věci, přitom se nemusíte bát ani rozsáhlejších sítí. Navíc má tato technologie díky masivní podpoře výrobců zajištěnou dlouhou perspektivu.

Zdroje: zigbee.org, wikipedia.org, freescale.com