Rețelele fără fir se pot realiza folosind o varietate de protocoale de RF. Unele protocoale sunt proprietate de furnizori individuali, altele sunt standardele din industrie.
802.15.4 este un standard pentru comunicații fără fir elaborat de către IEEE (Institute for Electrical and Electronics Engineers) care specifică baza hardware a rețelei (physical layer sau PHY) și protocolul de comunicare date (media acces control) în rețele personale cu rată mică de date (LR-WPAN).
Standardul IEEE 802.11 definește comunicarea pentru LAN wireless, iar 802.16 definește comunicarea pentru wireless Metropolitan Area Networks în bandă largă. În timp ce aceste două standarde wireless sunt orientate accesului aplicațiilor la Internet într-o lățime de bandă mai mare, 802.15.4 a fost dezvoltat pentru rata joasă de date, conectivitate simplă și cererea de alimentare de la baterie. Standardul 802.15.4 specifică faptul că poate avea loc comunicarea în benzile 868 – 868.8MHz, 902-928 MHz sau 2.400 – 2.4835GHz, pentru uz industrial, științific și medical (ISM). În timp ce oricare dintre aceste benzi poate fi folosită sub aspect tehnic de dispozitive ce satisfac standardul 802.15.4, banda 2.4GHz este mai populară, fiindcă aceasta este deschisă în cele mai multe țări din întreaga lume.
ZigBee este un protocol care utilizează standardul 802.15.4 ca o bază și adaugă rutare (gateway) și funcționalitate de rețea. ZigBee este proiectat să se poată adăuga dispozitive în rețea tip plasă (mesh) care au la bază comunicația radio 802.15.4. Rețeaua plasă este folosită în aplicații în care distanța între două puncte poate fi mai mare decât intervalul în care cele două dispozitive radio, situate în acele puncte, pot comunica, dar dispozitive radio intermediare sunt în zonă și ar putea transmite orice mesaje spre sau de la dispozitivele radio solicitate.
PAN ID – Rețea personală
Rețeaua ZigBee este numită rețea personală sau PAN. Fiecare rețea este definită cu un identificator unic PAN (PAN ID). Acest identificator este comun între toate dispozitivele din aceeași rețea.
Dispozitivele ZigBee sunt fie preconfigurate cu un identificator PAN ID ca să se alăture, fie ele pot descoperi rețele din jur și selectează un PAN ID să se alăture.
În cazul în care mai multe rețele ZigBee funcționează într-o arie comună în care se acoperă una pe cealaltă, fiecare ar trebui să aibă câte un PAN ID.
În rețele ZigBee, coordonatorul trebuie să selecteze un PAN ID și un canal pentru a da start la o rețea. După aceea, se comportă în esență, ca un router.
Coordonatorul și Routere-le pot permite altor dispozitive să se alăture rețelei și pot ruta date pe traseu.
După ce un dispozitiv final se alătură la un router sau coordonator, acesta trebuie să fie capabil de a transmite sau primi date RF prin acest router sau coordonator. Router-ul sau coordonatorul, care a permis unui dispozitiv final să se alăture devine “părinte” al dispozitivului final. Deoarece dispozitivul final poate dormi, părintele trebuie să fie capabil să preia și să rețină pachetele de date primite, dar destinate dispozitivului final, până când dispozitivul final este capabil să se trezească și să primească date.
Canalul de operare
ZigBee utilizează modulație de spectru extins în secvență directă și operează pe un canal fix. 802.15.4 PHY definește 16 canale de operare în banda de 2.4 GHz. Modulele XBee suportă toate cele 16 canale și module XBee-PRO suportă 14 din 16 canale.
Coordonatorul poate decide autonom ce PAN ID și ce canal să utilizeze. Când un canal este aglomerat, se va schimba la altul.
Topologia rețelei ZigBee
Rețeaua ZigBee se numește Personal Area Network sau PAN. Protocolul ZigBee definește trei tipuri de dispozitive: Coordonator, Router și Dispozitive finale.
Un Coordonator are următoarele caracteristici:
• Selectează un canal și PAN ID-ul (ambele 64-biți și 16-biți) pentru a porni o rețea
• Poate permite ca routere și dispozitive finale să se alăture rețelei
• Poate ajuta la rutare de date
• Nu poate dormi – trebuie să fie alimentat de la rețea.
Un Router are următoarele caracteristici:
• Trebuie să se alăture unei rețele ZigBee PAN înainte de a putea transmite, primi sau ruta date
• După aderare, poate permite ca routere și dispozitive finale să se alăture rețelei
• După aderare, poate ajuta în rutarea datelor
• Nu poate dormi – trebuie să fie alimentat de la rețea.
Un Dispozitiv Final are următoarele caracteristici:
• Trebuie să se alăture unei rețele ZigBee PAN înainte de a putea transmite sau primi date
• Nu poate permite dispozitivelor să se alăture rețelei
• Trebuie întotdeauna să transmită și să primească date RF prin părinte. Nu poate ruta date.
• Poate intra în moduri de mic consum de putere pentru a conserva energia și poate fi alimentat cu baterie.
A folosi ZigBee sau a nu folosi ZigBee?
În timp ce tehnologia ZigBee prezintă caracteristici atractive, mai mulți factori
trebuie analizați înainte de selectarea acestei tehnologii. O analiză slabă a acestor factori ar putea conduce la o aplicație nerentabilă. Trebuie luați în considerare următorii factori:
• Interoperabilitate: nevoia de interoperabilitate este un factor important în alegerea ZigBee, mai ales atunci când produsul dezvoltat este de așteptat să comunice cu alte dispozitive ale producătorului. Dacă interoperabilitatea nu este necesară sau dorită, o soluție de proprietate poate fi luată în considerare din motive de eficiență a costurilor.
• Consum de energie: coordonatorul și routerele în rețea trebuie să fie întotdeauna active, de aceea alimentarea cu energie de la rețea este foarte recomandată.
• Software overhead: ZigBee are caracteristica numită software overhead din cauza dimensiunii stivei. ZigBee nu este recomandat pentru aplicații care vizează utilizarea foarte redusă de resurse CPU, cum ar fi CODE/RAM.
• Rețea plasă completă: Beneficiul de configurare a ochiurilor de plasă este de a permite schimbul de date între puncte prin intermediul legăturii multi-hoping. O rețea de senzori într-o clădire mare, ar putea fi un exemplu bun.
Într-un astfel de caz, ZigBee ar putea fi o platformă perfectă. Cu toate acestea, o utilizare inteligentă de rețea tip stea oferită de standardul IEEE 802.15.4 sau alte protocoale proprietare pot ajuta rutarea de date pe traseu, la un cost mai ieftin.
Concluzie
Dacă aplicația are nevoie strict să comunice în maniera punct-cu-punct sau un punct-la-multipunct, 802.15.4 va fi capabil să execute comunicare dintre dispozitive și va fi mai simplu de implementat decât încercarea de a utiliza un modul cu ZigBee firmware pentru a realiza același scop. ZigBee este necesar în cazul în care aveți nevoie pentru a utiliza repetarea sau funcționalitate de rețea plasă.
Referințe:
• ZigBee Alliance, http://www.ZigBee.org
• IEEE 802.15.4 standard, http://standards.ieee.org/
• Digi International, RF Modules, www.digi.com
Detalii tehnice și comerciale:
Ing. Gheorghiţă Chirculete
Key Account Sales Manager
gheorghita.chirculete@ecas.ro
www.ecas.ro