Какие преимущества имеет протокол zigbee по сравнению с wi fi
Обновлено: 02.07.2024
Беспроводная связь - это то, к чему привык и чем должен привыкнуть каждый умный владелец дома. Когда вы задумываетесь о создании полностью подключенной системы "умного дома", в первую очередь необходимо подумать об одном - насколько хорошо каждое подключенное устройство в вашем доме будет взаимодействовать друг с другом? В начале эры "умного дома" Wi-Fi является полным решением "умного дома", которое было доминирующим протоколом беспроводной связи. Но сейчас появляется все больше и больше таких соперников, как ZigBee, Z-Wave и Bluetooth, что делает Wi-Fi пионером в области протоколов беспроводной связи в "умном доме". Правда, до сих пор не существует единого стандарта языка "умный дом" для устройств домашней автоматизации.
В SONOFF беспроводной протокол присутствует Wi-Fi и ZigBee. BASICZBR3, как первый ZigBee-интеллектуальный коммутатор DIY, открыл линейку продуктов "умный дом" с языком общения ZigBee. Сегодня эта статья будет посвящена исключительно Wi-Fi и ZigBee, а также расскажет о том, что такое Wi-Fi и ZigBee, как они отличаются друг от друга и как они работают, чтобы помочь вам пролить свет на то, какой из них предпочтительнее для вас.
Что такое Wi-Fi?
Wi-Fi - это аббревиатура от Wireless Fidelity. Wi-Fi - это технология беспроводного сетевого протокола, широко используемая для локальных сетей и работающая на стандарте связи 2,4 ГГц/5 ГГц. Основан на стандарте IEEE802.11 b/g/n, который определен Институтом инженеров по электротехнике и электронике (IEEE) как особая спецификация для WLAN. l Смарт-устройства, управляемые Wi-Fi, могут беспрепятственно обмениваться данными друг с другом через подключение к Интернету с помощью WLAN сети или беспроводной точки доступа, называемой AP. В сети WLAN, где есть точка доступа, используемая для приема и передачи данных между пользователями. Wi-Fi обеспечивает подключение к сети с использованием радиочастот, чтобы сделать доступ в Интернет Wi-Fi совместимыми смарт-устройствами. Кроме того, для Wi-Fi, маршрутизатор является незаменимым посредником, чтобы заставить вас использовать Wi-Fi для создания локальной сети для ваших интеллектуальных домашних устройств.
Больше безопасности при передаче данных. Нет необходимости в концентраторе, прямая связь с маршрутизатором. Снижение затрат на создание системы "умный дом". Поддержка большого количества пользователей.
Потребляет большую энергию. Нужен постоянный источник питания. Качество маршрутизатора. Для обеспечения бесперебойной связи между устройствами важен высококачественный маршрутизатор. Переполненная частота. К маршрутизатору подключено большое количество устройств, которые могут замедлять соединение. (Каждое устройство имеет свои требования к скорости передачи данных, поэтому соединение будет зависеть от скорости передачи данных подключенного устройства).
Что такое ZigBee?
Технология ZigBee разработана альянсом ZigBee. ZigBee - это маломощный коммуникационный протокол, используемый для создания ячеистых сетей малого радиуса действия. Это означает, что сигнал легко перескакивает с одного устройства ZigBee на другое без необходимости подключения каждого устройства к Wi-Fi интернету. Его дальность действия указана, что преодолевает случай использования множества концентраторов и проблемы дальности передачи продукта. Тем не менее, для поддержания связи между устройствами необходимо использовать центральный концентратор. Он имеет идеальный вариант по количеству прыжков между каждым устройством - без ограничений по количеству. Если вы используете протокол ZigBee между устройствами на большом пространстве, он станет лучшим вариантом для обеспечения хорошей связи между вашими устройствами. ZigBee использует стандарт IEEEI802.15.4, который обеспечивает отличные логические возможности сети и лучшую безопасность. Кроме того, благодаря этому стандарту устройство будет отличаться низкой стоимостью и скоростью связи между устройствами. Сеть ZigBee обеспечивает покрытие беспроводной сети довольно большой площади благодаря возможности справляться с топологией сети со звездой, ячейкой и кластером. Диапазон действия радиосигнала zigBee составляет от десяти до ста метров.
С точки зрения ZigBee 3.0, обеспечивает быструю скорость передачи. Шифрование AES-128 обеспечивает безопасную связь устройств ZigBee, не беспокоясь о том, что данные устройства могут быть прочитаны посторонними глазами (например, ZBMINI).
Низкое энергопотребление. Быстрая связь Низкий уровень помех Имеет сильную масштабируемость благодаря тому, что может обрабатывать большое количество узлов. Может обрабатывать до 65,000 узлов сотовой связи в ZigBee.
Требуют подключения концентратора для обеспечения нормальной связи между устройствами ZigBee. Низкая скорость передачи данных между каждым устройством ZigBee.
Бесконечная битва Wi-Fi или ZigBee, что подходит для вашего дома лучше? Это зависит от того, какой протокол для вас важнее. Если вы не хотите добавлять центральный узел для доступа к системе "умного дома", то вам следует решительно поставить устройство Wi-Fi на первое место. Если вы хотите запустить систему "умный дом" по технологии низкого энергопотребления, то устройство ZigBee выиграет. И всё это, всегда есть элемент, который учитывается в первую очередь в вашей голове, поэтому мы надеемся, что данное руководство может стать ценным справочником по тому, как вы строите свой "умный дом".
К сожалению, создатели экосистем и разработчики устройств пока так и не наши единого подхода к проблеме обмена данными в системах, «общего языка», на котором ее компоненты будут общаться между собой и с человеком.
Критерии сравнения
Стандарт, который станет основой для автоматизации в доме, должен быть выбран еще до того, как начнется построение системы, до появления в ее составе первой пары устройств. Не вызывает сомнений единственный факт – сеть должна быть беспроводной.
Остальное – достоинства и недостатки Zigbee, Z-Wave, Wi-Fi, Bluetooth, особенности технологий и архитектуры, предложение устройств, требуют тщательного анализа. Не последнюю роль играет правильный выбор критериев сравнения.
Энергоэффективность, потребление энергии аккумулятора
Энергопотребление – один из главных параметров, на который следует ориентироваться при выборе технологии. Это обусловлено:
- Стремлением к миниатюризации входящих в систему устройств. Пока нет технологий, позволяющих встроить в миниатюрные девайсы соответствующие по габаритам источники с огромной энергоемкостью, снижение потребления останется в приоритете.
- Требуемым сроком автономной работы. Далеко не все компоненты могут быть постоянно подключены к питающей сети. Некоторым такое подключение противопоказано с точки зрения безопасности для человека, для других периодическая зарядка становится гарантией продления срока жизни батареи и увеличения долговечности девайса в целом. При этом система должна оставаться работоспособной и при дистанционном управлении, когда человек не имеет возможности (возможно, длительное время) решать вопросы с подзарядкой аккумуляторов гаджетов.
Покрытие, топология сети и безопасность
Среди главных требований к системе;
- надежная связь между любыми входящими в нее устройствами;
- обмен данными, отправка и исполнение команд без задержек;
- минимальное влияние помех на работу сети.
Выполнение первых двух напрямую зависит от радиуса действия передатчиков в составе девайсов и чувствительности приемников, топологии сети.
На уровне организации эти требования можно сформулировать как:
- Любой девайс должен находиться в зоне покрытия центрального элемента сети или ретрансляторов.
- Пропускная способность каналов должна быть достаточной для обмена данными без задержек или маршруты передачи должны дублироваться.
- Производительности центрального узла должно быть достаточно для обработки запросов десятков (сотен, тысяч) устройств сети или узлов, или узлов, выполняющих функции центрального, должно быть несколько.
Добиться такой реализации можно и в централизованных сетях, и в распределенных ячеистых (т.н. mesh-сетях).
Особенностями последних являются:
- Возможность любых двух «умных» устройств устанавливать связь непосредственно друг с другом.
- При необходимости работа любых соседних устройств в качестве ретрансляторов.
- Способность других узлов автоматически принять на себя функции центрального при выходе последнего из строя.
Выполнение запланированных и экстренных задач
Работа по расписанию – важная часть функционирования «умных» систем. Возможности включить кондиционер, нагреть воду или прекратить подачу газа в котел в заданный момент времени сегодня реализованы или в планах на реализацию в ближайшем будущем в большинстве устройств, выполненных по любой беспроводной технологии.
Однако не менее важно, чтобы компоненты системы могли принимать и выполнять команды или генерировать их вне графика, в зависимости от обстоятельств. Наглядным примером служит включение системы пожаротушения при срабатывании датчиков температуры и задымления.
Совместимость
В идеале любые устройства, включенные в сеть, должны поддерживать обмен данными внутри нее. Пока же ситуация требует особого контроля при выборе и технологии, и конкретных девайсов.
Дело в том, что совместимость не обеспечивается не только для гаджетов, поддерживающих разные стандарты. Зачастую даже в рамках одного стандарта «умные» устройства не «понимают» друг друга.
Именно поэтому совместимость, о которой принципиально речь идти не должна, попадает в список основных критериев для сравнения.
Обеспечить совместимость устройств не только одного, но и разных протоколов можно, если в беспроводном стандарте проработан верхний (седьмой) уровень модели OSI – уровень приложений (Application). Когда он не определен, добиться «понимания» девайсов можно исключительно в рамках внутренних соглашений разработчиков, а не на глобальном уровне.Стандарты беспроводной связи для «умных» систем (Wi-Fi, Bluetooth, ZigBee, Z-Wave)
Сегодня в решениях для домашней автоматизации (Home Automation) наблюдается настоящая война стандартов. Отдать предпочтение какому-либо достаточно сложно, поскольку у каждого из них есть свои сильные и слабые стороны.
Wi-Fi может казаться самым очевидным решением для домашней автоматизации. Такую точку зрения поддерживает, прежде всего, его широкое распространение – по утверждениям консорциума Wi-Fi Alliance уже сегодня более 50% интернет-трафика приходится именно на долю Wi-Fi.
Все дело в соотношении достоинств и недостатков стандарта.
Семейство протоколов создано для высокоскоростной передачи значительных объемов информации. Этот несомненный плюс в системах типа «умный дом» оказывается даже избыточным. Зона покрытия достаточно велика, один маршрутизатор сможет обеспечить сеть в средних размеров квартире или доме. Вопрос с бОльшими площадями, поглощением радиосигнала стенами и перекрытиями легко решается установкой ретрансляторов. Зона покрытия достаточно велика, один маршрутизатор сможет обеспечить сеть в средних размеров квартире или доме. Вопрос с бОльшими площадями, поглощением радиосигнала стенами и перекрытиями легко решается установкой ретрансляторов. Доступность инфраструктуры. Тот факт, что Wi-Fi модуль сегодня установлен в каждом ноутбуке и смартфоне, интегрирован в абсолютное большинство маршрутизаторов позволяет легко решить вопрос как с аппаратной реализацией центральных узлов сети, так и с управляющими приложениями. В семействе стандартов IEEE 802,11 проработаны только 2 нижних уровня модели OSI. На транспортном и сетевом используются стандартные протоколы TCP-IP и UDP, IPv.4 и IPv,6 соответственно. Верхний прикладной уровень не определен вовсе. Это означает, что совместимость устройств реально достижима, только если у разработчиков есть соответствующие договоренности. Высокая производительность требует значительного энергопотребления. Это, пожалуй, один из главных недостатков Wi-Fi, препятствующих созданию компактных автономных устройств, остающихся в рабочем состоянии недели и месяцы без подзарядки. Основная топология сети – «звезда», предполагает обязательное наличие центрального узла (маршрутизатора), с которым общаются все устройства. Это позволяет добавлять и удалять периферийные девайсы без проблем для общей работоспособности системы. Но в ней появляется критическая точка – роутер, выход которого из строя останавливает всю систему. Кроме того, такая топология лишает потенциальные контроллеры сети (смартфоны и планшеты) одной из основных функций смарт-систем автоматизации - поиска устройств в сети и управления ими напрямую. Протоколы безопасности требуют назначить для каждого Wi-Fi устройства сетевой ключ. Это легко сделать с компьютерами, смартфонами и роутерами и практически невозможно без дополнительных устройств и/или интерфейсов для сенсоров и актуаторов, что существенно усложняет их конструкцию и добавление в систему. Несмотря на широкое распространение и огромные объемы производства Wi-Fi модулей, цена их остается на 30-50% выше, чем у аналогичных устройств других стандартов.BlueTooth LE (Low Energy)
Исходный стандарт BlueTooth известен еще с 1994 г. Технология, изначально ориентированная на обмен данными между мобильными телефонами, сегодня стала одной из основных для связи между узлами и подключения периферийных устройств в локальных сетях. Однако даже после этого стандарт никак не подходил для организации сетей home automation.
Ситуация изменилась с появлением в 2010 г. BlueTooth Low Energy. Она разрабатывалась с прицелом на работу с компактными автономными устройствами, для многих из которых источниками служат малогабаритные маломощные батарейки.
Такое решение одной из основных проблем домашней автоматизации не могло не привлечь внимание разработчиков. Однако потенциал технологии до сих пор не получил реальной оценки, перспективы ее применения так и остаются неясными.
Удивительно, но высокотехнологичный ровер Perseverance, а также дрон-разведчик Ingenuity, который многие называют вертолётом, поддерживают связь друг с другом с помощью протокола ZigBee. Да, оборудование, которое США использует для освоения Марса, передаёт данные через систему, которая создавалась для умных чайников, лампочек и другого абсолютно банального оборудования. Странно, не так ли? Почему ведущие умы человечества не создали для настолько дорогой и важной миссии новый протокол передачи данных или не воспользовались максимально распространёнными Wi-Fi и Bluetooth? Разберёмся.
Содержание
Что нужно знать о протоколе Wi-Fi для умного дома
Что нужно знать о протоколе Bluetooth для умного дома
История Bluetooth началась в 1994-м. Как и Wi-Fi, данный протокол предназначен для беспроводной передачи данных, но у него заметно меньшая ширина канала (до 2 Мбит/с в случае Bluetooth 5.0, по заверениям Harman). Впрочем, Bluetooth чаще всего используется для подключения наушников, а также относительно нетребовательных гаджетов умного дома, поэтому от протокола важно требовать не скорость, а энергоэффективность. Именно к ней стремится команда девелоперов, которая, к примеру, вместе Bluetooth 5.2 представила новую систему LE Power Control для динамического определения необходимой мощности и потребления энергии.
Что нужно знать о протоколе ZigBee для умного дома
Протокол ZigBee предназначен для передачи данных на очень небольшой скорости (по актуальным данным Zigbee Alliance, до 250 Кбит/с). При этом этот протокол отличается крайне высокой энергоэффективностью, что делает его отличным вариантом для автономных гаджетов умного дома, которые годами работают от батареек и аккумуляторов. Какие-то действительно сложные системы на базе ZigBee реализовать не получится, но от протокола это и не требуется. Он нужен для функционирования скромных датчиков открытия дверей и окон, а также для другого оборудования, которому не нужно передавать внушительные объёмы информации.
Сравнительная таблица ZigBee, Wi-Fi и Bluetooth*
* — для сравнительной таблицы частично использовались данные материала из ResearchGate.
Преимущества ZigBee перед Wi-Fi и Bluetooth для умного дома
Энергоэффективность. ZigBee отличается небольшим потреблением энергии. Как и Bluetooth, данный протокол потребляет всего 0,1 Вт в режиме ожидания. Для сравнения — для работы Wi-Fi в таком же формате активности нужно не менее 1 Вт.
Минимальные потери пакетов. Одним из важных преимуществ ячеистых сетей, к которым относится и протокол ZigBee (размер пакета 22 Б), является некритичная потеря данных по мере отдаления от источника. Такое нельзя сказать про Wi-Fi (1024 Б для 802.11a/b/g) и Bluetooth (1024 Б и 8–27 Б для BTLE), для которых расстояние критично.
Большая дальность охвата. Согласно официальным спецификациям, протокол ZigBee связывает гаджеты на расстоянии до 100 метров в пределах помещения и до 300 метров на открытой площадке (при использовании частоты 2,4 ГГц). Bluetooth хорошо работает на расстоянии до 10 метров, а Wi-Fi концентрируется на скорости, а не дальности.
Массовость подключений. Одним из ключевых преимуществ протокола ZigBee является его массовость. В общую сеть гаджетов умного дома, связанных через эту технологию, может входить до 65 000 девайсов (Wi-Fi поддерживает больше 2000, Bluetooth — до 8). Настолько большого числа хватит буквально каждому.
Минимальный уровень помех. ZigBee отличается незначительным наложением сигналов устройств, что снижает образование помех. В итоге Wi-Fi приходится компенсировать это за счёт большей скорости, но в условиях работы умного дома это нужно далеко не всегда.
Недостатки ZigBee перед Wi-Fi и Bluetooth для умного дома
Необходимость использования хаба. Одним из главных недостатков ZigBee является необходимость применения дополнительного оборудования. Мобильные устройства, компьютеры и другие гаджеты не поддерживают данный протокол, поэтому для девайсов умного дома на его базе понадобится посредник. Wi-Fi и Bluetooth, напротив, отлично работают на подавляющем большинстве устройств без любого дополнительного оборудования. Поэтому смартфон без проблем свяжется с умным чайником по Bluetooth, но не сможет напрямую передать информацию смарт-датчику, входящему в ячеистую сеть ZigBee — понадобится хаб.
Небольшая скорость. ZigBee подходит для передачи достаточно примитивной информации. Скорость этого протокола составляет лишь до 250 Кбит/с, что куда меньше, чем до 2 Мбит/с у Bluetooth и 9608 Мбит/с у актуального Wi-Fi. Впрочем, настолько широкие каналы устройствам умного дома нужны далеко не всегда.
Почему инженеры выбрали ZigBee для освоения Марса
Что лучше: Wi-Fi, Bluetooth или ZigBee? Если говорить про гаджеты умного дома, на этот вопрос нельзя дать однозначный ответ. За счёт большой скорости передачи информации Wi-Fi куда лучше подходит для сложных устройств, на которые периодически нужно передавать внушительные объёмы данных, — к примеру, для умных пылесосов с их вечными обновлениями карт помещений и прошивок. Bluetooth проще использовать с небольшими примитивными девайсами вроде умных чайников, которым нужно сообщить температуру нагрева и другой минимум информации. На ZigBee же создают большие сети из примитивных девайсов.
Почему же для освоения Марса американцы выбрали именно ZigBee? Тобин Ричардсон (Tobin Richardson), генеральный директор ZigBee Alliance, объяснил это. Он отметил, что протокол ZigBee можно использовать на частоте 900 МГц, что увеличивает площадь передачи данных на расстояние до 1 км — это крайне важно для связи ровера Perseverance и дрона Ingenuity. Более того, во время подобных миссий имеет значение критически малое потребление энергии, которое ZigBee также гарантирует. Только два этих фактора уже делают данный протокол максимально приоритетным для изучения новой планеты, которое сейчас происходит.
В общем, на Марсе у ZigBee, по большому счёту, абсолютно такие же преимущества, как и при использовании в условиях умного дома на Земле. Данный протокол оказался удачным для освоения другой планеты, но это не значит, что он лучше Wi-Fi и Bluetooth — просто у него абсолютно другое первоначальное предназначение.
Сейчас о концепции IoT («интернета вещей») говорят везде. Появляется «умная» бытовая техника, которая может подключиться к сети (Bluetooth/Wi-Fi) по беспроводному интерфейсу и начать рассылать уведомления о том, что задача по стирке/готовке еды/кипячению воды завершена и неплохо бы что-то с этим сделать. Большинство таких «умных» устройств получает питание непосредственно из электросети. Но как быть, если хочется получать информацию от беспроводного термометра и при этом не менять батарейку каждую неделю? Или иметь беспроводной выключатель с небольшим аккумулятором для которого не понадобится штробить стены? И хорошо бы объединить такие устройства в единую распределенную сеть, которой можно управлять удаленно и которая сама, основываясь на показаниях датчиков/извещателей/счетчиков, могла бы принимать какие-то решения.
Специально для решения таких задач была создана беспроводная технология ZigBee, о которой мы и начнем разговор.
Существует большое количество беспроводных технологий, каждая из которых имеет свои особенности. В таблице ниже рассмотрены беспроводные протоколы связи для частоты 2,4 ГГц.
Сравнительная таблица популярных беспроводных технологий
- Технология Wi-Fi
Технология Wi-Fi создавалась в качестве замены проводного интерфейса Ethernet. Поэтому эта технология предлагает большие скорости передачи данных, но не позволяет разрабатывать узлы, работающие длительное время от источников питания малой емкости ввиду большого энергопотребления. - Технология Bluetooth
Технология Bluetooth с появлением стандарта 4.0 (Bluetooth Smart или Bluetooth Low Energy) стала гораздо привлекательней для разработчиков носимой электроники, так как энергопотребление по сравнению с предыдущими версиями сократилось в разы[1]. Но если стоит задача построения беспроводной малопотребляющей системы, которая будет охватывать несколько комнат или даже зданий, эта технология не подойдет, так как поддерживается только сетевая топология «звезда». Это же справедливо и для Wi-Fi. - Технология ZigBee и Thread
Технологии ZigBee и Thread изначально разрабатывались для создания надежных распределенных сетей датчиков и управляющих устройств с невысокими скоростями передачи данных. В этих технологиях реализована поддержка сетевой топологии «mesh», спящих и мобильных узлов, а также узлов, которые обеспечивают работу алгоритмов ретрансляции и самовосстановления. В таблице указана скорость 250 кбит/с — это максимальная пропускная способность сети. Полезная скорость будет порядка 30-40 кбит/с в пределах соседних узлов и 5-25 кбит/с при использовании ретрансляции. Основное отличие технологии Thread от ZigBee, что в ней добавлена поддержка IP-протокола, что упрощает интеграцию сетей Thread с сетевыми приложениями. Об особенностях технологии Thread мы поговорим в другой раз.
Про поддерживаемые сетевые топологии в предыдущей главе было сказано, но не было сказано про особенности. Рассмотрим такой пример:
«Звезда» vs. «Mesh»
В сетях Bluetooth и Wi-Fi сетевое взаимодействие идет через центральный шлюз. И если он выйдет из строя, то обмен данными станет невозможным.
Кроме этого отдельные узлы могут остаться без связи, если неожиданно возникла преграда на пути следования радиосигнала.
В сетях ZigBee и Thread надежность связи повышается за счет наличия избыточных связей между устройствами. Все устройства, которые не уходят в спящий режим, выполняют роль роутеров, которые ответственны за маршрутизацию сетевого трафика, выбора оптимального маршрута следования и ретрансляцию пакетов. Даже если из строя выйдет устройство, которое выступало в качестве организатора сети, ZigBee-сеть продолжит функционировать дальше. Возникновение помехи или преграды, а также выход какого-либо из роутеров из строя не является критичным за счет наличия избыточных связей. Поэтому с введением дополнительных узлов, которые имеют стационарное питание и могут выполнять задачи роутера, сеть становится надежнее.
Теперь остановимся на структуре самой сети ZigBee и типах устройств, которые в ней могут быть.
Типовая структура сети ZigBee
Питание для модуля подавалось через резистор R1 с номиналом 10 Ом. Два щупа осциллографа были подключены до и после резистора. После чего с помощью функции вычитания на осциллографе фиксировалось падения напряжения на резисторе. После этого, используя закон Ома , можно вычислить ток потребления. Кроме того, так как время в активном режиме фиксируется, можно найти заряд, а уж потом и затрачиваемую мощность в Джоулях.
Передача зашифрованного пакета длинной 27 байт
Цикл передачи занимает 7,5 мс, потребляемая энергия при напряжении питания 3.3 В — 444,2 мкДж.
Обычная алкалиновая батарейка имеет запас мощности
2700 дней = 7 лет.
Цикл передачи занимает 3,2 мс, потребляемая энергия при напряжении питания 3.3 В — 184 мкДж.
Обычная алкалиновая батарейка имеет запас мощности
10.8 кДж. Этой энергии хватит на отправку 60 миллионов таких запросов. Если спящий узел будет посылать такой запрос раз в 10 секунд, то это будет 8640 запросов в сутки. То есть теоретически, если не учитывать старение батарейки, её энергии хватит на
6940 дней = 19 лет.
«Отлично, – подумает читатель. – ещё один проприетарный протокол с поддержкой mesh-топологии. Этим уже никого не удивишь». Однако, альянсом ZigBee за все те годы, что существует технология ZigBee, была проведена большая работа по стандартизации не только сетевого уровня, но и уровня приложения разрабатываемых устройств[2]. Имеется большая библиотека кластеров ZigBee (ZCL), описывающая свыше 200 устройств, таких как выключатели, блоки управления освещением, интерфейс для подключения датчиков, счетчиков и многое другое[3]. И для некоторых типов систем (системы домашней автоматизации, системы сбора показаний со счетчиков и др.) разработаны специальные профили, в которые входит целый набор стандартных устройств. Они позволяют беспроводным узлам различных производителей понимать друг друга на уровне приложения. Стандартный профиль описывает стандартные команды и поведения конкретного устройства, например, блока управления системой климат-контроля или блока управления светильником.
За что отвечают различные уровни в сетевой модели OSI
Пример того, как может быть реализована система управления освещением с использованием стандартной библиотеки кластеров. Подробности мы разберем в другой раз, а сейчас достаточно понять следующее:
- у лампочки есть набор хранимых атрибутов (состояние — включена/выключена; уровень яркости)
- выключатель может отправлять команды для изменения доступных атрибутов лампочки
- при получении команды, лампочка принимает указанное состояние
В библиотеке кластеров указывается, какие атрибуты и команды являются обязательными для тех или иных устройств, а какие опциональными. Это позволяет реализовать стандартный интерфейс взаимодействия между ZigBee-устройствами.
Радиомодуль
Для быстрого старта, когда нет желания или возможности разбираться с программным стеком ZigBee, стоит обратить внимание на модули ETRX357. Все модули имеют встроенную прошивку от производителя, которая позволяет работать с аналоговой и цифровой периферией, а также с сетевыми функциями, с помощью набора AT-команд. Для начала работы с радиомодулем достаточно подключить линии питания и линии TxD и RxD последовательного интерфейса UART.
| Команда | Описание |
|---|---|
| AT+PANSCAN | Запуск сканирования на наличие ZigBee-сетей |
| AT+EN | Создать сеть |
| AT+JN | Присоединиться к сети |
| AT+DASSL | Покинуть сеть |
| AT+DASSR | Запрос удаленному узлу на выход из сети |
| ATSXX? | Чтение содержимого регистра SXX |
В стандартную прошивку входит также ряд функций, которые могут вызываться по прерыванию от порта ввода/вывода, таймера/счетчика или при определенных событиях – подключение к сети или инициализация радиомодуля. Пример доступных функций:
- Переключение состояния порта ввода/вывода
- Отправка информации на узел сбора данных о состоянии 16 цифровых выводов радиомодуля, оцифрованных данных от подключенных датчиков и информацию об уровене напряжения питания
- Переход в активный режим или режим энергосбережения
- Открытие «прозрачного канала» с другим устройством в сети
Пару слов о «прозрачном канале». При переходе в данный режим вся информация, поступающая по интерфейсу UART на радиомодуль транслируется на интерфейс UART другого радиомодуля. Данный канал является двунаправленным, а также наследует преимущества технологии ZigBee – при наличии роутеров в сети не будет происходить потери данных в таком канале связи так как все пакеты «прозрачного канала» будут в случае необходимости автоматически ретранслироваться. За счет этого можно организовать канал связи с предельной дальностью в несколько километров.
Программная реализация стека ZigBee
Если стандартных возможностей прошивки не хватает, то можно использовать реализацию программного стека ZigBee от компании Silicon Labs – Ember ZNet PRO. Так как модули выполнены на базе микросхемы EM357, то переход от стандартной прошивки к разработке собственного приложения потребует лишь приобретение программатора-отладчика ISA3 с помощью которого можно делать как внутрисхемную отладку устройства, так и отлаживать приложение на сетевом уровне.
Справа на рисунке показан пример того, как отображаются данные о пути следования пакета и его расшифровка.
Для упрощения процесса создания приложения предоставляется компоновщик приложений, который для выбранной конфигурации ZigBee-устройства генерирует каркас приложения и создает функции, в которых разработчик должен дописать требуемую логику приложения.
Все утилиты входят в программный пакет Simplicity Studio, куда также входит демонстрационная версия стека Ember ZNet PRO. Поэтому можно прямо сейчас скачать и посмотреть как это работает.
После того, как вы скачали и установили пакет Simplicity Studio, проверьте, установлено ли Wireless-расширение.
Нас интересует пакет Wireless Products
Выберите утилиту Application Builder
Далее выбираем фреймворк. Для ZigBee-приложений это будет ZCL Application Framework v2. Важно: необходимо установить галочку для отображения демонстрационных встроенных стеков.
Выбираем Internal Stack
После этого можно начать работать либо с пустым приложением, либо выбрать из списка готовых приложений какое-нибудь и изучить его структуру.
После того, как вы скачали и установили пакет Simplicity Studio, проверьте, установлено ли Wireless-расширение.
Нас интересует пакет Wireless Products
После этого можно зайти в утилиту Network Analyzer и выбрать любую доступную демонстрационную запись сетевой активности.
Результат
Надеюсь, что эта статья помогла понять основные особенности беспроводной технологии ZigBee и вы сможете прикинуть в каких приложениях можно её использовать. Сама технология является полностью открытой и все её спецификации доступны для скачивания с сайта альянса ZigBee. А стандартная библиотека кластеров – это настоящий язык взаимодействия между устройствами, которые окружают нас каждый день: устройства домашней автоматизации, системы безопасности, сенсорное оборудование и многое другое.
Если у вас возникнут вопросы, присылайте их мне на почту или пишите в комментариях.
Читайте также: