Technologia ZigBee

ZigBee w skrócie: Technologia ZigBee, tak jak i Bluetooth czy Wi-Fi, nie wymaga licencji na korzystanie z określonego pasma częstotliwości. Jest to tanie rozwiązanie o bardzo małym poborze mocy, używane najczęściej w aplikacjach sterujących pracą urządzeń elektronicznych.

Standard ZigBee w wersji 1.1 został ratyfikowany pod koniec 2004 r. Pracę nad specyfikacją koordynuje przymierze ZigBee Alliance, zrzeszające obecnie ponad 150 firm i innych organizacji z całego świata. Technologia ZigBee różni się od technologii Bluetooth pod wieloma względami. Po pierwsze, może najważniejsze, technologia ZigBee obsługuje z racji swoich właściwości zupełnie inne aplikacje niż technologia Bluetooth.

ZigBee obsługuje niedrogie i wyjątkowo energooszczędne aplikacje, używane np. do sterowania urządzeniami elektronicznymi. Niedrogie, ponieważ zintegrowane chipsety ZigBee są bardzo tanie (ok. jednego dolara za chipset; zestaw zawierający radio, procesor i pamięć kosztuje ok. 3 USD). Energooszczędne, ponieważ bateria zasilająca urządzenie ZigBee wyczerpuje się dopiero po upływie od 6 do 24 miesięcy. Przepustowość radiowych połączeń ZigBee waha się, zależnie od wykorzystywanej częstotliwości, od 20 do 250 kb/s.

Technologia ZigBee (standard IEEE 802.15.4) zdaje świetnie egzamin w środowiskach charakteryzujących się bardzo niskim współczynnikiem S/N (Signal/Noise; stosunek sygnału do szumu). Sygnał może być transmitowany na odległość - zależnie od jego siły i ustawień - od 10 do 40 m.

Można łączyć ze sobą w jeden organizm wiele urządzeń ZigBee. Standard obsługuje wiele topologii sieciowych: kraty (w której ścieżki łączące poszczególne węzły mogą być modyfikowane dynamicznie w zależności od zmieniających się warunków), peer-to-peer oraz gwiazdy, która może się składać w maks. konfiguracji nawet z 65 536 urządzeń ZigBee. Przewiduje stosowanie mechanizmów optymalizacji, dzięki którym połączenia ZigBee mogą obsługiwać aplikacje czułe na opóźnienia. Zawiera też rozwiązania, które zarządzają zasilaniem urządzeń. Po podłączeniu urządzenia ZigBee do sieci jest ono gotowe do pracy w nowym środowisku już po 30 ms. Przechodzi ze stanu uśpienia do stanu aktywności w czasie mniejszym niż 15 ms. Tyle samo czasu urządzenie potrzebuje na uzyskanie dostępu do kanału.

Istnieją trzy rodzaje węzłów sieci ZigBee:

– Koordynator ZigBee. W każdej sieci może funkcjonować tylko jeden koordynator, organizujący pracę sieci oraz może w niej pełnić również rolę routera.

– Router ZigBee. Jest to opcjonalny element, który może współpracować z koordynatorem ZigBee lub innym routerem ZigBee; uczestniczy w procesie przekazywania pakietów (routing) w trybie multihop (wiele skoków).

– Urządzenie końcowe ZigBee. Opcjonalny element, który nie uczestniczy w procesie routingu pakietów.

Do obsługi stosu protokołu komunikacyjnego ZigBee (obsługującego rdzeń środowiska sieciowego) wymagana jest obecność co najmniej 8-bitowego minikontrolera oraz przestrzeń adresowa o wielkości mniejszej niż 32 kB. W przypadku zwykłego węzła wystarczy pamięć 4 kB. Węzłom typu koordynator musi towarzyszyć dodatkowa pamięć RAM (w której rezydują niewielka baza danych oraz różne tabele).

ZigBee może służyć przede wszystkim do sterowania różnymi urządzeniami przemysłowymi i domowymi. Typowe zastosowania to: sieci sensorowe, automatyka domowa i przemysłowa, systemy alarmowe czy monitorowanie środowiska. Ponieważ jest to technologia bezprzewodowa, instalowanie urządzeń ZigBee jest wyjątkowo proste.

Jednym z obszarów, w których ZigBee może święcić triumfy, są inteligentne systemy transportowe. Technologię można np. stosować do bezprzewodowego transmitowania danych między autobusami czy między autobusami i przystankami autobusowymi. Aplikacja taka może w ten sposób wyświetlać np. rozkłady jazdy czy czas przyjazdów i odjazdów autobusów lub innych środków komunikacji.

Główne cechy standardu ZigBee:

- wykorzystywanie pasma ISM 2.4 Ghz,

- automatyczna rekonfiguracja sieci (self-healing),

- praca w różnych topologiach: mesh (siatka), gwiazda, drzewo,

- bardzo mały pobór mocy (kilka lat na jednej baterii),

- globalna implementacja,

- możliwość obsługi dużej liczby urządzeń.

Podsumowując: cechy technologii, takie jak wyjątkowo mały pobór mocy, łatwość wdrażania aplikacji i niewielkie koszty, sprawiają, że ZigBee ma szansę wkroczyć w najbliższych latach do wielu aplikacji, zarówno domowych, jak i przemysłowych. ZigBee może, uzupełniając technologię Bluetooth, opanować sporą część rynku rozwiązań bezprzewodowych.

• Mały pobór mocy. Baterie zasilające urządzenia używające tej technologii powinny wystarczać na okres miesięcy a nawet lat. Oszczędność energii pozostaje nie bez znaczenia nie tylko dla wygody użytkownika, ale również jest pożądana z ekologicznego punktu widzenia.
• Łatwość użycia. W przeciwieństwie do technologii Bluetooth, w której wybór trybu pracy zależy od wymaganego opóźnienia oraz poboru mocy, ZigBee posiada tylko dwa tryby pracy: aktywny (wysyłanie/odbiór sygnału) oraz stan uśpienia. W ten sposób aplikacje nie muszą wybierać odpowiedniego trybu w zależności od potrzeb transmisji – dzieje się to niezależnie.
• Niskie koszty. Koszty urządzeń działających w technologii ZigBee są bardzo nieduże (kilkadziesiąt centów do kilku dolarów). Dzięki małemu zużyciu energii, ich eksploatacja również jest niedroga. Wbudowana konfiguracja powoduje, iż dodatkowe urządzenia sieciowe stają się niepotrzebne, co dodatkowo zmniejsza koszty.
• Możliwość obsługi dużej liczby urządzeń. Sieci ZigBee mogą obsługiwać praktycznie każdą liczbę urządzeń . Ma to zasadnicze znaczenie dla wielkich tablic czujników i sieci sterujących.
• Prosty protokół. Kod protokołu stosu ZigBee stanowi ok. ¼ kodu stosu Bluetooth. Prostota kodu pozwala na łatwe współdziałanie oraz wspomniane już obniżenie kosztów.
• Globalna implementacja. Standard IEEE 802.15.4 implementowany przez ZigBee pozwala na pracę w pasmach 868 MHz w Europie, 915 MHz w Ameryce, Australii oraz 2.4 GHz – akceptowanym jako pasmo globalne niemal we wszystkich państwach.