Общие сведения

Беспроводная сенсорная сеть – это распределённая, самоорганизующуюся сеть множества датчиков (сенсоров) и исполнительных устройств, объединенных между собой посредством радиоканала. Причем область покрытия подобной сети может составлять от нескольких метров до нескольких километров благодаря способности ретрансляции сообщений от одного элемента к другому. Объединенные в беспроводную сенсорную сеть датчики образуют территориально-распределенную самоорганизующуюся систему сбора, обработки и передачи информации. Беспроводные сенсорные сети состоят из миниатюрных вычислительных устройств – мотов, снабженных сенсорами и приемопередатчиками сигналов, работающих в заданном радиодиапазоне. Гибкая архитектура, снижение затрат при монтаже выделяют беспроводные сети интеллектуальных датчиков среди других беспроводных и проводных интерфейсов передачи данных.

Технология ZigBee является технологией WPAN [1] и представляет собой набор сетевых протоколов верхнего уровня, использующих маленькие, маломощные радиопередатчики, основанные на стандарте IEЕЕ 802.15.4.

Работы по изучению возможности применения мобильных, сетевых коммуникаций начались еще в 1994 году. Компании IBM, Nokia, Intel и Toshiba создали консорциум для разработки стандарта беспроводной связи между ЭВМ посредством устройств с ограниченным радиусом действия.

Проект являлся конкурентом стандарта IEEE 802.11 (оба стандарта используют один и тот же частотный диапазон, одни и те же 79 каналов). Главной его целью являлось удаление любых кабелей из телефонии, а если получится, и из локальных сетей. Очевидно, что в нынешнем виде Bluetooth не может вытеснить 802.11 хотя бы из-за ограничений на максимальный размер сети. Но эта технология быстро развивается, трудно предсказать, какое место она займет в самые ближайшие годы. В 1999 году был выдан 1500-страничный документ vl.0. После этого группа стандартизации IEEE взяла этот документ за основу стандарта 802.15 (физический уровень и уровень передачи данных). В 2002 году IEEE утвердил стандарт 802.15.1. Пока стандарт 802.15 и Bluetooth не идентичны, но ожидается их объединение в самом ближайшем будущем.

Имя бренда ZigBee происходит от поведения медовых пчел, после возвращения их в улей. Сети, образованные по протоколу ZigBee начали рассматриваться с 1998, когда многие установщики осознали, что протоколы WiFi и Bluetooth стали неподходящими для многих приложений. В частности, многие инженеры увидели необходимость в самоорганизуемых сетях.

ZigBee^® – это открытый стандарт беспроводной связи для систем сбора данных и управления.  Технология ZigBee  позволяет создавать самоорганизующиеся и самовосстанавливающиеся беспроводные сети с автоматической ретрансляцией сообщений, с поддержкой батарейных и мобильных узлов.

В настоящее время технология ZigBee выходит за границы исследовательских лабораторий и начинает широко применяться на практике для создания беспроводных сетей датчиков, систем автоматизации зданий, устройств автоматического считывания показаний счетчиков, охранных систем, систем управления в промышленности.

Сети ZigBee при относительно небольших скоростях передачи данных обеспечивают гарантированную доставку пакетов и защиту передаваемой информации.

Стандарт ZigBee предусматривает частотные каналы в диапазонах 868 МГц, 915 МГц и 2,4 ГГц. Наибольшие скорости передачи данных и наивысшая помехоустойчивость достигаются в диапазоне 2,4 ГГц.  Поэтому большинство производителей микросхем выпускают приемопередатчики именно для этого диапазона, в котором предусмотрено 16 частотных каналов с шагом 5 МГц.

Скорость передачи данных вместе со служебной информацией в эфире  составляет 250 кбит/c . При этом средняя пропускная способность узла для полезных данных в зависимости от загруженности сети и количества ретрансляций может лежать в пределах  5 ... 40 кбит/с.

Расстояния между узлами сети  соcтавляют десятки метров при работе внутри помещения и сотни метров на открытом пространстве. За счет ретрансляций зона покрытия сети может значительно увеличиваться.

Технология определяется спецификацией, разработанной с намерением быть проще и дешевле, чем остальные персональные сети, такие как Bluetooth.

Так как ZigBee-устройство большую часть времени находится в спящем режиме, уровень потребления энергии может быть очень низким, благодаря чему достигается длительная работа от батарей. ZigBee-устройство может активироваться (то есть переходить от спящего режима к активному) за 15 мс или меньше, задержка его отклика может быть очень малой, особенно по сравнению с Bluetooth, для которого задержка, образующаяся при переходе от спящего режима к активному, обычно достигает трех секунд [1].

Однако экономичность ZigBee специалисты склонны рассматривать не в контексте отсутствия постоянных внешних источников энергии, а в том, что планируемая взрывная экспансия интеллектуальных приемопередатчиков во все возможные сферы деятельности человека может вызвать огромный рост потребления электроэнергии если не уделить должного внимания экономичности. К примеру, в характерном доме недалекого будущего предположительно будет размещаться до 100 беспроводных датчиков и исполнительных устройств. При количестве 50000 домов в городе и использовании технологии Wi-Fi энергопотребление такого города выросло бы на 3,3 мегаватта. При использовании ZigBee с передатчиками до 3 дБм и циклом работы в 0,1% от общего времени потребление выросло бы всего на 150 Вт!

Еще одной особенностью технологии ZigBee заключается в том, что она при относительно невысоком энергопотреблении поддерживает не только простые топологии беспроводной связи («точка-точка» и «звезда»), но и сложные беспроводные сети с ячеистой топологией с ретрансляцией и маршрутизацией сообщений. Области применения данной технологии - это построение беспроводных сетей датчиков, автоматизация жилых и строящихся помещений, создание индивидуального диагностического медицинского оборудования, системы промышленного мониторинга и управления, а также при разработке бытовой электроники и персональных компьютеров.

Принимая во внимание такие критерии, как цена чипов, дешевизна и скорость освоения технологии, низкое энергопотребление, помехоустойчивость можно сказать, что ZigBee нередко является сейчас лучшим выбором. Чипы для реализации ZigBee выпускают такие известные фирмы, как Texas Instruments, Freescale, Atmel, STMicroelectronics, OKI и т.д. И это гарантирует низкие цены на комплектующие для этой технологии. ZigBee - это технология, заполняющая нишу низкоскоростных беспроводных сетей с низким энергопотреблением, предназначенных для систем управления с большим количеством узлов, таких как системы освещения в зданиях, системы наблюдения за парком промышленного оборудования и т.д.

Благодаря профилям, создание приложения с использованием ZigBee превращается практически из задачи программирования в задачу конфигурирования. В спецификации первых лет технологии определено три стандартных профиля: профиль автоматизации зданий, профиль автоматизации управления бытовым освещением, профиль управление оборудованием. Спецификация допускает создание и сосуществование наряду со стандартными и частных профилей, и практически каждый изготовитель законченных ZigBee-модулей пользуется этой возможностью.

В настоящее время достаточно доступными являются модули ZigBee: ETRX2, ETRX3, выпушенные фирмой Telegesis. Для ознакомления с ними существуют стартовые наборы, включающие в себя модуль-координатор, имеющий USB-разъем, и три других модуля, которые можно настроить на работу роутера или конечного устройства, располагающего датчиками температуры и освещенности, тестовыми кнопками и т.п.