2. Принципы построения беспроводных сетей на основе технологии ZigBee.

2.1. Основные характеристики стандарта ZigBee (IEEE802.15.4)

2.2. Стек протоколов ZigBee.

2.3. Три класса устройств.

2.4. Механизмы доступа в сеть.

2.5. Профили устройств сетей ZigBee.

2.6. Аппаратные средства для построения ZigBee сетей.

2.6.1. Обзор трансиверов стандарта 802.15.4.

2.6.2 Модули ZigBee .

2.6.3. Отладочные комплекты.

2.6.4 Программные решения стека ZigBee .

Вывод.

2.1. Основные характеристики стандарта ZigBee (IEEE802.15.4)

Любая беспроводная технология предполагает стандартизованное описание на физическом и логическом уровне. Физический уровень технологииZigBee предполагает:

• Три частотных диапазона:

2,4 ГГц (16 каналов) – общий для всего мира.

915 МГц (10 каналов) – для США

868 МГЦ (1 канал) – для Европы

• Скорость передачи:

Максимальная 256 кбит/с.

Минимальная 20 кбит/с.

Скорость передачи зависит от числа используемых каналов.

• Модуляция сигнала определяется сдвигом фазы:

Для двух нижних диапазонов – бинарный.

Для 2,4ГГц – квадратурный.

• Доступ к каналу – по контролю несущей, т.е сначала слушаем и если эфир свободен, начинаем передачу (CSMA).

• Выходная мощность: 1мВТ.

• Чувствительность:

Для двух нижних диапазонов: -92dBm

Для 2,4ГГц : -85 dBm.

Логический уровень представляет программный стек, реализующий:

• Логику сети, позволяя, тем самым, создавать сети различной топологии.

• Маршрутизацию данных

• Адресацию

• Формирование пакетов

• Обеспечение безопасности

• Сканирование сети

• Идентификацию устройств

• Объединение устройств в сеть

Совокупность логического и физического уровня предполагают стек ZigBee.

2.2. Стек протоколов ZigBee.

Стек ZigBee представляет собой иерархическую модель, построенную по принципу семиуровневой модели протоколов передачи данных в открытых системах OSI (Open System Interconnection). Стек включает в себя уровни стандарта IEEE 802.15.4, отвечающие за реализацию канала связи, и программные сетевые уровни и уровни поддержки приложений, определенные спецификацией ZigBee .

Спецификация стека ZigBee (законы построения сети) определяет, какими свойствами должны обладать устройства, из которых строится сеть, каким образом пакет информации передается от одного узла сети к другому, как новое устройство подключается к сети и кто в сети является главным, а кто подчиненным. Спецификация стека ZigBee не является программой, это только свод правил, на основании которого необходимо разрабатывать программу для конкретного микроконтроллера. Для организации физической связи при построении сетей  ZigBee используются микросхемы приемопередатчиков стандарта IEEE 802.15.4.

Стандарт IEEE 802.15.4-2003определяет физические параметры передатчика для построения сети передачи небольших объемов данных. Это диапазоны частот - 868 МГц, 915 МГц, 2,4 ГГц; число радиочастотных каналов 1-16; тип модуляции  - QPSK и BPSK. Сюда также относится и, так называемый, протокол доступа к среде (MAC- уровень), который описывает структуру радиочастотной посылки и определяет число адресуемых устройств. Здесь также описываются механизмы проверки и подтверждения целостности принятых данных, процедуры оценки качества канала и алгоритм предотвращения коллизий (ограничение на одновременную работу нескольких передатчиков).

Формирование и контроль пакетов данных, управление потоками данных и т.д.

Безопасность сети, трансляция сообщ., обработка сетевых процедур, сетевой менеджмент, маршрутизация, поддержка различных топологий и д.д.

Безопасность устройств,транс

ляция сообщений,организация сервисов устройств и т.д.

Рисунок: Архитектура стека ZigBee

Прием и передача данных по радиоканалу осуществляется на физическом уровне (PHY), определяющем рабочий частотный диапазон, тип модуляции, максимальную скорость, число каналов:

• O-QPSK– квадратичная фазовая манипуляция со смещением для 2,4ГГЦ (16 каналов, 250кбит/с)

• BPSK- двоичная фазовая манипуляция для частот 915МГЦ(10 каналов, 40кбит/с) и 868МГц (1 канал,20Кбит/с).

Уровень PHY осуществляет:

• Активизацию/дезактивизацию приемопередатчика;

• Детектирование энергии принимаемого сигнала на рабочем канале;

• Выбор физического частотного канала;

• Индикацию качества связи при получении пакета данных

• Оценку свободного канала для реализации протокола множественного доступа к среде с контролем несущей и предотвращением коллизий (CSMA-CA).

Далее в структуре стека ZigBeeследует уровень доступа к среде МАС.

Характеристики MACуровня:

• 64- битная адресация внутри локальных сетей (теоретически максимальное количество устройств в сети 2⁶⁴)

Способы адресации:

1. Сетевой идентификатор (ID+IDустройства; топология типа «Звезда»);

2. Идентификатор отправителя/получателя (передача между равноправными узлами).

Вхождение в сеть/ выход из сети, автоматическая/полуавтоматическая организация сети;

Формат пакетов сообщений сети ZigBee, максимальная полезная загрузка одного пакета данных составляет 104 байта данных, максимальная длина кадра 127 байт;

Уровни безопасности:

- Свободный доступ к сети

- Список контроля доступа

- таймеры определения задержек при передаче и актуальность пакетов данных

- шифрование с помощью 128-битного симметричного ключа AES.

• Механизм доступа в сеть, функции временного разделения и гарантированных временных интервалов, доступ к каналу посредством протокола CSMA-CA;

• Поддержка сетевых топологий, включая соединение «точка-точка», «звезда», многоячейковой и кластерной топологии;

• Оповещение о поступлении пакета данных, подтверждение приема (ACK), 16-битный контроль ошибок (CRC);

• Поддержка трех классов устройств;

• Пакетный/потоковый режим передачи.