Существует множество стандартов для беспроводных технологий ближнего радиуса действия, но это разнообразие часто сбивает с толку разработчиков, которые хотят выбрать стандарт для приложения. Популярный стандарт IEEE 802.15.4 и его «относительно похож» стандарт ZigBee часто путаются. Но они разные, и об этом стоит помнить.
Выбор беспроводного стандарта связи
Разработчик беспроводных приложений имеет несколько вариантов стандартов и протоколов, от простых до удивительно сложных. Самые знакомые варианты — Bluetooth и Wi-Fi. Bluetooth занял нишу в аудиопространстве благодаря миллиардам подключений гарнитур для сотовых телефонов, автомобильных устройств и беспроводных колонок. Его новые версии с низким энергопотреблением находят множество применений в мире медицины и спорта / фитнеса для мониторинга физического состояния человека.
Wi-Fi — это лучшая технология локальной сети (LAN) для высокоскоростного доступа в интернет для ноутбуков, смартфонов и планшетов. Новые более быстрые версии используются в Smart TV для передачи видео. В урезанном виде он также может использоваться в приложениях сбора данных. Версии с низким энергопотреблением теперь доступны. Во многих версиях и дополнениях используются промышленные, научные и медицинские диапазоны 2,4; 5 и 60 ГГц (ISM).
Запатентованный стандарт Z-Wave нашел свою нишу на рынке систем домашнего мониторинга и контроля, а также системы интернет вещей IoT. Существуют и другие собственные стандарты для конкретных приложений, например WirelessHD для передачи видео с частотой 60 ГГц. Многие из этих запатентованных вариантов используют полосы ISM ниже 1 ГГц, в том числе устройства открывания гаражных ворот на частоте 315 МГц, дистанционные мониторы температуры на частоте 433 МГц и сбор данных на частоте 915 МГц. Растущая категория — сотовая связь для приложений типа «машина-машина» (M2M) и «интернет вещей» (IoT).
Большинство остальных стандартов используют некоторые вариации стандарта 802.15.4.
IEEE 802.15.4
Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE) поддерживает многие рабочие группы в разработке и поддержании стандартов беспроводной и проводной связи. Например, 802.3 — это проводной Ethernet, а 802.11 — для беспроводных локальных сетей (WLAN), также известных как Wi-Fi. Группа стандартов 802.15 определяет различные беспроводные персональные сети (WPAN) для различных приложений. Например, 802.15.1 — это Bluetooth, 802.15.3 — это категория с высокой скоростью передачи данных для сверхширокополосных (UWB) технологий, а 802.15.6 — для сетей общего пользования (BAN). Есть несколько других.
Категория 802.15.4, вероятно, является крупнейшим стандартом для сетей WPAN с низкой скоростью передачи данных. У нее есть много подкатегорий. Категория 802.15.4 была разработана для приложений мониторинга и управления с низкой скоростью передачи данных, а также для использования с малым энергопотреблением с увеличенным сроком службы. Базовым стандартом с самыми последними обновлениями и усовершенствованиями является 802.15.4a / b, 802.15.4c для Китая, 802.15.4d для Японии, 802.15.4e для промышленных приложений, 802.15.4f для активной (с питанием от батареи) радиочастотной идентификации (RFID) и 802.15.4g для интеллектуальных инженерных сетей (SUN) для мониторинга сетей Smart Grid. Все эти специальные версии используют одну и ту же базовую технологию радиосвязи и протокол, определенные в 802.15.4a / b.
Стандарт 802.15.4 определяет физический уровень (PHY) и уровень управления доступом к среде (MAC) модели работы сети с открытыми системами (OSI) (рисунок ниже). PHY определяет частоту, мощность, модуляцию и другие условия беспроводного соединения. MAC определяет формат обработки данных. Остальные уровни определяют другие меры для обработки данных и соответствующие усовершенствования протокола, включая конечное приложение.
Более конкретно, на рисунке ниже показаны детали уровня 1 и уровня 802.15.4.
Стандарт 802.15.4 использует только первые два уровня плюс дополнения управления логической линией (LLC) и подуровня конвергенции конкретных услуг (SSCS) для связи со всеми верхними уровнями, как определено в дополнительных стандартах.
Целью стандарта является предоставление базового формата, к которому могут быть добавлены другие протоколы и функции посредством верхних уровней (слои 3–7). Хотя доступны три частотных присвоения, полоса 2,4 ГГц является наиболее широко используемой (таблица ниже). Большинство доступных чипов и модулей используют эту популярную группу ISM.
В стандарте используется модуляция с расширенным спектром прямой последовательности (DSSS). Он очень терпим к шуму и помехам, и обеспечивает усиление кодирования для повышения надежности линии. Стандартная двоичная фазовая манипуляция (BPSK) используется в двух низкоскоростных версиях, тогда как смещенная квадратурная фазовая манипуляция (O-QPSK) используется для версии с более высокой скоростью передачи данных. O-QPSK имеет постоянную огибающую волны, что означает, что для минимизации энергопотребления можно использовать более эффективные методы нелинейного усиления мощности.
Что касается доступа к каналу, 802.15.4 использует многостанционный доступ с контролем несущей частоты и предотвращение конфликтов (CSMA-CA). Такой подход мультиплексирования позволяет нескольким пользователям или узлам получать доступ к одному и тому же каналу в разное время без помех. Большинство передач — это короткие пакеты, которые происходят нечасто для очень низкого рабочего цикла, сводя к минимуму потребление энергии. Минимальный определенный уровень мощности составляет –3 дБм или 0,5 мВт. Большинство модулей используют 0 дБм или 1 мВт. Однако доступны некоторые модули мощностью 20 дБм или 100 мВт.
Дальность передачи значительно варьируется в зависимости от характера пути, который по большей части должен быть прямой видимости (LOS). Уровень мощности передачи и чувствительность приемника также являются существенными факторами. В наилучших условиях дальность может достигать 1000 метров при открытой дорожке. Большинство приложений охватывают более короткий диапазон от 10 до 75 метров.
Что касается сетевых возможностей, 802.15.4 определяет две топологии. Одна из них — базовая звезда (рисунок а). Все коммуникации между узлами должны проходить через центральный узел-координатор. Базовая одноранговая (P2P) топология также определена (рисунок b). Затем любое устройство может общаться с любым другим устройством. Эта базовая топология может быть расширена до других топологий на верхних сетевых уровнях, таких как ячеистая (mesh) топология сети.
Стандарт 802.15.4 определяет общие топологии сети типа «звезда» (а) и «точка-точка» (peer-to-peer) (б).
ZigBee
Наиболее широко распространенным усовершенствованием стандарта 802.15.4 является ZigBee, который является стандартом ZigBee Alliance. Организация обслуживает, поддерживает и разрабатывает более сложные протоколы для продвинутых приложений. Он использует уровни 3 и 4 для определения дополнительных коммуникационных функций (рисунок ниже). Эти усовершенствования включают в себя аутентификацию с действительными узлами, шифрование для обеспечения безопасности, а также возможность маршрутизации и пересылки данных, которая обеспечивает ячеистую сеть. Наиболее популярным применением ZigBee являются беспроводные сенсорные сети, использующие топологию ячеистой сети.
Протокол ZigBee определяется уровнем 3 и выше. Работает с уровнями 802.15.4 1 и 2.
Основным преимуществом ячеистой топологии является то, что любой узел может связываться с любым другим узлом, если не напрямую, то в пределах диапазона, но косвенно, передавая данные через несколько дополнительных узлов (рисунок ниже). В таком случае сеть может распространяться на большую площадь. Кроме того, это повышает надежность сети, поскольку она все еще функционирует, даже если один узел отключен. Обычно существует альтернативный путь через сеть для поддержания соединения. Например, если узел A хочет связаться с узлом G, он может ретранслировать данные через узлы C и E. Если узел C дает сбой, другой путь проходит через узлы B, D и F. Ячеистые сети ZigBee самоконфигурируются и самостоятельно настраиваются.
В ячеистой сети (mesh-сеть) каждый узел связывается со своим ближайшим соседом, если позволяют условия. Обратите внимание, что есть альтернативные пути между любыми двумя узлами.
ZigBee также доступен в версии, которая поддерживает сбор энергии, когда нет батареи или сети переменного тока. И одним из ключевых преимуществ ZigBee является наличие предварительно разработанных приложений. Эти программные дополнения верхнего уровня реализуют специализированное использование ZigBee. Некоторые из этих приложений включают в себя:
- Автоматизация зданий для коммерческого мониторинга и контроля объектов
- Пульт дистанционного управления (RF4CE или RF для бытовой электроники)
- Система домашнего мониторинга распределением энергии (управление солнечными панелями и ветряками)
- Приложения здравоохранение для медицинского оборудования и фитнес-мониторинга
- Домашняя автоматизация для управления умными домами
- Устройства ввода для клавиатур, мышей, сенсорных панелей, тачпадов и других устройств
- Light Link для контроля светодиодного освещения
- Розничные услуги для покупок
- Телекоммуникационные услуги
- Сетевые услуги, связанные с большими ячеистыми сетями
ZigBee Alliance также предлагает полное тестирование и сертификацию продуктов с поддержкой ZigBee для обеспечения совместимости.
ZigBee существует уже более 15 лет и широко используется. Это отличный вариант для многих приложений. Для некоторых более простых коммуникационных проектов это может быть излишним из-за его дополнительной сложности и стоимости. Простой старый стандарт 802.15.4 может быть лучшим выбором в таких случаях.
Другие комбинации беспроводных сетей
Хотя ZigBee является наиболее ярким примером использования базового стандарта 802.15.4, другие протоколы определены для конкретных приложений. Стандарт 802.15.5 определяет возможности ячеистой сети для 802.15.4. WirelessHART — это радио версия стандарта протокола проводной HART (магистральный адресный дистанционный преобразователь), широко используемого в приложениях автоматизации и промышленного управления. Он определяет протокол мультиплексирования по времени для доступа к нескольким узлам датчиков и исполнительных механизмов.
Стандарт промышленного контроля ISA100.11a Международного общества автоматизации используется в приложениях управления процессами. Он добавляет к базе 802.15.4 переключение каналов, опции мультиплексирования с переменным временным интервалом и ячеистую сеть.
Еще один интересный вариант — 6LoWPAN, созданный Инженерной рабочей группой по Интернету (IETF) (RFC 5933 и RFC 4919). Эта адаптация протокола позволяет радиостанциям 802.15.4 переносить 128-битные адреса версии 6 интернет-протокола (IPv6). Он использует методы сжатия заголовков и преобразования адресов, чтобы устройства 802.15.4 могли выходить в интернет. Пакеты IPv6 сжимаются и инкапсулируются, поэтому они вписываются в стандартные пакеты пакетов 802.15.4. Это изменение облегчает использование стандарта для реализации приложений IoT, Smart Grid и M2M.
