Czas na czujniki bez kabli

Twórcy protokołu ZigBee opierali się na standardzie komunikacji bezprzewodowej IEEE 802.15.4. Ich celem było uzyskanie przewagi na rynku czujników, które transmitują dane nie częściej niż raz na sekundę.

Zakres tematu

Aby czujnik był w pełni bezprzewodowy, konieczna jest eliminacja nie tylko kabla sygnałowego, ale i zasilającego. Z tego powodu większość czujników ZigBee będzie zasilana bateryjnie. Aby miały one małe rozmiary, także i baterie nie mogą być duże. Czujniki i ich podzespoły komunikacyjne muszą oszczędnie korzystać z energii. Jednym ze sposobów jest zmniejszenie czasu, w jakim urządzenie pobiera energię. Gdy sensor nie przesyła wyników pomiarów znajduje się w trybie uśpionym. Większość urządzeń tego typu, które komunikują się w oparciu o standard 801.15.4 w paśmie od 2,4 do 2,48GHz przesyła informację w czasie kilku milisekund. Ponieważ przejście z trybu oszczędnego do trybu transmisji zajmuje około 15ms czujnik, który przeciętnie przesyła jeden komunikat na sekundę zazwyczaj pracuje przez nie więcej niż 2% cyklu pracy. W zakresach 868 i 915MHz czas pracy jest nieznacznie dłuższy. Od wielu czujników wymaga się transmisji z jeszcze mniejszą częstotliwością niż opisywana. W takim wypadku czas życia baterii jest praktycznie równy okresowi ich trwałości, co w przypadku baterii alkalicznych może wynosić nawet dziesięć lat.

Powody

Rys. 1. Logo ZigBee umieszczane na urządzeniach pracujących w paśmie 2,4GHz. Istnieje również wersja znaku dla pasma poniżej 1GHz

Wiele aplikacji wymaga zastosowania dużej liczby czujników. W takich wypadkach koszt montażu i okablowania może znacznie przekroczyć cenę samych sensorów. O ile kosztów związanych z montażem nie da się uniknąć, to pozbycie się okablowania jest ważnym atutem transmisji bezprzewodowej.

ZigBee ma zastosowanie w automatyce w inteligentnych budynkach, w przemyśle oraz w medycynie. Przykładowe aplikacje to sterowanie oświetleniem, ogrzewaniem, wentylacją i klimatyzacją, a nawet zasłonami, zdalne odczytywanie stanu liczników gazu, wody i energii elektrycznej, bezprzewodowe czujniki dymu i czadu, a także w systemach bezpieczeństwa takich, jak detektory ruchu.

Struktura

Rys. 2. ZigBee jako protokół warstwowy

Specyfikacja ZigBee obejmuje sieć, elementy bezpieczeństwa oraz strukturę aplikacji, a także warstwę fizyczną i warstwę MAC (Media Access Control). Standard 802.15.4 pracuje w nielicencjonowanym paśmie 2,4GHz, przy użyciu modulacji O-QPSK (Offset Quadrature Phase Shift Keing). W związku z szerokością kanału równą 5MHz w paśmie 2,4GHz przewiduje się podział na 16 kanałów. W celu minimalizacji interferencji pomiędzy różnymi urządzeniami w sieci oraz zwiększenia bezpieczeństwa danych stosuje się DSSS, czyli bezpośrednie rozpraszanie widma ciągiem pseudolosowym. Wersja standardu przeznaczona na pasmo częstotliwości mniejszych od 1GHz wykorzystuje modulację BPSK i - w przypadku pasma 915MHz, kanały o szerokości 2MHz. W paśmie 868MHz możliwa jest transmisja tylko w obrębie jednego kanału.

We wszystkich trzech pasmach standardu 802.15.4 w warstwie MAC stosowany jest dostęp CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance). Urządzenie, które chce rozpocząć nadawanie najpierw bada stan zajętości kanału i jeżeli jest on zajęty ponownie przechodzi w stan oczekiwanie, który trwa przez losowo określony okres. Następnie ponownie testuje kanał i w razie możliwości rozpoczyna transmisję. W metodzie tej możliwa jest sytuacja, w której dwa urządzenia (lub ich większa liczba) badają zajętość kanału jednocześnie i w tym samym czasie przygotowują się do transmisji. W związku z tym, kilka urządzeń jednocześnie może rozpocząć nadawanie.

Dodatkowe elementy

Rys. 3. Po lewej moduł ZigBee, po prawej czujnik

Według pomysłodawców standardu ZigBee dzięki zastosowaniu kodowania z rozpraszaniem widma DSSS istnieje duża szansa, że wiadomości dotrą do celu mimo interferencji w trakcie transmisji. Należy jednak pamiętać o tym, że podstawowym problemem w metodzie dostępu CSMA/CA jest niedeterministyczny czas opóźnień w transmisji. Z tego powodu projektanci systemów nie mogą być pewni tego, ile czasu zajmie wiadomości dotarcie do odbiorcy.

W przypadku, gdy czas dostępu do łącza musi być precyzyjnie określony standard IEEE proponuje dwa dodatkowe rozwiązania. Elementem dozwolonym w pewnych implementacjach standardu ZigBee są specjalne wiadomości – tzw. beacon. Ramki te są rozgłaszane do wszystkich urządzeń w sieci w określonych odstępach czasu. Dane urządzenie nasłuchuje i w przypadku, gdy ramka nie jest do niego adresowana ponownie przechodzi w tryb oczekiwania. Ramki beacon poprzedzają drugi charakterystyczny rodzaj wiadomości, tzw. super ramki (superframe). Super ramkę stanowi opis 16 szczelin czasowych, w czasie których wybrane urządzenie otrzymuje czas bezkolizyjnego dostępu do sieci.

Zabezpieczenia

Rys. 4. Specyfikacja ZigBee dopuszcza różne topologie sieciowe, w tym gwiazdy, drzewa i kratowej

Z punktu widzenia potencjalnych użytkowników sieci ważnym aspektem jest bezpieczeństwo przesyłanych informacji. Waga tego problemu w dużej mierze zależy od rodzaju transmitowanych danych. Szkoda, jaka może wyniknąć w związku z nielegalnym przechwyceniem przez osobę trzecią informacji na przykład na temat ustawień domowego czujnika temperatury jest minimalna. Jednakże zagrożenie jest znacznie większe, gdy dotyczy zastosowań transmisji bezprzewodowej na skalę przemysłową.

Pierwszy poziom zabezpieczeń zapewnianych w standardzie ZigBee stanowi kodowanie z rozpraszaniem widma. Ochrona danych nie kończy się jednak na tym etapie. Standard udostępnia szerszy wachlarz zabezpieczeń, obejmujący listy kontroli dostępu, odświeżanie danych oraz 128-bitowe szyfrowanie.

Profile

Podstawą ZigBee jest profil, służący np. do sterowania oświetleniem. Pierwotna wersja tego profilu pozwala na wymianę informacji kontrolnych pomiędzy sześcioma różnymi typami urządzeń, dzięki temu zostaje uformowana bezprzewodowa sieć w aplikacji związanej z domową automatyką. Przekazywane są rozkazy wyłączenia lub włączenia światła, wyniki pomiarów z czujnika światła lub informacje alarmowe, w przypadku, gdy czujnik ruchu wykryje aktywność.

Specyfikacja ZigBee umożliwia poszczególnym producentom wprowadzanie własnych profili, które umożliwiałyby pełne wykorzystanie indywidualnych cech urządzeń. Twórcy standardu dążą do tego, aby charakterystyczne właściwości poszczególnych urządzeń nie były przeszkodą we wspólnej pracy wszystkich tych urządzeń w jednej sieci, bez względu na ich producenta. W związku z tym istnieje konieczność, aby urządzenie obsługujące swój indywidualny profil było również w stanie sprostać podstawowym funkcjom implementowanym w pozostałych, mniej skomplikowanych składnikach sieci.

Oprogramowanie

W urządzeniach pracujących w sieciach ZigBee ogromnie ważną rolę odgrywa oprogramowanie. W środowisku sieci bezprzewodowych aktualizacja oprogramowania stanowi specyficzny problem, który należy rozwiązać przed ich rozpowszechnieniem. Skutki braku kabla mogą być odczuwalne w momencie, gdy konieczna okazuje się aktualizacja oprogramowania. Rozwiązaniem tego problemu może być technika OAD (Over-Air Downloading). Przykładem implementacji tego standardu jest rozwiązanie Texas Instruments o nazwie Chipcon Wireless OAD. W architekturach opartych na warstwie transportowej, takich jak ZigBee/802.15.4 implementacja metody OAD zależy od stworzonej w tym celu aplikacji. Zasadniczą sprawą jest w tym przypadku wybór warstwy, w której owa aplikacja zostanie napisana.

Bez względu na to, jaka metoda implementacji zostanie zastosowana, wszystkie rozwiązania wymagają zarezerwowania miejsca na pobrany kod. Poza tym realizacja aplikacji OAD wymaga zapewniania niezawodnej transmisji. Komunikacja musi być na tyle pewna, aby można ją było kontynuować nawet w przypadku wystąpienia błędów w przesyłaniu plików. Transfer musi być oczywiście również bezpieczny. Aby sprostać wymaganiom pod względem odporności na przerywanie transmisji oprogramowanie musi spełnić dwa warunku. Po pierwsze fragment oprogramowania odpowiadający w urządzeniu docelowym za transmisję musi pozostać nienaruszony do momentu pomyślnego ukończenia transmisji. Po drugie nie należy oczekiwać, że fragment kodu już załadowany będzie mógł być realizowany, zanim transmisja zostanie w pełni ukończona. Wspólnie te dwa wymagania oznaczają, że pobrany kod musi być gdzieś przechowywany tak, aby zaktualizowane fragmenty programu nie zakłócały działania dotychczasowej wersji aplikacji w trakcie transmisji. Jeżeli zaimplementowane oprogramowanie spełnia powyższe oczekiwania jest możliwe podjęcie próby dalszego pobierania plików w razie przerwania transmisji. Ważne jest również to, skąd aplikacja docelowa ma „wiedzieć”, że potrzebuje aktualizacji. Rozwiązanie proponowane przez Texas Instruments używa techniki klient-serwer, w której odpowiednie narzędzia programowe, odpowiadające za zarządzanie, określają wersję oprogramowanie zainstalowanego w każdej z docelowych platform. W zależności od potrzeb i dostępności aktualnego oprogramowania realizowana jest architektura klient-serwer. Im więcej jest potencjalnych klientów, tym szybciej jest rozpowszechniana nowa wersja kodu. Dzieje się tak ponieważ każda zaktualizowana platforma może stać się automatycznie serwerem dla kolejnych urządzeń. Narzędzia odpowiedzialne za zarządzanie tym procesem są w stanie bardzo szybko zidentyfikować i przydzielić odpowiedni status poszczególnym urządzeniom.

Trudne pytania

Najczęściej stawiane pytaniem na temat ZigBee dotyczy zasięgu sieci. Zazwyczaj mówi się, że wynosi on od 10 do 100m. Zagadnienie zasięgu jest jednak dużo bardziej złożone. Odpowiedź nie zależy jedynie od tego, w jakim paśmie pracuje sieć, ale również od środowiska, w którym sieć jest zorganizowana. Dotyczy to podziału na sieci, w których urządzenia znajdują się wewnątrz i na zewnątrz budynków.

Innym czynnikiem jest moc wyjściowa. W większości przypadków wynosi ona 0dBm, a wartość maksymalna 20dBm. Jednakże by taką osiągnąć, w module ZigBee wymagany jest zewnętrzny wzmacniacz. Najważniejsza dla zasięgu jest liczba stacji pośrednich, przez które muszą przejść transmitowane dane, zanim dotrą do elementu docelowego.

Mimo, że pasmo 2,4GHz oferuje większą przepustowość, niż pasma 868MHz i 915MHz, transmisja na paśmie poniżej 1GHz jest bardziej niezawodna. W zakresie niższych częstotliwości mniej poważnym problemem jest absorpcja oraz odbicia sygnału. W związku z tym dzięki mniejszym stratom sygnału urządzenia mogą pracować z mniejszą mocą.

Topologie

Warstwa sieciowa standardu ZigBee umożliwia organizację sieci w topologii gwiazdy, drzewa oraz kratowej (mesh). W topologii gwiazdy sieć jest kontrolowana przez koordynatora ZigBee (ZigBee coordinator). Koordynator inicjuje sieć oraz odpowiada za jej utrzymanie. Wszystkie inne urządzenia są elementami końcowymi (ZigBee end devices), które komunikują się bezpośrednio z koordynatorem. W topologii drzewa, a także w sieci typu mesh, koordynator również inicjuje sieć oraz wybiera niektóre kluczowe parametry. Zadaniem routerów ZigBee jest dalsza rozbudowa sieci.

W topologii drzewa routery przesyłają dane oraz wiadomości kontrolne w sieci, korzystając z hierarchicznej strategii routingu. Ten rodzaj organizacji może komunikować się z użyciem ramek beacon. Z kolei topologia typu mesh w pełni realizuje komunikację peer-to-peer.

Zastosowania

Interesującym zastosowaniem sieci ZigBee jest wyszukiwanie poszczególnych elementów w zasobach magazynowych. Technologia ta może być bardziej użyteczna od dotychczas kojarzonej z tym zagadnieniem kontroli przemieszczenia towarów opartej o znaczniki RFID. Tagi RFID, które mają charakter pasywny, energię potrzebną do transmisji pobierają z pola wysyłanego przez czytnik żądający odpowiedzi. Problemem w przypadku tej technologii jest zasięg. Czytnik musi się znajdować w odległości nie większej niż około 3m od znacznika RFID. Jeżeli więc istnieje potrzeba zlokalizowania jakiegoś elementu na przykład w obrębie dużej hali produkcyjnej technologia ta jest całkowicie bezużyteczna. W takiej sytuacji warto zastanowić się nad organizacją sieci ZigBee, która umożliwia zlokalizowanie poszukiwanego elementu w większej przestrzeni. Każde urządzenie musiałoby być w takim wypadku zaopatrzone w moduł ZigBee. Wadą tego rozwiązania jest jednak koszt platform ZigBee, który znacznie przekracza cenę znaczników RFID. Zastosowanie technologii ZigBee może zaprocentować w dłuższym czasie, głównie poprzez oszczędność czasu marnowanego na przeszukiwanie zasobów hali lub magazynu.

Tempo rozwoju

Rozwój przemysłowych aplikacji opartych o sieci ZigBee prawdopodobnie nie będzie zbyt szybki. Mimo to jest wysoce prawdopodobne, że technologia ta wygra wyścig z konkurencją. Z pewnością jakiś czas minie zanim moduły ZigBee będą się charakteryzować sprawnością na poziomie wymaganym w zastosowaniach przemysłowych. Ponadto, aby móc oszacować niezawodność rzeczywistych urządzeń w dużym zakresie trzeba korzystać ze statystyk i rozkładów prawdopodobieństwa. Z tego powodu wiele miesięcy może upłynąć zanim będzie można z dużą pewnością ogłosić, że dana aplikacja jest narażona na wystąpienie nie więcej niż jednego błędu w transmisji na miesiąc. Najprostszą metodą na szybki rozwój sieci ZigBee w przemyśle jest rozpowszechnianie go wśród członków ZigBee Alliance, czyli organizacji zrzeszającej firmy z całego świata. ZigBee Alliance powstało w celu popularyzacji i wspólnego rozwoju standardu. Wśród członków stowarzyszenia rozpowszechniono ponad 18000 kopii specyfikacji ZigBee już w pierwszym roku po publikacji.

Problem z energią

Kolejnym ważnym aspektem związanym z sieciami ZigBee, który interesuje potencjalnych użytkowników jest uzależnienie od zasilania bateryjnego. Moduły ZigBee mają możliwość pomiaru stanu naładowania baterii i wysłania wiadomości alarmującej tuż przed wyczerpaniem źródła zasilania. Niemniej należy pamiętać o tym, że często czujniki są umieszczane w trudnodostępnych miejscach i użytkownicy wolą odwlekać czas wymiany baterii do momentu, gdy wyczerpią się one całkowicie. W takim wypadku na myśl przychodzi kilka technik wydłużania czasu pracy baterii. Jedną z nich jest dążenie do zwiększania niezależności czujnika. W takim wypadku można bowiem zredukować konieczność transmisji, a przez to zmniejszyć ilość energii traconej w czasie komunikacji. To zagadnienie wiąże się jednak z poważnymi zmianami zarówno w architekturze samego czujnika, jak i w jego oprogramowaniu.

Innym rozwiązaniem jest podejście, w którym niewielkie ilości energii są pobierane ze środowiska przy pomocy szerokiego wachlarza technik, określanych wspólnie mianem energy harvesting. Przykładem takiego rozwiązania jest zastosowanie ogniw słonecznych. Wymaga to jednak dobrze nasłonecznionych pomieszczeń. Kolejnym przykładem są sterowniki oświetlenia, które niezbędną energię mogą czerpać z energii wytwarzanej w wyniku ruchu przełącznika. Bezprzewodowe sterowanie umożliwi, dzięki zredukowaniu liczby przewodów oraz montowanie wyłączników światła w pomieszczeniu w sposób bardziej swobodny. Pod uwagę są brane także inne źródła energii, w tym między innymi pola magnetyczne rozpraszane wokół przewodów zasilających różne urządzenia lub też wykorzystywanie energii towarzyszącej wibracjom wytwarzanym przez maszyny.

Monika Jaworowska