زیگ بی
زیگ بی نمونه ای از یک شبکه هوشمند است که بین کمپانیهای معتبر ارائه کننده خدمات برد کوتاه با هزینه کم و با مشخصه دسته ایی از پروتکل‌های ارتباط سطح بالا است که از فرستنده و گیرنده‌های دیجیتال کم مصرف مبتنی بر استاندارد IEEE802 برای شبکه‌های شخصی بیسیم با نرخ ارسال داده پایین استفاده می‌کنند. زیگ بی به منظور تعریف یک تکنولوژی ساده تر و ارزانتر از بلوتوث برای شبکه‌های شخصی بیسیم به‌وجود آمده‌است. به کمک زیگ بی می‌توان بیش از ۶۴۰۰۰ وسیله را به‌طور بیسیم از طریق شبکه به هم وصل نمود.
در شبکه‌های زیگ بی سه نوع ابزار می‌توان یافت: هماهنگ کننده‌ها، مسیریاب‌ها و دستگاههای پایانه‌ای. هماهنگ کننده‌ها بر آرایش و امنیت شبکه نظارت می‌کنند. مسیریاب‌ها برد شبکه را گسترش می‌دهند و دستگاههای پایانه‌ای، عملکردهای حسی یا کنترلی خاص را بر عهده دارند. با این حال اغلب این ابزارها می‌توانند بیش از یک کارایی داشته باشند مثلاً یک دستگاه می‌تواند در عین حال که تجهیزات روشنایی را کنترل میکند برای پیامهایی که از سایر قسمتهای شبکه می‌آید به‌عنوان مسیر یاب عمل کند.
ویژگیهای زیگ بی
- کار در محدوده فرکانس ۲٫۴ گیگا هرتز با سرعت انتقال ۲۵۰ کیلوبیت بر ثانیه (۹۱۵ مگاهرتز در آمریکا با سرعت ۴۰ کیلوبیت بر ثانیه و ۸۶۸ مگاهرتز در اروپا با سرعت ۲۰ کیلوبیت بر ثانیه)
- مصرف توان کم، نرخ ارسال پایین، امنیت و قابلیت اطمینان بالا
- شبکه با پیکره بندی مش (Mesh) - گسترش شبکه با حفظ پایداری
- برد ۱۰ تا ۱۰۰ متر با توجه به قدرت فرستنده و ویژگیهای محیط
- تعریف پروفایل های مختلف برای برقراری ارتباط بین دستگاه ها به صورت بهینه
- قابلیت تعریف به عنوان دستگاه انتهایی (END Device) و حالت خواب برای بالابردن مدت کار با هر شارژ باتری
تکنولوژی ZigBee
دلیل انتخاب این نام برای این پروتکل ارتباطی شباهت آن با طریقه ی ارتباطی زنبورها می باشد.یک زنبور عسل بعد از آنکه منبع جدیدی از غذا را پیدا کند به شکل زیگزاک شروع به حرکت میکند.نوع حرکت زنبور حاوی اطلاعاتی از قبیل محل غذا،جهت حرکت و فاصله آن تا کندو را به نزدیک ترین زنبور اطلاع می دهد.
ZigBee بسیارکم هزینه، کم قدرت و دارای شبکه های بی سیم مش استاندارد است. کم هزینه اجازه می دهد تا این فناوری به طور گسترده ای در کنترل بی سیم و برنامه های کاربردی نظارت مستقر شده است. قدرت کم هنگام استفاده اجازه می دهد تا کارکرد طولانی تر با باتری های کوچک تر میسر باشد. شبکه های مش، قابلیت اطمینان بالا و محدوده گسترده تری را فراهم می کند. ارائه کنندگان تراشه ZigBee معمولاً رادیوهای یکپارچه و میکروکنترلرها بین 60 کیلوبایت و 256 کیلوبایت حافظه به فروش می رسد. عملیات ZigBee در باند رادیویی صنعتی، علمی و پزشکی ( ISM )، 868 مگاهرتز در اروپا، 915 مگاهرتز در ایالات متحده آمریکا و استرالیا، و 2.4 گیگاهرتزد در بسیاری از حوزه های قضایی در سراسر جهان است. نرخ انتقال اطلاعات از 20 تا 900 کیلوبیت / ثانیه متفاوت است. لایه شبکه ZigBee بومی از هر دو شبکه های ستاره و درخت، و شبکه های مش عمومی پشتیبانی می کند. هر شبکه باید یک دستگاه هماهنگ کننده و کنترلگر پارامترهای آن و تعمیرات اساسی را ایجاد نماید. در شبکه ستاره، هماهنگ کننده باید واقع در گره مرکزی باشد. هر دو درخت و شبکه اجازه می دهد تا با استفاده از ZigBee به گسترش ارتباطات در سطح شبکه دست یافت. ZigBee ایجاد شده بر لایه فیزیکی دارای کنترل دسترسی متوسط تعریف شده در استاندارد IEEE 802.15.4 (2003 نسخه) برای نرخ WPAN است. خصوصیات برای تکمیل این استاندارد با اضافه کردن چهار قسمت اصلی است: لایه شبکه، لایه کاربردی، اشیاء دستگاه های ZigBee (ZDOs) و اشیاء تعریف شده توسط تولید کننده نرم‌افزار است که اجازه سفارشی سازی و یکپارچه سازی را صادر می کند. علاوه بر اضافه کردن دو لایه شبکه در سطح بالا به ساختار، مهم ترین بخش از ZDO قابل بهبود است. این مسئول تعدادی از وظایف، که شامل نگهداری از نقش دستگاه، مدیریت درخواست برای پیوستن به یک شبکه، کشف دستگاه و امنیت است را بر عهده می گیرد. ZigBee در راستای حمایت از شبکه powerline به کار گرفته می شود اما رابط با آن را برای اندازه گیری هوشمند و دستگاه های هوشمند حداقل می سازد. از آنجا که گره ZigBee می تواند از حالت خواب به حالت فعال در 30 هزارم ثانیه یا کمتر دست یابد، زمان تاخیر را می توان پایین و دستگاه را می توان پاسخگو، به ویژه در مقایسه با بلوتوث دانست، که به طور معمول حدود سه ثانیه است. از آنجا که گره ZigBee می تواند در حالت خواب قرار گیرد، مصرف برق به طور متوسط کم شده و در نتیجه عمر باتری طولانی می گردد.
علامت تجاری
اتحادیه ZigBee یک گروه از شرکت هاست که به حفظ و انتشار استاندارد های ZigBee می پردازد. واژه ZigBee ثبت علامت تجاری این گروه بوده و یک استاندارد فنی نیست. انتشارات اتحادیه اجازه می دهد که برخی از فروشندگان OEM به ایجاد محصولات سازگار بپردازند. رابطه بین IEEE 802.15.4 و ZigBee مشابه بین IEEE 802.11 و علائم Wi-Fi است.
پروانه
خصوصیات ZigBee برای مقاصد غیر تجاری رایگان برای عموم مردم در دسترس است. ورود در سطح ZigBee ، به نام Adopter، دسترسی به مشخصاتی خواهد داد که هنوز منتشر نشده و اجازه برای ایجاد محصولات در بازار با استفاده از مشخصات صادر نکرده است. الزامات مورد نیاز برای عضویت در اتحاد های ZigBee باعث می شود مشکلاتی را برای توسعه دهندگان منبع باز به دلیل درگیری های هزینه سالانه با مجوز عمومی GNU است . برای توسعه دهنده جهت پیوستن به اتحاد های ZigBee به همین ترتیب درگیری با بسیاری دیگر از نرم‌افزار آزاد مجوز ضروری است.
پروفایل برنامه
لیست پروفایل های نرم‌افزار
مشخصات منتشر کننده اتوماسیون ZigBee خانه انرژی ZigBee هوشمند 1.0 خدمات مخابرات ZigBee ZigBee بهداشت و درمان ZigBee RF4CE
کنترل از راه دور
مشخصات در حال توسعه انرژی ZigBee هوشمند 2.0 اتوماسیون ساختمان ZigBee خدمات خرده فروشی ZigBee لینک نور ZigBee انرژی ZigBee هوشمند مشخصات V2.0 تعریف پروتکل IP مبتنی بر نظارت، کنترل، اطلاع رسانی و به طور خودکار تحویل و استفاده از انرژی و آب است. این افزایش از نسخه ZigBee انرژی هوشمند مشخصات، خدمات اضافه کردن پلاگین در وسیله نقلیه الکتریکی (PEV) شارژ، نصب و راه اندازی، پیکربندی و دانلود سیستم عامل، خدمات، اطلاعات و پیام های کاربر، کنترل بار، پاسخ به تقاضا پیش پرداخت و اطلاعات عمومی و مشخصات نرم‌افزار رابط برای شبکه های سیمی و بی سیم. شرکای تجاری از جمله: انجمن Home Grid مسئول بازاریابی و صدور گواهینامه ITU-T G.hn تکنولوژی و محصولات اتحاد یه Home Plug Power line انجمن بین‌المللی مهندسین خودرو SAE بین‌المللی اتحادیه خودکار Sun Spec Wi-Fi در سال 2009 RF4CE (فرکانس رادیویی برای مصرف کننده الکترونیک) کنسرسیوم و ZigBee Alliance مورد توافق به طور مشترک به ارائه یک استاندارد فرکانس رادیویی برای کنترل از راه دور. RF4CE Sigsbee است که برای طیف گسترده ای از محصولات الکترونیکی مصرفی مانند تلویزیون و جعبه تنظیم بالا طراحی شده است. بسیاری از مزایای بیش از راه حل های کنترل از راه دور موجود، از جمله ارتباطات غنی تر و افزایش قابلیت اطمینان، ویژگی های پیشرفته و انعطاف پذیری، قابلیت همکاری، و هیچ مانع خط دید می باشد که مشخصات RF4CE ZigBee برخی از وزن های شبکه می کند و همه را پشتیبانی نمی‌کند که برای پیکربندی کوچکتر حافظه برای دستگاه پایین آوردن هزینه، به عنوان کنترل از راه دور لوازم الکترونیکی مصرفی استفاده شده است.
استفاده
پروتکل ZigBee برای برنامه های کاربردی تعبیه شده که نیاز به امتیازات داده پایین و مصرف کم برق در نظر گرفته شده باشد. در نتیجه مقدار بسیار کمی از قدرت استفاده کنید - دستگاه باید عمر باتری حداقل به مدت دو سال به تصویب گواهینامه های ZigBee برسد.
زمینه های کاربرد معمولی
سرگرمی در خانه و کنترل - اتوماسیون خانه ، روشنایی هوشمند، کنترل درجه حرارت پیشرفته، ایمنی و امنیت، فیلم و موسیقی شبکه های حسگر بی سیم - شروع با سنسور های مجزا مانند Telosb / Tmote Memsic کنترل صنعتی سنجش جاسازی جمع آوری داده ها پزشکی هشدار مزاحم اتوماسیون ساختمان
انواع دستگاه
- دستگاه ZigBee از سه نوع عبارتند از:
هماهنگ کننده های ZigBee (ZC): این دستگاه قادر است، هماهنگ کننده، به شکل ریشه درخت شبکه و ممکن است پل به شبکه های دیگر. دقیقاً ZigBee یک هماهنگ کننده در هر شبکه وجود دارد از آن است که دستگاهی است که در اصل از شبکه است. این اطلاعات در مورد شبکه، از جمله اقدام به عنوان مرکز اعتماد و مخزن برای کلید امنیتی است. روتر های ZigBee (ZR): عنوان یک تابع کاربردی در حال اجرا، می تواند به عنوان یک روتر متوسط عمل می کنند، انتقال داده ها را از دستگاه های دیگر است. دستگاه های ZigBee پایان (ZED): دارای قابلیت فقط به اندازه گره اصلی (یا هماهنگ کننده و یا روتر) می تواند داده ها رله را از دستگاه های دیگر تفکیک نماید. این رابطه اجازه می دهد تا گره به مقدار قابل توجهی از زمان ادامه یافته و در نتیجه عمر باتری طولانی است. ZED نیاز به کمترین مقدار از حافظه دارد و بنابراین می تواند نسبت به ZR یا ZC ارزان تر باشد.
پروتکل
این پروتکل در تحقیقات اخیر الگوریتم ساخت ( موقت بر روی بردار فاصله ، neuRFon ) ساخت شبکه ای تک کاره از گره ها به صورت خودکار را صورت می دهد. در موارد شبکه بزرگ ، شبکه خوشه نیز می تواند یک مش یا یک خوشه را تشکیل دهد. در این نوع از شبکه ها، روترها ZigBee معمولاً دارای گیرنده های به طور مداوم فعال هستند که نیاز به یک منبع تغذیه قوی تر است. با این حال، این اجازه می دهد تا برای شبکه های ناهمگن که در آن برخی از دستگاه دریافت به طور مداوم هستند، در حالی که دیگران فقط زمانی انتقال می دهدکه یک محرک خارجی شناسایی شده است. به عنوان مثال نمونه ای از یک شبکه ناهمگن است که دارای سوئیچ چراغ بی سیم و گره ZigBee در لامپ ممکن است به طور مداوم به عرضه برق متصل شود، در حالی که یک باتری سوئیچ چراغ خواب باقی می ماند تا زمانی که سوئیچ پرتاب شده است. سپس دستور به لامپ می فرستد، ، دریافت تصدیق را نیز خواهد داشت. در چنین شبکه ای، گره لامپ حداقل یک روتر ZigBee، اگر نه هماهنگ کننده ZigBee گره سوئیچ است به طور معمول دستگاه ZigBee است. گره های شبکه خاص به نام روتر ZigBee دارای چراغ های انتقال دوره ای برای تایید به گره های شبکه های دیگر هستند. گره ها ممکن است چراغ خواب، خود را در نتیجه کاهش چرخه و گسترش عمر باتری آنها است. فواصل چراغ بر میزان داده ها بستگی دارد، ممکن است آنها از 15.36 میلی ثانیه به 251.65824 ثانیه در 250 محدوده کیلوبیت / ثانیه ، از 24 میلی ثانیه تا 393.216 ثانیه در 40 کیلوبیت و از 48 میلی ثانیه به 786.432 ثانیه در 20 کیلوبیت / ثانیه می باشد. با این حال، وظیفه عملیات چرخه با فواصل چراغ طولانی نیاز به زمان بندی دقیق دارد که می تواند در تضاد با نیاز به هزینه محصول پایین باشد. به طور کلی، پروتکل ZigBee جهت به حداقل رساندن زمان، به منظور کاهش استفاده از قدرت است. در شبکه، گره فقط نیاز به فعال سازی دارد در حالی که یک فانوس دریایی در حال انتقال است. IEEE استاندارد 802.15.4-2003 در ماه مه سال 2003 به پایان رسید و توسط نشر IEEE 802.15.4-2006 جایگزین شده است. در تابستان سال 2003، نیمه هادی فیلیپس، عمده مش حامی شبکه متوقف شد، سرمایه گذاری است. اتحاد های ZigBee در ماه اکتبر سال 2004 اعلام کرد که عضویت در سال گذشته بیش از دو برابر شده و تا به حال به بیش از 100 شرکت های عضو، رشد در 22 کشور جهان است. عضویت در آوریل سال 2005 به بیش از 150 شرکت رشد کرده بود، و دسامبر 2005 از عضویت 200 شرکت منتقل شده بود. ویژگی ZigBee در 14 دسامبر 2004 تصویب شد. اتحادیه ZigBee در دسترس بودن از خصوصیات 1.0 را در 13 ژوئن سال 2005 اعلام کرد و به عنوان ZigBee 2004 مشخصات شناخته شد. در سپتامبر سال 2006، ZigBee مشخصات اعلام شده است. در سال 2007، ZigBee PRO، افزایش ZigBee مشخصات نهایی شد. اولین مورد در حال حاضر به نام ZigBee 2004 معروف شد. انتشار نسخه دوم به نام ZigBee سال 2006 بود و به طور عمده جایگزین MSG / کوپ دهی ساختار در سال 2004 با "کتابخانه خوشه" شد. نسخه سال 2004 در حال حاضر بیشتر منسوخ است. ZigBee 2007، در حال حاضر انتشار نسخه فعلی، شامل دو پروفیل پشته، مشخصات پشته1 (به سادگی به نام های ZigBee)، برای منزل و استفاده تجاری نور، و مشخصات پشته 2 (نام های ZigBee PRO) می باشد. ZigBee PRO ویژگی های بیشتر ارائه می دهد ، از جمله به عنوان ریخته گری ، مسیریابی و امنیت بالا با تبادل کلید کلید متقارن (SKKE)، در حالی که های ZigBee (مشخصات پشته 1) رد پای کوچکتر را در RAM و Flash را ارائه می دهد. هر دو شبکه مش پیشنهاد کامل و کار با پروفیل های ZigBee نرم‌افزار است.
سخت افزار رادیو
طراحی رادیویی استفاده شده توسط ZigBee با دقت و هزینه کم در مقیاس بزرگ تولید بهینه شده است. گرچه با رادیوهای ارزان، فرایند احراز صلاحیت ZigBee شامل اعتبار کامل از الزامات لایه فیزیکی است. تمامی رادیوهای مشتق شده از همان اعتبار مجموعه نیمه هادی که همان ویژگی های RF را داراست بهره می برند. یک لایه uncertified فیزیکی که اختلال در عملکرد دارد می تواند طول عمر باتری دستگاه های دیگر بر روی شبکه ZigBee را مختل کند. رادیو ZigBee دارای محدودیت های بسیار تنگ بر روی قدرت و پهنای باند است. بنابراین، رادیو با هدایت داده شده در بند 6 از آزمایش 802.15.4 -2006 استاندارد است. اکثر فروشندگان قصد به ادغام رادیو و میکروکنترلر را بر روی یک تراشه تنها کوچکتر شدن دستگاه است. این استاندارد مشخص عمل بدون مجوز 2.4 گیگاهرتز (در سراسر جهان)، 915 مگاهرتز (آمریکا و استرالیا) و 868 مگاهرتز (اروپا) باند ISM می باشد. شانزده کانال در 2.4 گیگاهرتز باند، با نیاز به هر یک از کانال 5 مگاهرتز از پهنای باند اختصاص داده شده است . باند 2.4 گیگاهرتز فراهم می کند تا به 250 کیلوبیت / ثانیه، 915 مگاهرتز فراهم می کند تا از 40 کیلوبیت / ثانیه و 868 مگاهرتز نرخ داده ها را فراهم می کند تا 20 کیلوبیت / ثانیه است. توان داده های واقعی خواهد بود کمتر از حداکثر نرخ بیت مشخص شده به دلیل بسته سربار و تاخیر پردازش است. رادیوهای مستقیم دنباله با استفاده از برنامه نویسی، گسترش طیف است که توسط جریان های دیجیتال به مدولاتور مدیریت کلید زنی تغییر فازی دوتایی (BPSK) در باند 868 و 915 مگاهرتز استفاده می شود، و کلید زنی تغییر فازی مربع (OQPSK) که جبران انتقال دو بیت در هر نماد است که در باند 2.4 گیگاهرتز مورد استفاده قرار می گیرد. خام، بیش از حد هوا نرخ داده 250 کیلوبیت / ثانیه در هر کانال در باند 2.4 گیگاهرتز، 40 کیلوبیت / ثانیه در هر کانال در باند 915 مگاهرتز، و 20 کیلوبیت / ثانیه در باند 868 مگاهرتز می باشد. انتقال دامنه بین 10 و 75 متر است [ نیازمند منبع ] (33 و 246 فوت) و تا 1500 متر برای های ZigBee PRO [ نیازمند منبع ]، با وجود آن که به شدت وابسته به محیط خاص است. قدرت خروجی از رادیو، 0 DBM (1 مگاوات) است.
نرم‌افزار
این نرم‌افزار طراحی شده است تا به راحتی به ریزپردازنده های کوچک، ارزان اتصال یابد.
لایه شبکه
توابع اصلی لایه شبکه را قادر می سازد تا استفاده درست از MAC sublayer و فراهم کردن یک رابط مناسب برای استفاده توسط لایه بعدی بالا، یعنی لایه کاربردی است. قابلیت ها و ساختار آن ها به طور معمول به لایه شبکه مانند، از جمله مسیریابی همراه است. از یک سو، موجودیت داده ها ایجاد و مدیریت لایه شبکه واحد اطلاعات از اجناس مقرون بصرفه برای حمل و نقل از لایه کاربرد و انجام مسیریابی بر اساس توپولوژی است. از سوی دیگر، کنترل لایه استفاده شده است که برای رسیدگی به پیکربندی دستگاه های جدید و ایجاد شبکه های جدید وجود دارد.این کنترل همچنین می تواند حضور یک گیرنده را در نظر بگیرد که اجازه می دهد تا ارتباط مستقیم و هماهنگی MAC را تشخیص دهد. AODV پروتکل مسیریابی مورد استفاده توسط لایه شبکه است . به منظور پیدا کردن دستگاه مقصد، آن را پخش کردن یک درخواست مسیر را به تمام همسایگان خود است.
لایه کاربردی
لایه کاربردی، بالاترین لایه سطح با مشخصات تعریف شده است و رابط کاربری مؤثر با سیستم ZigBee به کاربران نهایی خود دارد. این شامل اکثریت از اجزای اضافه شده توسط: مشخصات ZigBee: هر دو ZDO و روشهای مدیریت آن، همراه با اجسام نرم‌افزار تعریف شده توسط تولید کننده است.
اجزای اصلی
ZDO مسئول برای تعریف نقش از یک دستگاه به صورت هماهنگ یا دستگاه پایان است، همانطور که در بالا ذکر شد، بلکه همچنین برای کشف جدید (هاپ) دستگاه موجود بر روی شبکه شناسایی می شود. سپس آن را ممکن است در برای ایجاد پیوند امن با دستگاه های خارجی و یا پاسخ به درخواست الزام آور بر این اساس بکار برند. نرم‌افزار sublayer پشتیبان (APS) از سوی دیگر جزء استاندارد از لایه اصلی است، و به همین دلیل آن را ارائه می دهد یک رابط به خوبی تعریف شده و خدمات کنترل است. آن را به عنوان یک پل بین لایه شبکه و سایر اجزاء از لایه کاربرد این نسخه ها کار می کند و آن را نگه می دارد تا به جدول الزام آور در فرم از یک پایگاه داده، که می تواند مورد استفاده قرار گیرد برای پیدا کردن دستگاه های مناسب بسته به نوع خدمات مورد نیاز و کسانی که دستگاه های مختلف را ارائه می دهند. به عنوان اتحادیه بین دو لایه مشخص شده، آن را نیز راه پیام در سراسر لایه های پشته پروتکل می داند.