Технические науки /6. Электротехника и радиоэлектроника

П.В. Галкин, Д.В. Карловский

особенности реализации беспроводных сенсорных сетей на основе технологии ZIGBEE

Харьковский национальный университет радиоэлектроники

Одесская национальная академия связи им. А. С. Попова

В настоящее время одной из актуальных задач для систем промышленной телеметрии и домашней автоматизации остается вопрос передачи данных на небольшие расстояния. Беспроводные сети на базе стандарта IEEE 802.15.4 представляют собой альтернативу проводным соединениям в распределенных системах мониторинга и управления и отличаются более гибкой архитектурой, требуют меньших затрат при их установке и эксплуатации. Объединенные в беспроводную сенсорную сеть (БСС) датчики образуют территориально-распределенную самоорганизующуюся систему сбора, обработки и передачи информации.

Стандарт ZigBee регламентирует обмен данными на всех семи уровнях открытой модели взаимодействия систем OSI. При этом на двух нижних уровнях, на физическом и на уровне МАС, используется спецификация IEEE 802.15.4 [1]. Стандарт IEEE 802.15.4 содержит описание радиочастотной части сети ZigBee:

– типы модуляции (BPSK и O-QFSK);

– частотные диапазоны 868, 902 и 2400 МГц;

– скорость передачи 20, 40 или 250 кбит/с соответственно частотному диапазону (868, 902 и 2400 МГц).

Спецификация IEEE 802.15.4 выдвигает требования к безопасности передачи данных – обязательное использование шифрования 128-битным ключом по стандарту AES на уровне “Звена Данных” (Data link layer). Стандарт 802.15.4 предполагает наличие уникального 64-битного адреса на MAC уровне, а так же наличия дополнительного 16-ти битного сетевого адреса (PAN-ID) для определения принадлежности данного устройства к той или иной WPAN (Wireless Personal Area Network).

Беспроводные сенсорные сети, построенные на основе стандарта IEEE 802.15.4/ZigBee, являются единственной беспроводной технологией не критичной к времени автономной работы устройств. Основной возможностью для экономии энергии узлами сети является разрежение интервалов активности их устройств, и в первую очередь приемопередатчика, как основного потребителя. Для обеспечения разумного времени жизни сети, доля интервалов активности радиопередачи должна составлять порядка 0.1% от общего времени работы.

Определение времени включения передачи — задача алгоритмов уровня доступа к среде стека сетевых протоколов. Существующие алгоритмы отличаются друг от друга подходом к упорядочению периодов активности радио между узлами сети, способом определения готовности принимающей стороны, способом определения занятости среды передачи.

Вторым способом экономии на алгоритмическом уровне является многозвенная передача, то есть отправка сообщений из одной точки сети в другую по цепочке промежуточных узлов вместо прямой дальней радиопередачи.

Третий способ — по возможности обрабатывать данные измерений на узлах, так как в ряде задач предварительные вычисления на месте могут быть эффективнее передачи «сырых» данных в центр обработки. Это позволяет сократить объем данных, которые необходимо передать. А значит, уменьшить время работы сенсора в режиме передачи

Стандарт ZigBee Green Power предназначается для разработки беспроводных датчиков и контрольных систем. Технология беспроводной связи ZigBee постепенно набирает популярность. Она представляет собой альтернативу другим беспроводным технологиям для организации связи в системах «умного дома», системах наблюдения, контроля и учета товаров.

Устройства без внутренних источников питания должны получать энергию непосредственно из окружающей среды. Некоторые устройства такого рода снабжены солнечными батареями, другие преобразуют в электроэнергию механические колебания. Но в случае с беспроводными устройствами стандарта ZigBee наиболее перспективным представляется использование энергии радиоволн.

Когда устройство работающее по стандарту ZigBee планирует начать передачу, оно слушает, не занят ли эфир. Если обнаруживается "чужой" сигнал, то передатчик "засыпает" на случайный промежуток времени, а затем снова пробует начать передачу. В таком случае одновременно передача может исходить только от одного устройства, что повышает производительность сети. Однако необходимость ожидания свободного канала сказывается на скорости обмена сообщениями. В связи с этим, стандарт IEEE 802.15.4 – не самая скоростная беспроводная связь. Данные передаются относительно небольшими пакетами, что специфично для сетей управления и мониторинга. Важной особенностью стандарта является обязательное подтверждение доставки сообщений.

Протокол передачи подразумевает "засыпание" передатчика при отсутствии данных для пересылки, обеспечивая низкое энергопотребление устройств, соединенных по стандарту IEEE 802.15.4. Важная особенность протокола в том, что подобные "засыпания" не сказываются на сохранении подключения. Создавая стандарт, основной упор делался на быстроту процессов конфигурирования и переконфигурирования сети. К примеру, переход приемника в активное состояние займет порядка 10-15 мс; а добавление устройства в сеть – от 30 мс. Скорость добавления устройств и переконфигурации зависит от того, постоянно ли маршрутизаторы "слушают" сеть. Поэтому,если нужно, чтобы добавление устройства происходило быстро, маршрутизатор не может находиться на автономном питании. Сети WiFi и Bluetooth не могут обеспечить такого быстродействия.

Беспроводные сенсорные сети – это массив удалённых друг от друга устройств, малого размера, каждое из которых представляет собой независимый сенсор. Под сенсором понимается, что устройство выполняет конкретную функцию получения информации об окружающей среде тем или иным способом. Существуют сенсоры замеряющие температуру, влажность, атмосферное давление, световую активность, положение в пространстве, ускорение, наклон платформы, магнитные поля и т.д. Смысл сети заключается в том, что все сенсоры, входящие в такую сеть, сообщаются между собой и передают полученные данные на главный узел — гейт. С этого узла информация поступает на компьютер.

Проблемы для БСС это уменьшения энергопотребления, увеличение мобильности, сообщения узлов сети на дальних расстояниях. Сравнение стандартов для реализации БСС приведено в таблице 1.

Таблица 1 – Сравнение стандартов для реализации БСС

Параметр	IEEE 802.15.4/ZigBee			Z-Wave
Рабочая частота, МГц	860	908	2400	860	908
Скорость передачи данных, Кб	20	40	250	40
Число каналов	1	10	16	1
Число узлов	65535			До 232
Доступ к среде	CSMA-CA			случайный
Топология	“звезда” “многоячейковая” “дерево”			“многоячейковая”
Максимальное число скачков	не более 32			не более 4
Количество производителей	Chipcon(TI), Freescale, Ember, Atmel, ZMD и т.д.			Zensys

Как можно увидеть из таблицы 1, стандарт IEEE 802.15.4/ZigBee обладает значительно большей гибкостью. Можно отметить, что есть стандарт физического уровня, широкий выбор элементной базы, но программную часть потребитель вынужден реализовывать самостоятельно под свои конкретные нужды.

В промышленности сенсорные сети можно использовать для непрерывного мониторинга оборудования и предсказания его отказов или необходимости профилактического обслуживания с гораздо большей точностью, что позволит компаниям избежать дорогостоящих аварий или простаивания производственных линий.

Операционные системы для беспроводных сенсорных сетей менее сложны, чем универсальные операционные системы в силу ограниченности ресурсов в аппаратном обеспечении сенсорной сети. Из – за этого, операционной системе не нужно включать поддержку пользовательских интерфейсов. Оборудование беспроводных сенсорных сетей не отличается от традиционных встраиваемых систем, и поэтому для сенсорных сетей можно использовать встроенную операционную систему. TinyOS - первая операционная система, специально предназначенная для беспроводных сенсорных сетей. Потоки в TinyOS являются атомарными и, в отличие от потоков в других ОС, выполняются вплоть до своего завершения, хотя они и могут быть вытеснены событиями. TinyOS и программы для TinyOS написаны на специальном языке программирования necC, который является расширением языка Си.

Объединенные в беспроводную сеть, сенсоры могут отслеживать параметры окружающей среды: движение, свет, температуру, давление, влажность и т.д. Мониторинг может осуществляться на очень большой территории, потому что сенсоры передают информацию по цепочке от соседа к соседу. Технология позволяет им годами работать без смены батарей. В перспективе каждый из миллиардов сенсоров получит IP-адрес, и они даже могут сформировать нечто вроде Глобальной сенсорной сети.

Литература

1. IEEE Part 15.4: Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks (WPANs). Amendment 1: Add Alternate PHYs, 2007