1 2 3 4 5 6 7 8

2. Беспроводные технологии.

Беспроводные технологии имеют свои плюсы, которые являются минусами проводных:

  • Возможность установки в квартиры и дома с уже готовым ремонтом. При использовании полностью беспроводного выключателя, работающего на батарейках и посылающего сигнал исполнительному устройству – этот выключатель можно расположить там, где удобно.
  • Минимизированное количество проводов
  • Чаще всего предварительное проектирование системы автоматизации не является необходимым
  • На рынке продукции есть много систем с невысокой стоимостью

Беспроводные среды передачи сигналов, в отличие от проводных, могут быть развернуты в любой момент с минимальными изменениями в дизайне интерьера. Для них не нужно дополнительного оборудования помещения. При этом беспроводные устройства имеют ограниченный радиус действия, кроме того, могут существовать «глухие» зоны. На больших объектах требуется установка повторяющих устройств – репитеров. Также нужно учитывать возможный конфликт с другими беспроводными устройствами.

Наиболее распространенные беспроводные среды

Рисунок 2.1 – Наиболее распространенные беспроводные среды

2.1. Сравнение технологий IEEE 802.xx.

В качестве беспроводных технологий для автоматизации зданий в нашем случае больше всего подходит семейство IEEE 802.xx, благодаря их доступности и открытость, отсутствием проблем с сертифицированными устройствами.

Проведём их сравнение:

Таблица 2.1.1 – Характеристики технологий семейства IEEE 802.xx

Технология беспроводной передачи данных (стандарт) ZigBee

(IEEE 802.15.4)

Wi-Fi

(IEEE 802.11b)

Bluetooth

(IEEE 802.15.1)

Частотный диапазон 2,4-2,483 ГГц 2,4-2,483 ГГц 2,4-2,483 ГГц
Пропускная способность, кбит/с 250 11000 723,1
Размер стека протокола, кбайт 32-64 Более 1000 Более 250
Время непрерывной автономной работы, дни 100-1000 0,5-5 1-10
Максимальное количество узлов в сети 65536 10 7
Диапазон действия, м (средние значения) 10-100 20-300 10-100
Области применения Удалённый мониторинг и управление Передача мультимедийной информации (интернет, электронная почта, видео) Замещение проводного соединения

В качестве основной беспроводной технологии, с помощью которой будет осуществляться взаимодействие устройств выбрана ZigBee, поскольку она обладает некоторыми преимуществами перед другими средствами передачи данных, поскольку обладает их плюсами и лишена их минусов

Таблица 2.1.2 – Сравнение технологий семейства IEEE 802.xx

Wi-Fi ZigBee
Плюсы:

  • достаточная пропускная способность
  • сложные сетевые топологии
Есть (2,4 ГГц, 40кбит/с)
Минусы:

  • малая площадь покрытия
  • дороговизна
Преимущества:

  • автоматическая ретрансляция
  • недорогое исполнение
Bluetooth
Плюсы:

  • малое энергопотребление
Есть
Минусы:

  • малая дальность действия
Преимущества:

  • высокая дальность действия
  • мощность, разрешённая ГКРЧ

Рассмотрим основные недостатки, присущие беспроводным решениям в сравнении с ZigBee:

  • Радиоканал. Система, работающая по радиоканалу зависит от качества радиосвязи. Помехи от различных устройств, так же использующих радиоволны и высокочастотные колебания могут оказать негативное влияние на прохождение сигнала. Опять же, материал стен, растянутая по стене связка проводов, местонахождение дома – всё это может оказать критическое значение на силу сигнала.
  • Zigbee. Высокий уровень проникновения сквозь препятствия (стены, потолки) и стойкость к электромагнитным помехам (благодаря высокой частоте работы системы — 2,4 ГГц);
  • Батарейки. Если система работает на батарейках, то необходима их регулярная замена. Есть определенный риск неожиданного отключения оборудования
  • Zigbee. Длительное время работы без замены элементов питания и система оповещения о состоянии заряда устройств
  • Необходимость нулевого провода. В системах, использующих питание переменным током есть необходимость нулевого провода, а также фильтров для защиты от наводок сети. В классической проводке к выключателю подходит одна жила(фаза) и она же уходит к группе света. Поэтому требуется закладка дополнительного нулевого провода в коробку под выключатель.
  • ZigBee не использует сеть для питания элементов.
  • Ограниченность функционала. У большинства технологии имеется слабая функциональная база устройств, которая могла бы обеспечить стабильную полнофункциональную систему, управляющую всем, а не только светом и теплыми полами.
  • ZigBee имеет большую элементную базу и отличный выбор сертифицированных устройств, которые доступны под заказ по достаточно низкой стоимости.
  • Безопасность. Любая система, использующая радиоволны в качестве способа передачи информации подвержена глушению, внесению посторонней информации и другим пакостям со стороны злоумышленников
  • ZigBee обладает хорошей помехоустойчивостью и собственной системой криптозащиты.
  • Сложности в сертификации устройств различных диапазонов из-за возможного конфликта устройств, использующих близкие частоты.
  • В ZigBee используется открытый диапазон 2.4ГГц, который не требует сертификации.

Поскольку ZigBee не обладает вышеперечисленными недостатками, то рассмотрим эту технологию подробнее.

2.2. Описание ZigBee.

2.2.1. Устройства ZigBee

Сети ZigBee строятся из базовых станций трех основных типов: координаторов, маршрутизаторов и конечных устройств.

Координатор запускает сеть и управляет ею. Он формирует сеть, выполняет функции центра управления сетью и доверительного центра (trust-центра) – устанавливает политику безопасности, задает настройки в процессе присоединения устройств к сети, ведает ключами безопасности.

Маршрутизатор транслирует пакеты, осуществляет динамическую маршрутизацию, восстанавливает маршруты при перегрузках в сети или отказе какого-либо устройства. При формировании сети маршрутизаторы присоединяются к координатору или другим маршрутизаторам, и могут присоединять дочерние устройства – маршрутизаторы и конечные устройства. Маршрутизаторы работают в непрерывном режиме, имеют стационарное питание и могут обслуживать «спящие» устройства. Маршрутизатор может обслуживать до 32 спящих устройств.

Конечное устройство может принимать и отправлять пакеты, но не занимается их трансляцией и маршрутизацией. Конечные устройства могут подключаться к координатору или маршрутизатору, но не могут иметь дочерних устройств.

Конечные устройства могут переводиться в спящий режим для экономии заряда аккумуляторов. Именно конечные устройства имеют дело с датчиками, локальными контроллерами и исполнительными механизмами.

2.2.2. Формирование сети

Сеть ZigBee – самоорганизующаяся, и ее работа начинается с формирования. Устройство, назначенное при проектировании координатором персональной сети (PAN координатор), определяет канал, свободный от помех, и ожидает запросов на подключение.

Устройства, пытающиеся присоединиться к сети, рассылают широковещательный запрос. Пока PAN координатор – единственное устройство в сети, отвечает на запрос и предоставляет присоединение к сети только он. В дальнейшем присоединение к сети могут предоставлять также присоединившиеся к сети маршрутизаторы.          Устройство, получившее ответ на широковещательный запрос, обменивается с присоединяющим устройством сообщениями, чтобы определить возможность присоединения. Возможность определяется способностью присоединяющего маршрутизатора обслужить новые устройства в дополнение к ранее подключенным.

2.2.3. Вступление в сеть (присоединение)

Существует два способа присоединения: МАС ассоциация и повторное сетевое присоединение (NWK rejoin).

  • МАС ассоциация

МАС ассоциация доступна любому устройству ZigBee и осуществляется на МАС уровне. Механизм МАС ассоциации следующий:

Устройство, позволяющее присоединиться к нему, выставляет на МАС уровне разрешение на присоединение.

Устройство, вступающее в сеть, выставляет на МАС уровне запрос на присоединение и передает широковещательный запрос маячка.

Получив маячок от устройств, готовых подключить присоединяемое устройство, последнее определяет, в какую сеть и к какому устройству оно желает присоединиться, и выставляет на МАС уровне требование о вступлении с флажком «повторное присоединение» в значении FALSE.

Затем вступающее устройство направляет на выбранное для присоединения устройство запрос присоединения и получает ответ с присвоенным ему сетевым адресом.

При МАС ассоциации данные передаются не зашифрованными, поэтому МАС ассоциация не является безопасной.

  • Повторное сетевое присоединение

Повторное сетевое присоединение вопреки названию может применяться и при первичном присоединении. Оно выполняется на сетевом уровне. При этом, если вступающее устройство знает текущий сетевой ключ, обмен пакетами может быть безопасным. Ключ может быть получен, например, при настройке.

При повторном подключении присоединяющееся устройство выставляет на сетевом уровне запрос присоединения и обменивается с подключающим устройством пакетами «запрос присоединения» – «ответ на запрос присоединения».

2.2.4. Динамика сети

Кроме случаев присоединения новых устройств структура сети меняется и в случаях, когда устройства покидают сеть и повторно присоединяться в других местах (это происходит, например, в случае перезагрузки устройства).

На рисунке ниже – пример переподключения. Устройство с адресом «0E3B» переподключается как «097D», а затем как «0260». Каждый раз оно присоединяется к другому маршрутизатору и получает адрес из имеющегося в распоряжении присоединяющего маршрутизатора диапазона адресов.

Переподключение конечного устройства в древовидной сети

Рисунок 2.2.4.1 – Переподключение конечного устройства в древовидной сети

2.2.5. Сетевые протоколы

Протоколы, регламентированные стандартами IEEE 802.15.4 и ZigBee 2007 Specification, обеспечивают формирование и функционирование беспроводной сенсорной сети.

Стандарт IEEE 802.15.4 определяет физический и MAC уровни, а спецификация ZigBee определяет сетевой уровень и уровень приложений. На рисунке показан стек протоколов ZigBee.

Стек протоколов ZigBee

Рисунок 2.2.5.1 – Стек протоколов ZigBee

Таким образом этот протокол идеально подходит для самостоятельного создания системы автоматизации дома, поскольку имеет поддержку огромного количества устройств, не является необходимым к сертификации, элементы такой системы обладают низким энергопотреблением и большими возможностями к адаптации и расширению. По этим причинам был выбран именно он.

« Предыдущая Следующая »
Информация о файле
Киселев Д.А.
СибГУТИ