13 лет назад 9 сентября 2005 в 2:29 51

ПЕРЕД ВАМИ ВИННИ-ПУХ. ТО ЕСТЬ НЕ ВИННИ-ПУХ, А НОВЫЙ СТАНДАРТ БЕСПРОВОДНОЙ СВЯЗИ ZIGBEE, СПЕЦИФИКАЦИИ КОТОРОГО БЫЛИ ОДОБРЕНЫ В КОНЦЕ 2004 ГОДА ОДНОИМЕННЫМ АЛЬЯНСОМ, СФОРМИРОВАННЫМ КРУПНЕЙШИМИ ПРОИЗВОДИТЕЛЯМИ ЭЛЕКТРОНИКИ, И КОТОРЫЙ, СУДЯ ПО ВСЕМУ, НАЧИНАЕТ СВОЕ БУРНОЕ ШЕСТВИЕ ПО ПЛАНЕТЕ.

Глава 1. В которой мы знакомимся с Винни-Пухом и несколькими пчелами
В основе Винни-Пуха, то есть, тьфу, ZigBee лежит утвержденный полутора годами ранее стандарт IEEE 802.15.4. Не слыхали о таком? И неудивительно. Мало ли технологий изобретается, далеко не все они быстро находят свое воплощение в продуктах. До сих пор малая распространенность стандарта IEEE 802.15.4 была связана с тем, что после утверждения спецификаций участники рынка беспроводной связи ждали завершения работ над его практическим обобщением — ZigBee, — которое должно было обеспечить гарантированную совместимость устройств разных производителей в работе.

Итак, что же такое ZigBee и для каких целей его придумали? Есть ведь Wi-Fi, Bluetooth (которые, кстати говоря, также являются “надстройками” — над стандартами IEEE 802.11 и 802.15.1 соответственно), WiMAX опять же начал внедряться… К сожалению, тигры не лазают по деревьям — для многих целей эти технологии малопригодны или непригодны совсем. Самым главным недостатком упомянутых технологий является высокая прожорливость по отношению к ресурсам энергопитания.

Мало того, что регулярная замена батарей ничего, кроме неудобств и дополнительных трат, не приносит, так она еще и ограничивает спектр применения. Как раз там, где Wi-Fi и Bluetooth беспомощно поднимают лапки вверх, должен пригодиться ZigBee. Где конкретно, поговорим чуть ниже, а пока посмотрим, как функционируют сети, использующие стандарты IEEE 802.15.4 и ZigBee и обеспечивающие беспроводную связь в сетях “персонального” значения WPAN (Wireless Personal Area Network).

Сеть ZigBee использует три иерархически связанных типа устройств, отличающихся функциональностью. Вот какими бывают “правильные” пчелы.

– Сетевой координатор (PAN coordinator), содержащий “базу знаний” о сети, ее топологии и устройствах. Это самый продвинутый модуль, оснащенный большим количеством памяти и наибольшей вычислительной мощностью.

– Полнофункциональное устройство (Full Function Device, FFD), которое поддерживает все определяемые стандартом 802.15.4 функции и может транслировать “чужие” данные.

– Малофункциональное устройство (Reduced Function Device, RFD) – реализует ограниченные возможности, работает только со “своими” данными, но, как большинство оконечных устройств, является самым дешевым в реализации.

Исходя из возможностей узлов сети, ее топология может быть трех видов: классическая звезда, в вершине которой находится координатор; самоорганизующаяся ячейка с перекрестными связями и многопутевым роумингом; кластерное дерево (особый случай ячейки) с преимущественно полнофункциональными устройствами. В общем, легкий намек на пчелиные соты в названии технологии присутствует не случайно.

Глава 2. В которой Винни-Пух пошел в гости, а попал в безвыходное положение
Трудность в реализации всякой беспроводной технологии заключается в поиске подходящего частотного диапазона — чем позже разрабатывается стандарт, тем меньше свободного места в эфире. С учетом особенностей лицензирования эфира в разных странах стандартом IEEE 802.15.4 была предложена схема использования 27 каналов в трех диапазонах: в общемировом – 2,4 ГГц (16 каналов), дополнительном американском – 915 МГц (10 каналов) и дополнительном европейском – 868 МГц (1 канал). Намеренно старушку Европу не обделяли – слишком много стран, эфир забит до предела.

Пропускная способность зависит от диапазона передачи: наибольшая (250 кбит/с) достигается при использовании устройств 2,4 ГГц, наименьшая — 868 МГц (см. таблицу). А вот рабочая дальность находится в обратной зависимости: самые медленные беспроводные модули являются самыми дальнобойными.

Глава 3. В которой Пух и Пятачок отправились на охоту и чуть-чуть не поймали Буку
Нижние два уровня (физический PHY и уровень доступа к среде MAC) используются с сохранением всех возможностей, определенных в IEEE 802.5.14. ZigBee добавляет к этому спецификацию сетевого и прикладного уровней, а также средства безопасности с использованием аутентификации и 128-битного шифрования AES.

Устройства всех типов могут передавать данные периодически, по мере поступления событий, или в режиме тайм-слотов. Доступ к среде осуществляется двумя возможными способами. Первый — с контролем несущей (CSMA-CA, Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) и предупреждением коллизий, когда передача становится возможна, только если эфир свободен – в таком варианте подтверждается успешное принятие пакетов. Второй — с фреймовой структурой. В этом режиме, предназначенном для гарантированного выделения полосы пропускания нужному устройству, сетевой координатор осуществляет управление сетью с сигнализацией, освобождая от конкуренции доступ к каналу.

Глава 4. В которой Иа-Иа теряет хвост, а Пух находит
А теперь самое интересное — энергопотребление. То, ради чего все и затевалось. Самый близкий к ZigBee по расходуемой мощности стандарт — Bluetooth, мгновенные энергопотребления весьма сходных по реализации трансиверов в режиме активности приблизительно равны (30 и 40 мА соответственно).

Дальше начинаются различия: в технологии Bluetooth из-за реализованных механизмов QoS мощность расходуется по времени значительно “дольше”, что на практике выливается в необходимость регулярной подзарядки либо использования дополнительных источников питания или работы от сети. ZigBee-устройства в активной фазе находятся очень короткий срок, в режиме же глубокого сна (Deep Sleep) пребывают почти все время (изредка проверяя “корреспонденцию”), к тому же они сидят на жесточайшей диете: потребляемый ток составляет всего 1-10 ?А. Вдумайтесь: в тысячи раз меньше, чем в период работы приемопередатчика! Становится понятно, почему производители обещают годы автономной работы ZigBee-модулей. Да и батареи будут в подавляющем большинстве случаев неперезаряжаемыми.

Теперь, когда мы прояснили основные особенности технологии ZigBee, самое время определиться со сферами ее использования. Их действительно много, основная — интеграция различных сенсоров и датчиков в системы беспроводного мониторинга управления. Контроль климатической обстановки, параметров окружающей среды дома и на производстве, разнообразная сигнализация, телеметрия в медицине, на транспорте и многое другое.

Глава 5. В которой Пятачок встречает Слонопотама
Один из главных вопросов применения нового стандарта касается готовых платформ. Стоило ZigBee-альянсу объявить о принятии спецификаций, как они (платформы) тут же появились. Первой универсальное решение от одного производителя представила компания Freescale Semiconductor. Если вам не знакомо это имя, не пугайтесь: под новым названием выступает хорошо известный производитель – Motorola, выделившая полупроводниковое производство в самостоятельную компанию. Freescale Semiconductor продолжает производство и поставку всей номенклатуры микроконтроллеров и микропроцессоров, выпускавшейся под маркой прародителя. Как Intel поставляет сборщикам материнских плат чипсеты, так и Freescale предложила множеству компаний оснащать свои устройства интерфейсом нового типа, не тратя время и средства на собственные разработки.

Слонопотам, то бишь платформа ZRP-1, представлен несколькими разновидностями, отличающимися функциональностью (чипсеты снова приходят на ум, не правда ли?). Топовый набор, содержащий радиомодем и полный стек протоколов ZigBee, Freescale Semiconductor позиционирует как хорошую добавку в кулинарное меню производителей мобильных телефонов. Но платформа – это не только радиомодем, а еще и программируемый микроконтроллер (либо цифровой сигнальный процессор, DSP), на плечи которого ложится вся работа по превращению набора микросхем в законченное ZigBee-решение.

Специализированные микроконтроллеры взаимодействуют с чипом радиомодема через последовательный интерфейс SPI (Serial Peripheral Interface). Для разных приложений можно подобрать соответствующие требуемому уровню производительности процессоры: ColdFire, HCS12, i-MX и другие. Freescale поставляет также референсный дизайн плат и антенн, с помощью которых дальнодействие с десятков метров увеличивается до сотен.

Если Слонопотамы в стоакровом ZigBee-лесу встречаются еще достаточно редко, то остальная живность плодится вовсю. Производители почувствовали перспективу и объявляют новинки с вселяющей оптимизм регулярностью.

Глава 6. В которой Пятачок совершенно окружен водой
Компания Raymarine – один из крупных разработчиков навионики (навигационного оборудования) – выпустила радиоуправляемый комплекс для спортивных катеров, который называется S1000. Система состоит из беспроводного пульта управления S100, курсового компьютера с автопилотом и разъемом для подключения дисплея, гидравлической помпы SmartPilot (она отвечает за рулежку). Комплекс оборудуется GPS-системой, что позволяет использовать бортовой компьютер для задания таких сложных траекторий движения, как спирали, круги, восьмерки, зигзаги и т. д. Все перечисленные фигуры катер может описывать для загона Той_Самой_Рыбы, на которую люди, занимающиеся экстремальной спортивной рыбалкой, охотятся с большим энтузиазмом. Пульт управления, отображающий статус автопилота и уровень мощности сигнала, использует ZigBee-технологию.

Глава 7. В которой для Иа-Иа строят дом на Пуховой опушке
Естественно, самое очевидное применение нового стандарта — полноценный мониторинг домашних систем жизнеобеспечения и управление ими. За эту идею моментально ухватилось великое множество компаний, ежедневно рапортующих в Сети о воплощаемых или уже исполненных проектах.

Часть из них серьезно разрабатывает HVAC-направление (heating, ventilation and air-conditioning — в общем, климат), кое-кто ринулся осваивать мониторинг водозабора, газовых и электрических систем, а некоторые ударились в управление приусадебными участками (полив растений, гаражная автоматика, системы видеонаблюдения и сигнализации). Что и говорить, прогнозы отдельных аналитиков, предвещающих через пяток-другой лет по сто-двести датчиков нового стандарта в каждом доме, не кажутся такими уж раздутыми, если попытаться вспомнить хотя бы то электрооборудование, управление которым можно прямо сейчас отдать на откуп ZigBee.

Но было бы неправильно думать, что никто до сих пор не пытался стандартизировать системы домашней автоматики. Пытались, и многие компании, однако монополию установить никому так и не удалось – альянсов не создавали, предпочитали конкурировать. На сегодняшний день лидирующие позиции занимает стандарт X-10 (сейчас X-10 Pro), впервые представленный в 1978 году.

Для передачи управляющих сигналов в этом формате используется обычная электрическая сеть (“нулевой” провод), логический ноль кодируется импульсом длительностью 1 мс на частоте 120 кГц, а ноль — его отсутствием. Устройства в сети X-10 состоят из приемников, передатчиков и двунаправленных устройств, умеющих докладывать о своем состоянии. Такого набора вполне достаточно для управления освещением и бытовыми приборами, отпиранием/запиранием дверей. А вот для сколько-нибудь значимой коммуникации — нет, ибо скорость передачи ограничена 60 бит/с, что по нынешним меркам скоростью считать как-то неловко…

ZigBee вселил второе дыхание в системы домашней автоматики и к уже привычным функциям добавил совершенно новые. Например, компания Eaton Electrical (www.homeheartbeat.com) поставляет комплексные системы, предназначенные для удаленного слежения за пожилыми родителями и домашними любимцами. Есть масса чувствительных людей, которые постоянно волнуются о своих близких и переживают, заперта ли дома входная дверь, выключен ли газ и тому подобное.

Особенно приходится нервничать, если заботиться надо о людях с ограниченной дееспособностью. Новые средства дистанционного контроля за жилищем помогут сберечь немало нервных клеток его хозяевам. Ну а проектам привычной (у них там, за границей) комплексной автоматизации просто нет числа. Вот перечисление навскидку тех устройств, которые обязательно найдутся в ближайшем будущем в высокоавтоматизированной ZigBee-берлоге:

– домашний сервер, осуществляющий коммуникации с сенсорами различного предназначения, работает под управлением настраиваемого ПО, обслуживает нужды всех домочадцев;
– коммуникации с внешним миром, обеспечивающие работу различных систем ZigBee-сигнализации, в том числе – медицинской;
– компьютерная периферия (джойстики, мыши);
– домашние развлечения (аудио, видео);
– охранная система;
– система интеллектуального освещения в доме и на прилегающей территории (с датчиками присутствия человека);
– система управления расходом воды, газа;
– встроенная (вероятнее всего, в часы) система мониторинга здоровья: пульс, давление, температура;
– всяческие таймеры-будильники;
– климат-контроль;
– бытовая техника по требованию (кофеварки и т. д.);
– система кормления домашней живности по расписанию;
– система ухода за растениями дома и на приусадебном участке;
– отслеживание перемещений домашних животных (чтобы кошка в аквариуме рыбку не ловила).

В общем, все ограничено лишь воображением. Многие из перечисленных систем уже продаются: интересные, в том числе по дизайну, решения представлены на сайте компании Control4 (www.control4.com). Свет, музыку и видео можно поставить под контроль ZigBee уже сейчас — кстати, цены на предлагаемые решения совсем не кусаются.

Глава 8. В которой мы оставляем Кристофера Робина и Винни-Пуха в зачарованном месте
Конечно, определенный скепсис в отношении перспектив развития технологии ZigBee все же имеется. Он, в частности, обусловлен некоторым количеством фальстартов, уже имевших место. Про многие анонсированные на крупных международных выставках продукты ни слуху, ни духу. И телефоны с ZigBee-модулем были прорекламированы (Pantech-Curitel), и полезные прибамбасы для обладателей наладонников и смартфонов анонсированы (SDIO-модуль от ребят из С-Guys, www.c-guysusa.com), а в продаже их пока нет. Вероятнее всего, дело тут в инерции рынка, которому надо сначала выплеснуть критическую массу универсальных решений с платформенной поддержкой, после чего девятый вал продуктов станет вполне осязаемым.

Зато аналитикам холодный ум и трезвые расчеты подсказывают, что уже в этом году может быть произведено от 5 до 100 млн. чипов с поддержкой ZigBee. Согласно прогнозам компании Frost&Sullivan, к 2008 году продажи ZigBee-устройств достигнут 700 (!) млн. долларов. Цифра внушительная, поскольку примерная цена ZigBee-чипа составляет $2-5. Самые оптимистичные прогнозисты утверждают, что через пару лет количество ZigBee-модулей в каждом доме будет исчисляться десятками и даже сотнями.

Отсутствие поддержки стека протоколов TCP/IP не позволит ZigBee использоваться в качестве платформы для передачи больших объемов данных (весь стек протоколов ZigBee умещается примерно в 30 кб). Однако там, где требуются экономичные беспроводные сенсорные сети, у новой технологии пока конкурентов нет. Несмотря на относительно небольшую скорость, для огромного количества приложений – систем автоматики и контроля, беспроводных интерфейсов манипуляторов и игровых консолей, бытовых и промышленных беспроводных сенсоров – ZigBee имеет реальные преимущества за счет мизерного энергопотребления и незначительных размеров реализующей этот стандарт электроники.