Η ασύρματη τεχνολογία ZigBee

.

Η ασύρματη τεχνολογία και τα πρότυπα δικτύωσης, μας παρέχουν έναν πολύ βολικό τρόπο ανταλλαγής πληροφοριών. Υπάρχει μια δυναμική εξέλιξη στον τομέα της ασύρματης επικοινωνίας και υπάρχουν αρκετές τεχνολογίες όπως το WiFi, το Bluetooth, οι κινητές επικοινωνίες (Cellular Networks), το RFID, το NFC, το WiMAX, το ZigBee, αλλά και πληθώρα άλλων πρωτόκολλων.

Η ασύρματη τεχνολογία και τα πρότυπα δικτύωσης, μας παρέχουν έναν πολύ βολικό τρόπο ανταλλαγής πληροφοριών. Υπάρχει μια δυναμική εξέλιξη στον τομέα της ασύρματης επικοινωνίας και υπάρχουν αρκετές τεχνολογίες όπως το WiFi, το Bluetooth, οι κινητές επικοινωνίες (Cellular Networks), το RFID, το NFC, το WiMAX, το ZigBee, αλλά και πληθώρα άλλων πρωτόκολλων. Ποιος είναι όμως ο ρόλος της τεχνολογίας ZigBee και που συναντάμε το ασύρματο πρωτόκολλο σήμερα;

Η ασύρματη τεχνολογία ZigBee ταιριάζει σε μια αγορά που δεν καλύπτεται πλήρως από άλλες παρόμοιες τεχνολογίες. Για παράδειγμα, άλλες ασύρματες τεχνολογίες, όπως το Wi-Fi και το Bluetooth προσπαθούν να πάνε πιο «γρήγορα», προσθέτουν περισσότερες δυνατότητες και παρέχουν ροή περιεχομένου υψηλής ευκρίνειας. Αντίθετα, η τεχνολογία ZigBee έχει σχεδιαστεί για χαμηλές ταχύτητες μεταφοράς δεδομένων και ελέγχει απλές συσκευές όπως LEDs, θερμοστάτες κ.ά.

Παρόλο που η τεχνολογία ZigBee έχει πολλές εφαρμογές όπως ο στρατός, αλλά και η αυτοματοποίηση οικιακού εξοπλισμού, η κύρια κατηγορία στην οποία έχει στοχεύσει είναι  το ασύρματο δίκτυο αισθητήρων-WSN.

Ένα ασύρματο δίκτυο αισθητήρων αποτελείται από διασκορπισμένους αυτόνομους αισθητήρες για την παρακολούθηση φυσικών ή περιβαλλοντολογικών συνθηκών, όπως η θερμοκρασία, ο ήχος, η ατμοσφαιρική πίεση κτλ. Τα δεδομένα που συλλέγουν μεταφέρονται μέσω δικτύου σε μια συγκεκριμένη τοποθεσία. Τα πιο μοντέρνα δίκτυα είναι ικανά και να δίνουν αλλά και να δέχονται πληροφορίες πράγμα που τους επιτρέπει να ελέγχουν την δραστηριότητα των αισθητήρων. Το κίνητρο για την ανάπτυξη των ασύρματων δικτύων με αισθητήρες ήταν οι στρατιωτικές εφαρμογές, όπως η παρακολούθηση των πεδίων μάχης. Σήμερα τέτοια δίκτυα χρησιμοποιούνται σε πολλές καταναλωτικές και βιομηχανικές εφαρμογές, για την παρακολούθηση και τον έλεγχο της βιομηχανικής παραγωγής, την παρακολούθηση των μηχανημάτων υγείας και πολλά άλλα.

Το ασύρματο δίκτυο αισθητήρων αποτελείται από κόμβους – από μερικές σε αρκετές εκατοντάδες ή ακόμα και χιλιάδες, όπου κάθε κόμβος συνδέεται σε έναν (ή κάποιες φορές σε αρκετούς) αισθητήρες. Κάθε τέτοιος κόμβος του δικτύου αισθητήρων έχει χαρακτηριστικά μερικά κομμάτια: ένα ραδιο-πομποδέκτη με μια εσωτερική κεραία ή μια σύνδεση με μια εξωτερική κεραία, ένα μικροελεγκτή, ένα ηλεκτρονικό κύκλωμα για τη διασύνδεση με τους αισθητήρες και μια πηγή ενέργειας, συνήθως μια μπαταρία ή μια ενσωματωμένη μορφή συγκομιδής ενέργειας (π.χ. φωτοβολταϊκό).

Η τεχνολογία ZigBee

Πρόκειται για μία τεχνολογία που δημιουργήθηκε, όπως και το Bluetooth, με στόχο την εξυπηρέτηση των ασύρματων προσωπικών δικτύων και η οποία βασίζεται στο πρότυπο ΙΕΕΕ 802.15.4. Όπως και οι περισσότερες ασύρματες τεχνολογίες και η τεχνολογία ZIGBEE παρουσιάζει λειτουργία στο φάσμα ISM των 2.4 GHz. Η εμβέλεια της όσον αφορά τη μετάδοση φτάνει έως και 100 μέτρα, έχοντας μέγιστη ταχύτητα τα 250 Kbps. Ωστόσο, η συχνότητα της λειτουργίας της μπορεί να εκπέμπει και στα 868 MHz και στα 915 MHz, ανάλογα την χώρα.

Εφόσον μιλάμε για χαμηλά ποσοστά δεδομένων της τεχνολογίας Zigbee από την αρχή, ας δούμε τα ποσοστά δεδομένων που υποστηρίζει το εν λόγω πρωτόκολλο. Οι ρυθμοί δεδομένων στην τεχνολογία Zigbee εξαρτώνται από τη ζώνη συχνοτήτων. Για παράδειγμα, η ζώνη των 868 MHz υποστηρίζει ρυθμό μεταφοράς δεδομένων 20 kbps, ενώ η συνηθέστερη ζώνη 2,4 GHz υποστηρίζει ταχύτητες δεδομένων μέχρι 250 kbps.

Ιδιαίτερα γνωρίσματα της τεχνολογίας ZIGBEE αποτελούν η εξαιρετικά χαμηλή κατανάλωση ισχύος που απαιτείται σε πληθώρα σύγχρονων εφαρμογών και το σχετικά μικρό της κόστος χρήσης, αλλά και εγκατάστασης. Παράλληλα είναι σε θέση να χρησιμοποιήσει μη αδειοδοτημένες ραδιοσυχνότητες. Ακόμη, μπορεί να δημιουργήσει ευέλικτα και επεκτάσιμα δίκτυα, καθώς και να ενσωματώσει νοημοσύνη με στόχο να αποκατασταθούν δίκτυα και να δρομολογηθούν μηνύματα.

Δύο παραδείγματα στα οποία η ασύρματη τεχνολογία βρίσκει εφαρμογή είναι η παρακολούθηση ασθενών στο σπίτι, όπου ένας ασθενής φορά μια συσκευή Zigbee, η οποία συλλέγει περιοδικά τις πληροφορίες, όπως η πίεση του αίματος και ο καρδιακός ρυθμός. Αυτά τα δεδομένα διαβιβάζονται ασύρματα σε έναν τοπικό server (όπως ένας υπολογιστής) στο σπίτι του ασθενή. Ο τοπικός server εκτελεί βασική ανάλυση και οι ζωτικές πληροφορίες αποστέλλονται στον ιατρό μέσω διαδικτύου. Μια άλλη εφαρμογή του Zigbee είναι η δομική παρακολούθηση της υγείας ενός κτιρίου. Αυτή η εφαρμογή είναι πολύ χρήσιμη σε περιοχές όπου είναι επιρρεπείς σε σεισμούς. Διάφοροι ασύρματοι αισθητήρες με βάση το Zigbee, όπως τα επιταχυνσιόμετρα, είναι εγκατεστημένοι σε ολόκληρο το κτίριο. Αυτοί οι αισθητήρες, που σχηματίζουν ένα ασύρματο δίκτυο συσκευών, συλλέγουν πληροφορίες που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την ανίχνευση σημείων βλάβης και την αξιολόγηση του εάν το κτίριο είναι ασφαλές για το κοινό ή όχι.

Γιατί τόσο χαμηλά ποσοστά δεδομένων στο Zigbee;

Όταν άλλες ασύρματες τεχνολογίες όπως το Wi-Fi και το Bluetooth στοχεύουν στην παροχή υψηλής ταχύτητας μεταφοράς δεδομένων, γιατί οι ρυθμοί δεδομένων στο πρότυπο Zigbee είναι τόσο χαμηλοί; Η πρόθεση πίσω από την ανάπτυξη της τεχνολογίας Zigbee είναι να χρησιμοποιηθεί για την ασύρματη παρακολούθηση και τον έλεγχο. Η ποσότητα των πληροφοριών και η συχνότητα επικοινωνίας σε τέτοιου τύπου εφαρμογές είναι πολύ λιγότερη. Παρόλο που είναι δυνατό για ένα δίκτυο IEEE 802.15.4 να επιτύχει υψηλούς ρυθμούς δεδομένων, η τεχνολογία Zigbee, η οποία βασίζεται στο IEEE 802.15.4, δεν έχει σχεδιαστεί για να το κάνει.

Το Zigbee και το IEEE 802.15.4 δεν είναι ακριβώς τα ίδια

Το IEEE 802.15.4 είναι ένα τεχνικό πρότυπο που ορίζεται και συντηρείται από την IEEE (IEEE 802.15 Working Group) που ορίζει τις λειτουργίες WPAN (Wireless Personal Area Networks) χαμηλής ταχύτητας δεδομένων. Το Zigbee, από την άλλη πλευρά, είναι ένα πρωτόκολλο δικτύου, το οποίο σχεδιάστηκε και συντηρείται αποκλειστικά από τη Zigbee Alliance και χρησιμοποιεί τα φυσικά και τα MAC layers του IEEE 802.15.4. Υπάρχουν και άλλα πρωτόκολλα δικτύωσης που βασίζονται στο IEEE 802.15.4, όπως το MiWi, το SNAP, το WirelessHART κ.λπ.

Zigbee, Bluetooth και IEEE 802.11

Η σύγκριση των τεχνολογιών IEEE 802.11, Bluetooth και Zigbee θα σας βοηθήσει να καταλάβετε πώς η τεχνολογία Zigbee είναι διαφορετική από άλλες ασύρματες τεχνολογίες που λειτουργούν στην ίδια ζώνη των 2,4 GHz. Υπάρχουν πολλά πρωτόκολλα στο IEEE 802.11, αλλά σε αυτή την περίπτωση εξετάζουμε το IEEE 802.11b, καθώς λειτουργεί στη ζώνη των 2,4 GHz.

Οι ρυθμοί δεδομένων του IEEE 802.11 μπορούν να φθάσουν τα 11 Mbps και η τυπική εφαρμογή αυτού του πρωτοκόλλου είναι η ασύρματη σύνδεση στο internet. Το εύρος του IEEE 802.11b φτάνει έως και τα 35 μέτρα σε εσωτερικούς χώρους και περίπου τα 100 μέτρα σε εξωτερικούς χώρους. Το Bluetooth είναι μία τεχνολογία γνωστή σε όλους μας και μία από τις πιο κοινές τεχνολογίες ασύρματης επικοινωνίας. Η δημοφιλής εφαρμογή του Bluetooth είναι ασύρματα ακουστικά. Οι ρυθμοί δεδομένων του Bluetooth είναι χαμηλότεροι από το IEEE 802.11 και είναι μικρότεροι από 3 Mbps. Η εσωτερική εμβέλεια του Bluetooth είναι μικρότερη από 10 μέτρα. Αναφορικά με την τεχνολογία Zigbee, αυτή έχει ταχύτητα δεδομένων στα 250 kbps, η οποία είναι και η χαμηλότερη σε σύγκριση με τις άλλες τεχνολογίες. Η εμβέλεια του Zigbee είναι μεταξύ 10 και 100 μέτρων.

Συσκευές ZigBee

Το Zigbee στοχεύει στη παροχή επικοινωνιακών δυνατοτήτων μεταξύ συσκευών ελέγχου και αισθητήρων, όπου και δεν απαιτείται μεγάλος χρόνος για αυτόνομη λειτουργία, καθώς επίσης και σε ευέλικτες τοπολογίες δικτύου. Στη περίπτωση εκείνη που επιδιώκεται η κατασκευή των συσκευών εκείνων όπου δεν απαιτούν μεγάλη ενέργεια, οι συσκευές Zigbee διακρίνονται σε δύο κατηγορίες: Τις συσκευές FFD (Full-Function Devices) ή πλήρους λειτουργικότητας και τις συσκευές RFD (Reduced-Function Devices) ή μειωμένης λειτουργικότητας. Οι συσκευές FFD είναι μόνιμα ενεργοποιημένες και έτσι η κατανάλωση μπορεί να φτάσει σε υψηλά επίπεδα. Αντίθετα, οι συσκευές μειωμένης λειτουργικότητας RFD, βρίσκονται αυτόματα σε κατάσταση τύπου «sleep mode» και μεταδίδουν δεδομένα σε περίπτωση ενός συμβάντος. Όλες οι συσκευές Zigbee μπορούν να διακριθούν σε συσκευές που έχουν πλήρη λειτουργία (συσκευές FFD) και σε συσκευές που εμφανίζουν περιορισμένες λειτουργίες (συσκευές RFD). Τα στοιχεία εκείνα που συναντώνται σε ένα δίκτυο Zigbee είναι, ο κεντρικός διαχειριστής, ο απλός διαχειριστής ή δρομολογητής και η  τερματική συσκευή (End Device).

Τοπολογίες ZigBee

Υπάρχουν τρεις τοπολογίες δικτύου για το Zigbee: η τοπολογία αστέρα (star topology), η δικτύωση σε πλέγμα (Mesh) και η τοπολογία Cluster Tree. Σε μια τοπολογία αστέρα, υπάρχει ένας συντονιστής και ένας αριθμός τερματικών συσκευών. Όλες οι τερματικές συσκευές συνδέονται με τον συντονιστή και είναι απομονωμένες, τόσο φυσικά όσο και ηλεκτρικά, δηλαδή δεν υπάρχει άμεση επικοινωνία μεταξύ τους. Όλες οι πληροφορίες πρέπει να περνούν μέσω του Συντονιστή. Όσον αφορά την δικτύωση τοπολογίας σε πλέγμα, αυτή περιλαμβάνει όλα εκείνα τα στοιχεία FFD, τα οποία μπορούν και επικοινωνούν αμφίδρομα το ένα με το άλλο, ενώ τα στοιχεία RFD μπορούν και αλληλεπιδρούν μόνο με το στοιχείο FFD, το οποίο και βρίσκεται πλησιέστερα σε αυτά. Σε αντίθεση με την τοπολογία αστέρα, η τοπολογία πλέγματος προσφέρει επικοινωνία κάθε τερματικής συσκευής με οποιαδήποτε άλλη συσκευή, με μόνη προϋπόθεση η μία να ανήκει στην εμβέλεια της άλλης. Στην τοπολογία Cluster Tree, οι τερματικές συσκευές συνδέονται στο δίκτυο μέσω του συντονιστή ή του δρομολογητή. Καθώς ο δρομολογητής Zigbee επεκτείνει την εμβέλεια του δικτύου Zigbee, η τερματική συσκευή δεν χρειάζεται να βρίσκεται στην περιοχή του Συντονιστή. Στη εν λόγω τοπολογία, οι τερματικές συσκευές δεν μπορούν να επικοινωνούν μεταξύ τους απευθείας, αλλά ο δρομολογητής μπορεί να επικοινωνεί με άλλους δρομολογητές και τον συντονιστή.

Οι εφαρμογές της τεχνολογίας ZigBee

Η τεχνολογία ZigBee έχει ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών, όπως ο οικιακός αυτοματισμός, αλλά και άλλες εφαρμογές, όπου οι συσκευές Zigbee μπορούν να αυξήσουν την απόδοση και να μειώσουν το κόστος. Μερικές από αυτές είναι τα συστήματα ασφαλείας, τα συστήματα ελέγχου φωτισμού, τα συστήματα HVAC, οι κονσόλες παιχνιδιών, τα ασύρματα τηλεχειριστήρια, οι βιομηχανικοί αυτοματισμοί, η παρακολούθηση προσωπικού, η πρόσβαση σε δωμάτια ξενοδοχείων, η υγειονομική περίθαλψη και οι ιατρικές συσκευές, η παρακολούθηση της ασφάλειας των τροφίμων κ.λπ.

{gallery}7379{/gallery}