مقاله معرفی فناوری بی سیم ZigBee

بخشی از مقاله

معرفی فناوري بی سیم ZigBee

چکیده - در این مقاله به معرفی فناوري بی سیم ZigBee پرداخته شده و ویژگ هاي آن به طور خلاصه مورد بررسی قرار میگیرند. ویژگ هایی نظیر نرخ ارسال پایین، مصرف پایین توان و عمر باتري زیاد، امکان داشتن تعداد گره هاي بیشتر در یک شبکه نسبت به تکنولوژيهاي ب سیمدیگر و استاندارد بودن محصولات آن باعث شده که این فناوري ب سیم در زمینه شبکههاي هوشمند مورد توجه قرار بگیرد. این فناوري داراي کاربردهاي مختلفی است که از میان آن ها م توان به انرژي هوشمند و اتوماسیون منازل و ساختمانها اشاره کرد. با استفاده از این فناوري کنتورهاي پیشرفته امکان اندازه گیري هوشمند انرژي و برقراري ارتباطات دو طرفه بین شرکت هاي توزیع و شبکه خانگی را فراهم م کنند و به این ترتیب مشارکت مصرف کنندگان در مدیریت انرژي و اجراي برنامههاي مدیریت بار را امکان پذیر م سازند.

کلید واژه- سیستمهاي ارتباط بی سیم، فناوري بی سیم .ZigBee

-1 مقدمه

فنـاوريهـایی ماننـد دسـتگاههـاي انـدازهگیـرى پیشـرفته دیجیتال، اتوماسیون توزیع، سیستمهاي مخابراتی ارزان قیمـت و توسعه تولیدات پراکنده در شکل گـرفتن شـبکه هوشـمند نقـش مهمی ایفا میکنند. یک شبکه هوشمند باید قابلیتهاي جدیدي داشته باشـد کـه قابلیـت اطمینـان بـالا، خـود التیـام دهنـدگی، مدیریت انرژي و قیمتدهـی بلادرنـگ از آن جملـه اسـت. بـراي رسیدن به این اهداف نیاز داریم که پارامترهاي نقاط متعـددي از شبکه را پایش و کنترل کنیم.

براي داشتن یک شبکه قدرت بینقص قابلیت هاي تشـخیص (sensing)، برقـــراري ارتبـــاط (communication) و پـــردازش (computation) از اهمیــت بــالایی برخوردارنــد. در هــر یــک از سطوح شبکه قدرت به شبکهاي از سنسورها، مونیتورها و وسـایل اندازهگیري بـراي رسـاندن اطلاعـات عملیـاتی بـه کنترلـر هـا و اطمینان از عملکرد بهینه سیستم نیاز است. در یک شبکه قـدرت هوشمند از فناوريهایی مانند مخابرات ارزان قیمت بیسـیم و بـا سیم، استانداردسازي IP، سنسورهاي مش ارزان قیمـت و مـاژول هـایی کـه از پروتکـلهـاي جدیـدي مثـل ZigBee و Z-Wave استفاده میکنند بهره گرفته میشود.

در شبکه هوشمند دستگاههاي اندازهگیرى پیشرفته بایـد در محل مصرفکننده نیز نصب شوند. این دستگاهها امکان برقـراري ارتبـاط دو طرفـه را داشـته و قـادر خواهنـد بـود کـه از راه دور سرویسها را قطع و وصل کنند، شکل موجها را ثبت کنند، ولتـاژ و جریان را پایش کرده و نیز زمان مصرف و قیمتهـاي واقعـی را لحاظ نمایند. این کنتورها قابلیت ارتباط با مصـرفکننـده را نیـز دارند. علاوه بر این، این نسل از کنتورها اطلاعـات زیـادي دربـاره شبکه در اختیار میگذارند که میتوان از آنهـا در برنامـهریـزي و بهرهبرداري از شـبکه اسـتفاده کـرد و قابلیـت اطمینـان و نحـوه مدیریت شبکه را بهبود بخشید.

شبکه هوشمند باید امکان پردازش غیرمتمرکز دادهها و نیـز مخابرات وسیع براي تحویل اطلاعات به صورت بلادرنـگ را مهیـا کرده و برقراري توازن تولید و مصرف در سطح مصرفکنندگان را فراهم نماید و به این ترتیب موجب افـزایش کـارایی و بهـره وري شبکه برق شده و طرحهاي توسعه سیسـتم (در هـر سـه سـطح تولید، انتقال و توزیع) را به تاخیر اندازد. اساسیترین نیـاز شـبکه هوشمند داشتن زیرساخت مخابراتی و بـر پـا کـردن شـبکهاي از سنسورها و کنترلهاست که بتوانند تحت پروتکلهـاي مخـابراتی مناسب بـا یکـدیگر ارتبـاط برقـرار کننـد. بـراي طراحـی چنـین سیستمی میتوان از فناورىهاي مختلف باسیم و بـیسـیم بهـره برد. یکی از فناورىهاي بیسیم که در این زمینه مورد توجه قـرار گرفته است فناوري ZigBee است. لذا در این مقاله به معرفی این فناوري پرداخته شده است. ابتدا در بخش 2 به معرفی ZigBee و آشنایی با ویژگیهاي اصلی آن پرداخته شدهاین است. در بخـش اساس کـار ZigBee و اسـتاندارد IEEE 802.15.4 و خصوصـیات
آنها به طور اجمالی بررسی شـده و بـه خصـوص بـه مزیـتهـاي ZigBee نسبت به استانداردهاي بیسیم دیگر اشـاره شـده اسـت. بخش 3 به بررسی ویژگیهاي ZigBee ماننـد فرکـانس عملکـرد، توپولوژيهاي شبکهبندي آن، نـرخ دادههـا و ... اختصـاص یافتـه است. در نهایت، نتیجهگیري ها در بخش 4 ارائه شدهاند.

-2 آشنایی با ZigBee

فناوري ZigBee یک فناوري بیسیم است کـه بـه صـورت یک استاندارد جهانی براي پاسخگویی به نیازمنـديهـاي شـبکه-هاي سنسورهاي ارزان قیمت و کم مصرف بـیسـیم ایجـاد شـده است. ZigBee استانداردي است که مجموعـهاي از پروتکـلهـاي مخابراتی را براي شبکهبندي بیسیم با نرخ ارسـال پـایین و بـرد کوتـاه مقـرر مـیکنـد. فنـاوري ZigBee از اسـتاندارد IEEE 802.15.4 بهـره گرفتـه و در بانـدهاي فرکانســی رزرو نشـده در فرکانس هـاي 2.484–2.400 GHz، 902-928 MHz و –868.0 MHz 868.6 مورد استفاده قرار میگیرد.

فناوري ZigBee براي کاربردهایی مناسب است که از بـاتري استفاده میکنند و در آنها نیازمنديهاي اصلی، نرخ ارسال پایین، قیمت ارزان و عمر باتري زیاد است. در بسیاري از این کـاربرد هـا کل زمانی که وسیله بیسیم درگیر نوعی از فعالیت است محـدود بوده و وسیله اکثر اوقات درم د ذخیره توان کـهم ـد خـواب هـم نامیده میشود به سر میبرد. به این ترتیب وسایل ZigBee مـی-توانند این قابلیت را داشته باشند که مدتهاي طولانی بدون نیاز به تعویض باتري به کارخود ادامه دهند. اگر به نوع دادههـایی کـه در یک شبکه از سنسورها و عملگرها رد و بدل مـیشـود نگـاهی بیندازیم متوجه میشویم که اکثر آنهـا بسـته هـاي کوچـک داده هستند که وسایل را کنترل کرده یا وضعیت آنها را گـزارش مـی-دهند. براي بسیاري از کاربردها مثـل سنسـورهاي دود و CO یـا کاربردهاي مربوط به امنیـت خانـه هـا ایـن وسـایل بـراي مـدت طولانی درم د خواب به سر میبرند و فقط در صورتی که اتفـاقی که آنها را فعال میکند رخ دهد، بیدار میشوند و بسـته کـوچکی از اطلاعات را ارسال مـیکننـد. بنـابراین نیازمنـديهـاي چنـین شبکهاي عبارتند از: مصرف پایین توان، امکان قرار گرفتن درم ـد خواب براي مدت طـولانی، سـادگی و قیمـت ارزان. لـذا فنـاوري ZigBee کاربردهاي زیادي را در موارد زیر دارد:
• کنترلها و سنسورها
• اتوماسیون منازل
• اتوماسیون تجاري/صنعتی
• اندازهگیري از راه دور

• شبکههاي اتوماتیک

همچنـین، فنـاوري ZigBee کاربردهـاي زیـادي در زمینـه پایش دارد که از آنها میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
• کنترل روشنایی
• خواندن اتوماتیک دستگاه هاي اندازه گیري (AMR)

• آشکارسازهاي دود و CO
• کنترل دستگاه تهویه مطبوع

• کنترل گرما

• امنیت منازل

• کنترل هاي محیطی

• کنترل پرده ها و کرکره ها

-1-2 مقایسه ZigBee با Bluetoothو Wi-Fi

در فضاي ارتباطات بیسـیم اسـتانداردهاي مختلفـی وجـود دارند که هر یک از آنها مزایایی را براي کاربردهاي خاصی فـراهم می کنند. مقایسه ZigBee با اسـتانداردهایی مثـل Bluetooth و Wi-Fi ما را در فهم ویژگیهایی کـه ZigBee را از اسـتانداردهاي دیگر متمایز میسازد یاري میکند. شکل1 و جدول1 خصوصیات اصلی این استانداردها را به طور خلاصه نشان میدهند.

شکل :1 فضاي Wireless 802

به طور کلی روشهـاي شـبکه بنـدي بیسـیم بـه دو دسـته تقسیم میشوند: شبکههاي محلی بیسیم (WLAN) و شبکههاي شخصی بیسـیم WLAN .(WPAN) هـا جـایگزین شـبکههـاي محلی معمولی مثل اترنت میشوند، اما WPAN هـا بـراي فـراهم کردن امکان ارتباط بیسـیم در فضـاي کـارکرد شخصـی (POS) توسعه یافتهاند. POS به ناحیه کروي شکلی گفتـه مـیشـود کـه اطراف وسیله بیسیم را بـه شـعاع 10 متـر احاطـه کـرده اسـت. WPAN ها بر اساس نرخ ارسال داده به سـه دسـته تقسـیم مـیشوند: نرخ ارسال بـالا (HR)، نـرخ ارسـال متوسـط((MR و نـرخ ارسال پایین(.(LR این انواع و استاندارد هاي مربـوط بـه آنهـا در شکل2 نشان داده شدهاند.

شکل :2 دسته بندي شبکه بندي بیسیم کوتاه برد

فناوري ZigBee با نیاز شبکه مخابراتی بـه شـبکه اي ارزان، قابل اطمینان، با نرخ ارسال پایین و مصرف پایین تـوان متناسـب است. عمر باتري بیشتر و امکان داشتن تعداد گره هاي بیشـتر در یـک شـبکه نسـبت بـه فنـاوري هـاي بـی سـیم دیگـر مثـل Bluetooth وWi-Fi نیز از جمله مزیت هـاي ایـن فنـاوري بـراي کاربرد مورد نظر ما به شمار مـی رود. ایـن فنـاوري سـاده تـر و ارزان تر از سایر WPAN ها مثل Bluetooth است.

-3 ویژگیهاي فناوري ZigBee

فناوري جدید ZigBee کاربردهایی مثل کنترل، اتوماسیون و امنیت خانهها و ساختمانها، وسایل جانبی PC، اسباب بازيهـا و وسایل خانگی را هدف قرار داده است. عمر بـاتري زیـاد، قابلیـت اطمینان بالا، نصب اتوماتیک یا شبه اتوماتیک، قابلیت افزودن یـا حذف کردن گرههاي شبکه و سیگنالهایی کـه بتواننـد از دیـوار عبور کنند و هزینه کم از نیازمنديهاي فنـاوري مربـوط بـه ایـن کاربردها است. در ایـن بخـش بـه بررسـی ویژگـیهـاي فنـاوري ZigBee پرداخته شده است.

-1-3 فرکانس عملکرد

ZigBee در باندهاي رادیویی ISM (صنعتی، علمی، پزشکی)

کار مـیکنـد. اسـتفاده ZigBee از بانـد هـاي ISM آن را از نظـر استفاده جغرافیایی نامحدود میکند.

-2-3 انواع ادوات

استاندارد 802.15.4 دو نوع متفـاوت از ادوات را ارائـه مـی-دهد: وسایل با عملکرد کامل (FFD) و وسایل با عملکـرد محـدود FFD .(RFD) ها مـیتواننـد تمـام وظـایفی را کـه در اسـتاندارد 802.15.4 آمـده اسـت انجـام دهنـد و هـر نقشـی را در شـبکه بپذیرند اما RFD ها قابلیتهاي محدودي دارند. به عنـوان مثـال FFD ها میتوانند با تمام وسایل موجود در شبکه ارتبـاط برقـرار کنند اما RFD فقط میتواند با وسیله FFD ارتبـاط برقـرار کنـد. وسایل RFD براي کاربردهاي خیلی ساده مثل روشن و خـاموش کردن سوییچ ها به کار میروند. توان پردازش و حافظه RFD هـا از FFD ها کمتر است.

-3-3 نقشهاي ادوات

FFD میتواند سه نقش مختلـف را بـر عهـده داشـته باشـد: هماهنگ کننـده، هماهنـگکننـده PAN و یـا یـک FFDادسـ ه. هماهنگکننده یک وسیله FFD است که قابلیت تقویت پیامها را دارد. اگر هماهنگکننـده، کنتـرلکننـده اصـلی شـبکه شخصـی (PAN) باشد، هماهنگ شوکننده PAN نامیده می د.

در استاندارد ZigBee کاربرد این کلمات کمی متفـاوت مـی شود: در ZigBee منظـور از هماهنـگ کننـده، هماهنـگ کننـده PAN است و مسیریاب وسیلهاي است کـه مـیتوانـد بـه عنـوان هماهنگکننده کار کند. به وسیلهاي که نه هماهنگکننده اسـت و نه مسیریاب، وسـیله انتهـایی گفتـه مـیشـود. وسـیله انتهـایی کمترین حافظه و قابلیـت پـردازش را دارد و معمـولا ارزانتـرین وسیله موجود در شبکه است. تمام شـبکههـاي ZigBee حـداقل یک FFD دارند. اکثر کاربردهاي سنسوري در طبقه RFD دسته-بندي میشوند و شبکههـاي توسـعه یافتـه از FFD و هماهنـگ-کننده شـبکه بـراي سـاختن پیونـدها و پـلهـاي مـورد نیـاز در توپولوژي شبکه استفاده میکنند.