|
|
|
Авторизация
Поиск
|
Протоколы бывают разные...Протоколы бывают разные...В данной статье мы постарались обобщить информацию про основные беспроводные протоколы связи, которые применяются в современных системах автоматизации зданий.
Стандарт ZigBee предназначен для маршрутизируемых радиосетей. Он разработан группой ZigBee Alliance (www.zigbee.org). Этот стандарт был ратифицирован в декабре 2004 года и представлен общественности в июне 2005 года. Спецификация стандарта ZigBee определяет такие организационные слои, как Application/Framework layer (пользовательские приложения) и Network/Security layer (сетевые приложения обеспечения безопасности). Эти слои выступают как надстройка над прежде существовавшим стандартом беспроводной связи IEEE 802.15.4. Стандарт ZigBee был разработан для применения в самых разнообразных сетевых устройствах от домашних систем, работающих на аккумуляторных батареях, до индустриальных и коммерческих систем автоматизации зданий.
Стандарт IEEE 802.15.4 был разработан к маю 2003 года и посвящен беспроводным низкоскоростным сетям обмена данных WPAN (Low-Rate Wireless Personal Area Network). Стандарт предусматривает применение технологии передачи по широкополосному радиоканалу DSSS (Direct Sequencing Spread Spectrum – прямая последовательность рабочих частот), реализованной в виде физического уровня сетевого протокола PHY (от PHYsical). В качестве среды MAC (media access control), где осуществляется контроль доступа, используется надстройка программного обеспечения. Сразу несколько компаний разработали собственные чипы под стандарт беспроводных сетей 802.14.4. Эти чипы построены на основе микропроцессора и имеют встроенную память 128 Кб для стека протокола ZigBee. Стандарт связи беспроводных сетей 802.14.4 также применяется в многочисленных устройствах, не поддерживающих протокол ZigBee.
Разработчики ZigBee ставили перед собой следующие цели:
Сеть могут формировать только устройства типа FFD, так что говорят, что протокол ZigBee образует звездообразную сеть (star network), которая может включать в себя в качестве конечных устройства типа RFD. Гибридные сети имеют кластерную структуру и образуют, так называемое, «кластерное дерево» (cluster tree). В рамках этих сетей может быть предусмотрен процесс «испускания маяка» – то есть выдачи компьютером в сети кольцевой топологии сигнала (маяка) о том, что передача маркера прервана из-за серьезной ошибки. Но это делается не всегда и используется для поддержки устройств с батарейным питанием, которые пробуждаются только периодически.
Протокол ZigBee 802.15.4 поддерживает повсеместно стандартную частоту связи 2,4 ГГц, а в США и Европе также может работать, соответственно, на частотах 915 МГц и 868 МГц. Имея выбор из двух частот, пользователи оказываются перед необходимостью выбирать устройства, которые поддерживают единую частоту. В противном случае необходимо устройство с динамической настройкой частоты. Разработчики устройств, поддерживающих протокол ZigBee, должны непременно входить в альянс ZigBee (ZigBee Alliance) – организацию объединяющую производителей оборудования и регламентирующую применение стандарта ZigBee. Начальная плата за вход для организаций, использующих этот стандарт (Adopting Membership), составляет 3500 $ в год, однако для участия в разработке самого стандарта ZigBee необходимо иметь иной статус. Статус участника (Participating Membership, что стоит 9500 $ в год) или промотора (Promoter Membership, что стоит 40 000 $ в год).
Как работает стандарт ZigBee
Майский релиз стандарта IEEE 802.15.4 2003 года (в полной формулировке IEEE 802.15.4 Low-Rate Wireless Personal Area Network) определяет организационную структуру обмена данными в беспроводных низкоскоростных сетях WPAN (Low-Rate Wireless Personal Area Network). В нем выделяются такие слои как PHY (физический слой сетевого протокола от PHYsical) и MAC (media access control – «слой контроля доступа»). Последний является программной надстройкой над технологией передачи по широкополосному радиоканалу DSSS (Direct Sequencing Spread Spectrum – прямая последовательность рабочих частот).
В данном сегменте рынка беспроводные сети могут функционировать на двух различных радиочастотах: 868 МГц и 2,4 ГГц для Европы; 915 МГц и 2,4 ГГц для США и некоторых других стран. Скорость передачи данных зависит от выбранной частоты. В приведенной ниже таблице скорость обмена полезной (неслужебной) информацией рассчитывалась, исходя из предельных 15 байт. В рамках этих расчетов на них может быть увеличен пакет передаваемой информации, хотя на практике не кодируемая часть пакета может изменяться от 15 до 35 байт (см. табл.).
Этот стандарт беспроводной связи имеет радиус действия от 10 до 75 метров, хотя типичным радиусом действия считается величина в 50 метров. Если речь идет об автоматизации малых построек, то на низкой частоте радиус действия увеличивается в два и более раз в зависимости от радиодиапазона 2,4 ГГц. Это связано с более слабым поглощением в конструкционных материалах. На физическом уровне реализации протокола 802.15.4 (PHY level) также предусмотрена регистрация энергии, получаемой приемником. Эта величина связана с качеством индикации и необходима для оценки чистоты канала. Программный слой MAC поддерживает беспроводную сеть в 64000 узлов. Все устройства должны иметь 8-байтовый адрес IEEE, однако по желанию и короткие 2-байтовые адреса могут определяться для нужд специфических сетевых процедур соединения.
Протокол 802.15.4 определяет такие методы доступа к радиоканалу как конкурирующий и приоритетный. При приоритетном методе доступа гарантируется использование так называемого «тайм-слота» (выделение части мультиплексируемого канала для передачи по одному подканалу) для передачи флага высокого приоритета. Этот метод называется GTS. Однако в беспроводных сетях обычно используется другой метод, CSMA-CD (carrier sense multiple access with collision detect – «коллективный доступ с контролем несущей частоты и регистрацией конфликтов»). При этом пакеты, конкурируя друг с другом, передаются в порядке очереди.
Размер пакетов непостоянный и не превышает 128 байт, что соответствует 104 байтам полезной нагрузки. Если применяется батарейное питание, то стандарт 802.15.4 определяет дополнительный «суперкадр», который позволяет включать («пробуждает») устройства с низким потреблением энергии лишь эпизодически с большим интервалом.
Построение сетей ZigBee
Многопетлевая топология сети родилась в следствие реализации поддержки разнородных физических и логических устройств, подчиняющихся спецификации ZigBee. Это снижает стоимость если не всех, то многих сетевых устройств.
Согласно протоколу ZigBee, существует два типа физических устройств: полнофункциональные устройства, называемые FFD (full function device), и устройства с ограниченной функциональностью, называемые RFD (reduced function device). Полнофункциональные устройства обычно соединяются вместе через линии электросети. Они могут действовать как сеть и осуществлять сетевую координацию, а также обнаруживать в сети другие полнофункциональные устройства и устройства с ограниченной функциональностью.
Полнофункциональное устройство могут брать на себя все функции устройств с ограниченной функциональностью. Примером устройства с ограниченной функциональностью может стать любое устройство с батарейным питанием. Эти устройства могут соединяться только в топологию звезды, поскольку могут взаимодействовать только с сетевыми координаторами, в качестве которых может выступать любое полнофункциональное устройство. Часто устройства с ограниченной функциональностью разрабатываются так, чтобы периодически «засыпать». Это снижает расход заряда батареи. Такие устройства пробуждаются только для того, чтобы узнать, нет ли новых поступивших данных, а также запросов от сетевых координаторов. Также выявляются передачи данных от приложений, и проводится поиск доступных сетевых устройств.
Протокол ZigBee описывает логические устройства, такие как сетевые координаторы, маршрутизаторы и конечные устройства. Функция координаторов сети состоит в инициализации беспроводной сети ZigBee, а также в управлении узлами сети и хранении информации от них. Маршрутизаторы ZigBee передают сообщения между соседними узлами. Конечные устройства сети ZigBee могут быть только краевыми узлами, поскольку не участвуют в маршрутизации сообщений. Используемое в данном протоколе программное обеспечение идет как дополнение к компьютерным программам, лежащим в основе 802.15.4.
Вопросы взаимодействия с ZigBee
Представленный в этом секторе рынка, протокол ZigBee объединил вокруг себя работу множества комитетов по разработке публично доступных профилей применяемых приложений (Application Profiles). Эти профили определяют характеристики, предъявляемые к программному обеспечению от различных поставщиков, без чего невозможно создавать способные к взаимодействию устройства. Задача сложная и запутанная. Так, в настоящее время протоколу ZigBee соответствует только две системы: управление домом (Home Control) и управление системой освещения (Lighting). Соответственно, протокол ZigBee допускает, чтобы поставщики создавали собственные профили под свои собственные нужды. Полный список публичных профилей приложений в рамках протокола ZigBee следующий:
• Автоматическая система считывания показателей счетчиков (AMR)
Стандарт Z-Wave, разработанный датской компанией ZenSys AS (www.zen-sys.com), работает исключительно в беспроводных сетях. Сетевые решения для Z-Wave разрабатывалась с теми же целевыми установками, что и ZigBee. К ним относятся:
В рамках протокола Z-Wave предусматривается обмен данными только по радиоканалу. Так что, если по какой-либо причине радиообмен нарушается, то разработчики Z-Wave не могут уже положиться на передачу сообщения по другим видам транспорта. Следовательно, перед разработчиками Z-Wave стояла задача создать множество доработок, чтобы сделать беспроводную систему надежной, насколько это возможно.
Наиболее примечательно то, что протокол ZWave направляет сообщения, используя Алгоритмы маршрутизации источника SRA (Source Routing Algorithm). Этот алгоритм требует, чтобы устройства, инициирующие сообщения, «знали» расположение других устройств сети (ее топологию) с тем, чтобы могли рассчитывать наилучшие маршруты для передачи сообщений. Но техническая поддержка и распределение базы данных по топологии сети – это сложная задача, особенно учитывая то, что некоторые из устройств мобильны. Поэтому, для снижения стоимости сетевого решения, протокол Z-Wave определяет несколько различных видов приборов, некоторые из которых, как заведено в компьютерных технологиях, для снижения стоимости лишены способности передавать сообщения и называются «слейв» (slave).
Чтобы организация имела право создавать изделия, сертифицированные для использования в Z-Wave сетях, она должна входить в союз Z-Wave Alliance как Full Member. Членство в этом союзе в данном статусе стоит 2500 $ в год. На территории США владельцем патента № 6 879 806 от 12 апреля 2005 года является компания ZenSys. Патент называется System and a Method for Building Routing Tables and for Routing Signals in an Automation System (Методы создания таблиц маршрутизации и принципы маршрутизации сигнала в системах автоматизации зданий). Этот патент касается некоторых аспектов организации сети Z-Wave.
Как работает Z-Wave
Физический слой реализации Z-Wave
Передача сообщений в сети Z-Wave
Сеть Z-Wave самоорганизована и обладает функцией самовосстановления. Для реализации самоорганизации узлы Z-Wave имеют программное обеспечение, которое обнаруживает соседей и сообщает о них контроллеру SUC (Static Update Controller). Алгоритм маршрутизации источников SRA (Source Routing Algorithm), реализованный в устройствах, способен инициировать цепочки коммутаций для передачи сообщений и генерировать маршруты на основании базы данных топологии сети. Функция самовосстановления требует, чтобы программное обеспечение находило в динамическом режиме новые маршруты вокруг временно недоступных узлов. Мобильные узлы также должны входить в сферу действия программного обеспечения, которые в свою очередь может запрашивать новое сетевое окружение в автоматическом режиме. Такое программное обеспечение является частью стека протокола ZWave и записано в микросхеме памяти.
Установка сети Z-Wave
Процесс ассоциации узлов Z-Wave
Чипы Z-Wave
Разработка приложений под Z-Wave
Чтобы расширить возможности системы к взаимодействию с устройствами различных производителей, команда технической поддержки протокола Z-Wave стандартизировала список команд и перечень спецификаций на совместимые с этим стандартом устройства.
Типы Z-Wave устройств
Чипы для Z-Wave имеют 32 Кб встроенной флэш-памяти, а также возможность использования внешней памяти. Если зарезервировать достаточно памяти, чтобы можно было записать в устройство Z-Wave программу, то его стек не будет большим. Протокол Z-Wave определяет значительное количество типов устройств, которые обладают возможностью варьировать объем памяти и объем стека. Основные устройства такого рода – это Controller (контроллеры), Routing Slaves (слейвы-маршрутизаторы) и Slaves (слейвы).
Контроллеры Z-Wave могут инициировать соединения с любыми узлами, и поэтому имеют самый большой стек. Мастер-контроллеры SUC (static update controller) отвечают за управление сетью, рассылая по узлам информацию о текущей сетевой топологии. Вторичные контроллеры получают эту информацию. Таким образом, передаются данные о централизованной или местной регистрации устройств в сети. Мобильные контроллеры используют стек портативного контроллера (portable controller stack), который позволяет устройствам подавать запрос на повторное открытие мобильных узлов. Информация о топологии сети также может распределяться среди контроллеров в виде номера SIS (от SUC ID server – «идентификационный номер сервера с мастер-контроллером»). Однако такое программное обеспечение, как правило, используется на персональных компьютерах. Если номер SIS для сети Z-Wave недоступен, то пользователи должны вручную копировать данные о топологии сети с мастер-контроллера на все остальные вторичные контроллеры по мере добавления или удаления ZWave устройств.
Слейвы-маршрутизаторы (Routing Slave) могут инициировать взаимодействие с узлами, имея «на борту» стек меньших размеров. Его размер зависит от объема информации по топологии сети, получаемой с мастер-контроллера SUC. Слейвы (Slave) имеют самый малый стек и могут участвовать в коммуникации, лишь отвечая на запросы.
Протокол Z-Wave также определяет класс «устройств-монтажников» (Installers), которые применяются для проведения централизованной установки сети, а также устройств «мостов» (Bridge), которые соединяют вместе разнородные сети. Определяя несколько классов устройств с пониженной функциональностью, разработчики протокола Z-Wave стремились снизить стоимость системы, поэтому пожертвовали простотой коммуникации равноправных узлов ЛВС. Подобная «сделка» вполне понятна, если принять во внимание сложность маршрутизации. Но с учетом того, что различные устройства обладают разными возможностями, пользователи сети должны обладать знаниями о том, как работает такая сеть. Наиболее серьезным ограничением для пользователя сети Z-Wave является требование единого мастер-контроллера.
В последние годы WiFi (IEEE 802.11) стал стандартом де-факто для беспроводных локальных сетей LAN в домах, офисах и большом количестве точек доступа (хот-спотов) в коммерческих зданиях по всему миру. Когда вы покупаете новый ноутбук, он, скорее всего, будет оборудован встроенным модулем WiFi 802.11b/g. Если вы захотите выпить чашку кофе в ресторане, где есть хот-спот, доступ в Интернет по WiFi позволит воспользоваться сетью. Если дома у вас выделенный канал в Интернет, возможно, вы уже купили WiFi-маршрутизатор, чтобы работать с электронной почтой в любой комнате своего дома или даже во дворе. Беспроводные WiFi сети позволяют вести обмен файлами, печатать документы и пользоваться Интернетом без необходимости в прокладывании неудобных проводов. Данный стандарт связи уже используется в 17% домов США.
Стандарт связи IEEE 802.11 лежит в основе WiFi и имеет несколько отличающихся друг от друга версий: «a», «b», «g», и «n». 802.11a предназначен для лицензионной деятельности на частоте 5 ГГц и в основном используется для различных направлений бизнеса. 802.11b и «g» – версии WiFi, которые используются сегодня. Версия «b» имеет способность связываться со скоростью 11 Мбит/с и появилась на рынке в 1999 году. За ней последовала версия «g» со скоростью уже 54 Мбит/с в 2002 году. Версия «n» (100 Мбит/с или больше) является последней версией WiFi, появившейся сравнительно недавно.
TCP/IP TCP/IP используется по всему миру для дистанционного соединения компьютеров. Протокол TCP/IP передает данные по всевозможным сетям: начиная от небольших офисов и до глобальных сетей Интернет. Уже сегодня часто используют данный протокол для VOIP (передача голоса через Интернет протокол IP) и для IPTV (передача телевизионных программ по Интернет).
На самом деле, TCP/IP – это два стандарта: TCP (протокол управления Telnet) и IP (Интернет протокол). IP передает блок информации из точки А в точку В, выполняя две простые функции: адресация и фрагментация. Заголовок в сообщении несет в себе поле адреса, которое обрабатывается сетевыми маршрутизаторами, чтобы определить путь передачи и наилучшее направление. Другие поля заголовка сообщения необходимы для фрагментации и соединения сообщений, когда необходимо переслать их через «бутылочные горлышки» с небольшой пропускной способностью. Пакеты информации могут иметь метку «тип сервиса» для определения приоритета трафика. Также имеются и дополнительные опции для безопасности и правил маршрутизации. Теоретически сообщения могут содержать до 65 536 байтов, но на практике они ограничены 576 байтами или 64 байтами для заголовка и 512 байтами для данных. Протокол IP обрабатывает каждое сообщение независимо от других, без каких-либо логических связей, виртуальных циклов или гарантии доставки. TCP устраняет эти недостатки, обеспечивая надежные соединения. Потоковая передача прячет сами сообщения, превращая их в набор байтов, также как в файловой системе. Надежность появляется вместе с функцией повторной передачи, если данные будут утеряны. TCP также отвечает за адаптацию сети и контроль потока данных, чтобы повысить производительность без опасения перегрузки сети.
Любой, кто пользовался Интернетом, знает, что данная технология работает превосходно. Так почему бы не использовать ее, чтобы соединить вместе все, что только захочется? Разве нельзя присвоить выключателям света IP-адреса? Да, на самом деле все это можно осуществить, но сам выключатель не должен быть завязан в сеть по TCP/IP, иначе его конструкция бы сильно походила на карманный компьютер. TCP/IP – достаточно сложный протокол. Минимальные требования для запуска на микропроцессоре со средней производительностью: 2К RAM памяти и 14К памяти для кодирования. Эти данные не учитывают ресурсы для обработки локального программного обеспечения или работы с модемом, чтобы соединиться с физическим уровнем передачи данных. Выключатели света с подобными характеристиками и соответствующей ценой вряд ли будут массово востребованы на рынке.
Передача данных по протоколу Bluetooth определяется специальной организацией SIG (специальная рабочая группа по поддержке стандарта, сайт в Интернете: www.bluetooth.org) и стандартизирована как IEEE 802.15.1 (беспроводной протокол для организации соединения «точка-точка» для PAN-сетей (personal area networking)).
Данный протокол был спроектирован, как экономный по энергопотреблению, но с рабочей дальностью действия до 10 метров. Bluetooth в основном используется для соединения беспроводных гарнитур для мобильных телефонов, КПК и ноутбуков между собой без необходимости подключения кабеля. Bluetooth действует в диапазоне 2,4 ГГц и, используя технологию FHSS, достигается максимальная скорость передачи данных до 3 Мбит/с. Персональная Bluetooth-сеть (PAN) предусматривает только семь узлов, а стек протокола может занимать до 250 Кб системных ресурсов.
EnOcean, пожалуй, единственная беспроводная технология, отличающаяся от других, перечисленных в данной статье. EnOcean GmbH – немецкая компания, образованная в 2001, штат компании 25 человек. Компания позиционирует себя – как производитель технологии беспроводных модулей связи без внешних источников питания для таких компаний как: Siemens, Zumtobel, Omnio, Osram, Wieland Electric, Peha, Thermokon, Wago, Herga. Оборудование этих компаний, использующее технологию EnOcean, применяется в автоматизации зданий (управление освещением, жалюзи, климатом), в промышленной автоматизации и автомобильной промышленности (замена традиционных батарей в датчиках давления шин).
Компания EnOcean GmbH получила приз Bavarian Innovation 2002 за уникальную разработку технологии передачи данных без дополнительных источников энергии и награду «Technology Pioneer 2006». В основе технологии лежит эффективное использование изменения энергии окружающего пространства, основанного на принципах энергосбережения. Для того чтобы преобразовать такие изменения энергии в электрическую энергию, которую можно было бы использовать, применяются электромагнитные и пьезо-генераторы, элементы на солнечных батареях, термопары и другие преобразователи энергии. Продукция компании (датчики и радио-переключатели) не имеют собственных источников питания и спроектированы для эксплуатации без обслуживания. Сигналы от таких датчиков могут передаваться на расстоянии до 300 метров. Раньше выключатели использовали пьезо-генераторы, но в последствие они были заменены электромагнитными источниками энергии для снижения рабочего давления (7Н) и увеличения срока службы (до 50 000 нажатий).
Выключатель освещения EnOcean PTM 250 беспроводной и без батареи питания – самый распространенный пример продукции компании, использующий закрытый радио протокол. Пакеты данных передаются на скорости до 120 Кбит/с с длиной пакета в 14 байт. Все сигналы от выключателей или данные, полученные сенсорами, передаются с максимальной надежностью – нежелательное вмешательство других сигналов полностью исключено. Каждое устройство имеет 32-битный серийный номер. Большинство устройств передает информацию на частоте 868.3 МГц.
В июле 2007 года компания анонсировала появление технологии, позволяющую передатчикам получать энергию от элементов Peltier (получение температурного дифференциала из электрической энергии). Минимальная разность температур в 2 градуса Цельсия получается на каждой стороне панели размером 15Ч15 мм.
В основе беспроводных городских локальных сетей MAN (metropolitan area network) типа «точка - много точек» (коммуникационная сеть, предоставляющая из данного узла несколько путей к другому узлу) лежит протокол WiMax, название которого расшифровывается как Worldwide Interoperability for Microwave Access. Описание протокола WiMax можно найти в спецификации интерфейса IEEE 802.16 Air Interface Specification.
Протокол WiMax согласован с ETSI (European Telecommunication Standards Institute – Европейский институт телекоммуникационных стандартов) и описывается в спецификации ETSI HiperMAN Specification. Данная спецификация разработана, чтобы поддержать этот глобальный стандарт. Работая в радиодиапазоне 3,3–10 ГГц и являясь многоточечным соединением, предоставляющим из данного узла несколько путей к другому узлу, сеть WiMax имеет радиус действия 3–10 км. Если система работает в частотном диапазоне 10–66 ГГц, то для прямого соединения от точки к точке на прямой линии видимости дальность связи возрастает до 50 км.
Спецификация беспроводной связи IEEE 802.16 Air Interface Specification гибкая, однако, отличается сложным асинхронным способом передачи информации ATM (asynchronous transfer mode), либо реализуется на базе протокола IP (Internet protocol). И тот, и другой вид связи зависит от гарантированного качества сервиса. Может применяться как канал OFDM (orthogonal frequency division multiplexing – мультиплексирование с ортогональным частотным разделением сигналов) при количестве несущих 256 либо 2048, так и сходная по идеи система DSL (digital subscriber line – цифровая абонентская линия). Также может применяться система DMT (discrete multi-tone – дискретная многотональная модуляция), построенная на 256 несущих. Канал может быть разделен на два направления при помощи дуплексной (двухсторонней) передачи, как на основе времени (TDD – time-division duplexing), так и на основе частоты (FDD – frequency-division duplexing).
О UWB
Хотя в январе 2005 года работающая UWB технология и демонстрировалась на Выставке бытовой электроники, к тому моменту спецификация этого вида связи не была закончена. Причина этого состоит в том, что различные UWB центры защищали собственные версии протокола.
Одна группа исследователей от компании Freescale Semiconductor отстаивала применение DSSS (direct sequence spread spectrum – прямая последовательность рабочих частот) модуляции со скоростями передачи данных 29, 57, 86 и 114 Мбит/с. Эта технология основывается на спецификации IEEE 802.15.3a MAC. Другая группа исследователей от компании Intel хочет использовать технологию OFDM (ортогональное мультиплексирование разделение частоты) со скоростями передачи данных в 53,3, 106,7 и 200 Мбит/с. Эта технология основывается на европейском стандарте European ECMA-368 PHY/MAC, обнародованном в декабре 2005 года. Союз WiMedia Alliance (www.wimedia.org), та самая индустриальная группа, которая стоит за стандартом ECMA-368, высказывает предположение, что разногласия будут устранены уже в начале 2006 года.
О UHF
Для того, чтобы обеспечить условия сертификации для нелицензионного использования в рамках правил Федеральной комиссии по связи США, необходимо чтобы эти устройства работали с перерывами и на низких уровнях мощности, так чтобы их диапазон действия ограничивается десятками метров. Разрабатываемые независимыми исследователями, эти системы базируются на различных схемах модуляции и методах кодирования данных. Открытых стандартов, способных гарантировать совместимость оборудования, не существует. |
|
© 2017 ООО «ГОЛОВИН Холдинг». Использование любых материалов сайта без письменного разрешения администрации запрещено.
|
