IEEE 802.15.4 и его программная надстройка ZigBee

Наш журнал уже не раз обращался к теме различных решений для обеспечения беспроводной связи, в том числе на базе стандарта IEEE 802.15.4, а также его программной надстройки – ZigBee. (прим.ИТМиВТ: Вообще ZigBee не очень корректно называть программной надстройкой IEEE 802.15.4. В принципе, ZigBee может быть реализован аппаратно,по крайней мере, частично. В то же время канальный уровень IEEE 802.15.4 может быть почти полностью реализован программно, причем даже современные трансиверы TI CC2520 требуют программной реализации существенной части канального уровня. ). Появившись несколько лет назад, данный стандарт к сегодняшнему дню должен был стать перспективной технологией, однако о ее повсеместном применении не то что в России, но и во всем мире, пока говорить рано. Что же мешает IEEE 802.15.4 и ZigBee при наличии огромного количества преимуществ завоевывать рынки?

Беспроводные сети привлекают внимание пользователей и разработчиков с момента своего появления массой преимуществ, которыми они обладают по сравнению с "классическими" проводными сетями. Это и гибкая архитектура, и снижение затрат при монтаже (особенно когда речь идет о большом количестве соединенных между собой устройств). На сегодняшний день "в быту" мы чаще всего применяем как минимум три стандарта беспроводной связи по радиоканалу: GSM как отличное средство для телефонии, WiFi для домашних и офисных сетей и Bluetooth для подключения устройств и периферии. Однако этого набора стандартов недостаточно для оптимального решения всех "сетевых задач". В ответ на запросы потенциальных пользователей появляются многочисленные "альтернативные" спецификации. Одна из них – IEEE 802.15.4 и связанный с ней стандарт ZigBee.

Хотелось бы сделать небольшую ремарку относительно названия ZigBee. Этот термин был введен консорциумом, управляющим развитием и поддержкой стандарта IEEE 802.15.4, а также его программными надстройками. По сути, спецификация ZigBee и стандарт IEEE 802.15.4 описывают разные уровни классической схемы взаимодействия открытых систем (OSI). IEEE 802.15.4 описывает только два нижних уровня схемы (физический и канальный), в то время как ZigBee – это полный набор из семи уровней, обеспечивающий быстрое создание мониторинговых и управленческих сетей на базе стандарта (сетевой, транспортный, сеансовый уровни, а также уровни представления и приложений).

На рисунке, любезно предоставленном компанией Freescale, показано, как относятся к друг другу спецификация ZigBee и стандарт IEEE 802.15.4 в рамках OSI (нажмите на рисунок для загрузки большой картинки в отдельном окне)

Создание и регулирование стандарта

Первенство в дуэте IEEE 802.15.4 и ZigBee принадлежит именно стандарту Института инженеров электротехники и электроники (Institute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE). Формирование спецификации IEEE 802.15.4 началось в конце 90-х годов прошлого века в ответ на запросы рынка в специфическом средстве беспроводной связи в целях управления устройствами и связи с датчиками. По задумкам разработчиков, новый стандарт должен был обеспечить дальность соединения, сравнимую с WiFi, но при этом иметь меньшее энергопотребление. Для реализации выставленных требований пришлось пожертвовать скоростью передачи данных как наименее важным элементом в рамках данной задачи. В 2003 году была выпущена официальная спецификация, получившая статус стандарта IEEE.

Для поддержки и развития стандарта, а также обеспечения взаимной совместимости устройств в рамках IEEE 802.15.4 в 2002 году был образован "Альянс ZigBee" (ZigBee Alliance). Инициативу развития технологии поддержали многочисленные участники рынка, собрав команду "промоутеров" ZigBee. Высший уровень членства этих компаний в "Альянсе" позволяет не только производить собственные устройства с логотипом ZigBee, но и влиять на формирование обновлений спецификации, участвуя в многочисленных круглых столах и голосованиях "Альянса".

Существует два более низких уровня членства в "Альянсе ZigBee": "участники" и "адепты", отличающиеся ежегодной стоимостью участия и предоставляемыми полномочиями. "Участники" имеют право вносить собственные правки в основополагающие документы, однако не имеют права за них голосовать (принимать решения на общих собраниях); кроме того, "участники" получают доступ к ранним, еще не одобренным версиям стандарта, а также могут выдвигать собственных кандидатов в технические комитеты и высказывать свое мнение в рамках рабочих групп. "Адепты", по сути, имеют право только использовать составленную альянсом спецификацию и, при соблюдении всех норм и требований процедуры сертификации, снабжать свои продукты логотипом ZigBee.

На данный момент альянс включает в себя представителей самых разнообразных отраслей: от производителей контроллеров беспроводной связи до компаний, обеспечивающих обслуживание и тестирование сетей. Вероятно, столь широкое представительство различных областей индустрии позволит ZigBee максимально приблизиться к итоговой цели: удовлетворению потребности рынка в стандартизованной специализированной радиосвязи.

По данным ИТМиВТ на сегодняшний день последняя версия стандарта IEEE 802.15.4 датирована декабрем 2005 года; ZigBee вплоть до спецификации 2007 года (ZigBee Document 053474r17) основаны на IEEE 802.15.4-2003. Последняя версия изменений к спецификации ZigBee датирована четвертым кварталом 2007 года (дата отражает время утверждения последнего комплекта изменений).

Тонкости применения 802.15.4 и ZigBee

Любой стандарт, будь то интерфейс проводного обмена данными или беспроводная связь, создается для решения своего круга задач. К примеру, WiFi позволяет связываться на средних расстояниях с относительно большими скоростями передачи данных; позволяя передавать видео и аудио, WiFi ориентирован на применение для доступа беспроводных устройств в корпоративные сети и Интернет. Также стандарт Bluetooth предназначен для передачи данных на малых расстояниях. Bluetooth существенно проигрывает в скорости WiFi; он идеален для передачи потокового аудио или видео, к примеру, между компонентами домашнего кинотеатра. Основная задача, решаемая при помощи ZigBee, - передача небольших объемов данных на средние расстояния. Специфичность предназначения ZigBee состоит в том, что приемо-передающие устройства этого стандарта должны иметь минимальное энергопотребление. С IEEE 802.15.4 и ZigBee нельзя передавать качественное потоковое аудио или видео высокой четкости, зато можно реализовать сложные схемы мониторинга и управления практически в любой сфере.

На этой схеме показано, как соотносятся друг с другом разные беспроводные технологии с точки зрения дальности действия и скорости передачи, и сферы их применения в зависимости от этих параметров.

Наиболее перспективные сферы применения IEEE 802.15.4 и, в частности, ZigBee, – это автоматизация зданий, создание индивидуального диагностического медицинского оборудования, промышленный мониторинг и управление, потребительская электроника, периферия персональных компьютеров и ЖКХ. Хороший пример использования стандарта – управление контейнерными активами в порту: каждый контейнер имеет собственное приемо-передающее устройство ZigBee, отправляющее на контрольный пункт информацию о показаниях датчиков и регистрационные данные контейнера. Сбор информации о грузе в момент перегрузки ускоряет обработку контейнеров, а также помогает отследить страховые случаи. К примеру, транспортировка многих продуктов подразумевает поддержание постоянных внешних условий, и нарушение, допустим, температуры, может привести к порче груза. Данные об изменение температуры могут указать страховой компании, когда произошла фактическая разморозка скоропортящегося продукта: при транспортировке или во время хранения в порту, определив, таким образом, ответчика по судебному иску.

На основе ZigBee может быть построено даже централизованное управление "умным домом"; стандарт поможет соединить системы охранной и пожарной сигнализации, управление освещением, мониторинг газового оборудования и многое другое.

В глубине стандарта и программной надстройки

Как упоминалось выше, беспроводной стандарт IEEE 802.15.4 ориентирован на создание сетей для управления и мониторинга автономных устройств. Документ IEEE 802.15.4 описывает частоты, аппаратные особенности и прочие параметры сети, в то время как документ ZigBee содержит в себе описание процесса сетевого управления, параметры безопасности, а также немаловажные понятия совместимости и профилей устройств, подробнее на которых мы остановимся далее.

Беспроводной стандарт IEEE 802.15.4 резервирует под обмен данными 27 каналов в трех частотных диапазонах (868 и 915 МГц, а также 2,4 ГГц). Это позволяет лицензировать применение стандарта на территории большинства стран (как известно, диапазоны, доступные для гражданского использования, дифференцируются в зависимости от взгляда правительств на этот вопрос), а также обеспечить оптимальную передачу сигнала в различных условиях. Скорость передачи в единственном разрешенном в России частотном диапазоне 2,4 ГГц может достигать 250 кбит в секунду (в остальных диапазонах она существенно ниже).

Соотношение "сигнал/шум" позволяют сигналам стандарта IEEE 802.15.4 успешно сосуществовать с источниками излучения на той же частоте, к примеру, устройствами, соединенными посредством WiFi. К слову, в стандарте также предусмотрены каналы, не пересекающиеся с WiFi, что позволяет реализовать сеть даже в непосредственной близости с очень мощными источниками излучения.

IEEE 802.15.4 обеспечивает двустороннюю полудуплексную передачу данных, поддерживая при этом шифрование AES 128. Расширенная адресация в рамках IEEE 802.15.4 подразумевает использование 64-битных адресов, сетевые адреса ZigBee 16-ти битные, поэтому в каждой сети узлов не может быть больше, чем 2 в 16-той степени, то есть около 65 тыс. Устройства внутри сети могут играть одну из трех ролей: обыкновенного оконечного устройства (производящего обмен как с концентратором , так и с маршрутизаторами), ретранслятора (обеспечивающего прием и передачу данных) и концентратора (управляющего архитектурой сети). Оконечные устройства – устройства с ограниченной функциональностью – обеспечивают минимальный набор функций, позволяющий производителю экономить на комплектующих (в частности, памяти микроконтроллера). Ретранслятор, или устройство с полной функциональностью, поддерживает все функции, определенные в документе IEEE 802.15.4, может выполнять функции моста, маршрутизатора или шлюза для связи с другими сетями. Концентратор, или сетевой координатор, – наиболее дорогой тип устройств, так как он должен содержать всю информацию о сетевых соединениях, иметь большой объем памяти и высокую производительность.

Доступ к каналу IEEE 802.15.4 основан на принципе Carrier Sense Multiple Access With Collision Avoidance (CSMA/CA) – множественном доступе с прослушиванием несущей волны и избеганием коллизий. При этом коллизиям подвержены только jam-сигналы, претворяющие передачу.(прим. ИТМиВТ: В варианте CSMA-CA, описанном в IEEE 802.15.4 не используются jam-сигналы.)

Когда устройство планирует начать передачу, оно слушает, не занят ли эфир. Если обнаруживается "чужой" сигнал, то передатчик "засыпает" на случайный промежуток времени, а затем снова пробует начать передачу. В таком случае одновременно передача может исходить только от одного устройства, что повышает производительность сети. Однако необходимость ожидания свободного канала сказывается на скорости обмена сообщениями. В связи с этим, стандарт IEEE 802.15.4 – не самая скоростная беспроводная связь; тем не менее, как упоминалось выше, стандарт имеет свою собственную, и весьма широкую, сферу применения. Данные передаются относительно небольшими пакетами, что специфично для сетей управления и мониторинга. Важной особенностью стандарта является обязательное подтверждение доставки сообщений.

Протокол передачи подразумевает "засыпание" передатчика при отсутствии данных для пересылки, обеспечивая низкое энергопотребление устройств, соединенных по стандарту IEEE 802.15.4. (В результате время автономной работы оконечных устройств может измеряться годами). Важная особенность протокола в том, что подобные "засыпания" не сказываются на сохранении подключения. Создавая стандарт, основной упор делался на быстроту процессов конфигурирования и переконфигурирования сети; и разработчики в этом весьма преуспели. К примеру, переход приемника в активное состояние займет порядка 10-15 мс; а добавление устройства в сеть – от 30 мс. (Скорость добавления устройств и переконфигурации зависит от того, постоянно ли маршрутизаторы "слушают" сеть. Поэтому,если нужно, тобы добавление устройства происходило быстро, маршрутизатор не может находиться на автономном питании) Сети WiFi и Bluetooth не могут обеспечить такого быстродействия.

На основе стандарта IEEE 802.15.4 могут быть построены самые разнообразные сети всевозможных топологий с пакетной или потоковой передачей информации, а также своими параметрами шифрования. ( прим. ИТМиВТ: IEEE 802.15.4 предоставляет только сервис пакетной передачи данных. Поверх него, конечно, можно реализовать потоковую, но в ZigBee таковой нет.) Наиболее перспективным считается создание на основе IEEE 802.15.4 беспроводных сенсорных сетей (wireless sensor networks или WSN), то есть множества самостоятельных сенсоров, объединенных в единую систему "чувств" для компьютера. Очень часто при разговоре о сенсорных сетях приводится пример домашнего ПК, для которого микрофон – это сенсор звука, ИК порт – сенсор света определенного диапазона и т.п., хотя это только пример для понимания концепции - передача сигналов от разных "органов чувств" компьютеру потребует разной скорости передачи данных в канале, во многих случаях превосходящей возможности IEEE 802.15.4. Так что сенсоры - это, обычно, органы чувств, от которых поступает мало информации, а при ограничении в энергопотреблении эти органы чувств по большей части "спят".

В рамках концепции сенсорной сети, соединенные между собой по беспроводному интерфейсу устройства могут обмениваться информацией и передавать данные на центральный гейт. В данном случае ZigBee отвечает всем требованиям, предъявляемым технологией к беспроводному стандарту: любой сенсор может быстро подключаться или отключаться от сети, передавая небольшие объемы данных и практически не потребляя электроэнергии.

Как упоминалось выше, сеть ZigBee поддерживает так называемые "профили устройств". В этом смысле она близка к Bluetooth: есть устройства типа "сотовый телефон", а есть устройства типа "гарнитура"; и (в идеале) любое устройство первого типа должно беспрепятственно общаться с устройством второго типа. В стандарте ZigBee роли несколько отличаются от привычных нам по BlueTooth: здесь, например, предусмотрены профили для различных датчиков, в частности, для медицинского оборудования. В ZigBee, как в BlueTooth, профили устройств, совместимы на уровне стека протокола, то есть они могут объединяться в сеть, передавать, принимать и ретранслировать сообщения, но "понимать" смысл передачи будет только то устройство, для которого эта информация предназначена. Это значит, что лампочка никогда не среагирует на команду "снять показания датчика", а температурный сенсор не будет "включать свет". В ZigBee профили устройств группируются по функциональному принципу, образуя кластеры, заложенные в основу стандарта: безопасность, сенсоры, освещение и т.п.

Устройства IEEE 802.15.4 и ZigBee

Для соединения с другими устройствами семейства ZigBee оборудование должно иметь приемопередатчик IEEE 802.15.4 и микроконтроллер с программным обеспечением, реализующий стек протокола ZigBee (для чего требуется около 100 кБайт памяти контроллера). Достаточно ознакомиться со списком участников Альянса ZigBee, чтобы увидеть, что свои решения на рынке ZigBee предлагают множество производителей, среди которых прослеживаются и явные лидеры. Приемо-передатчики ZigBee начинают встраиваться в бытовую технику и пользовательскую электронику, обещая в будущем "управлять при помощи коммуникатора всеми функциями домашних устройств". К сожалению, несмотря на все прогнозы специалистов о расширении применения ZigBee, этот стандарт служит, скорее, для специализированных решений в узких областях, хотя его использование могло бы быть намного шире.

На тот момент, когда наш журнал в прошлый раз обращался к теме ZigBee (см. Телемультимедиа , 2005: Сетевая технология ZigBee и Радиосети для сбора данных от сенсоров, мониторинга и управления на основе стандарта IEEE 802.15.4), стандарт еще не был одобрен для применения в России, что существенно тормозило его развитие. Стандарт можно было использовать для построения устройств и сетей, однако каждая такая сеть требовала отдельной сертификации. С мая 2007 года в России сертифицированы устройства 802.15.4, мощность излучения которых не превышает 10 мВт на открытой местности и 100 мВт в помещении. (см. выдержку из решения ГКРЧ о работе в частотном диапазоне 2400.0 .. 2483.5 МГц ) Казалось бы, все пути открыты? Почему же тогда ZigBee не движется в массы с той же скоростью, как когда-то ступал GSM?

Специалисты ИТМиВТ (Института точной механики и вычислительной техники) согласились поделиться своим мнением по этому вопросу: "Нельзя сказать, что Россия сильно отстает в плане развития технологии ZigBee от других стран. В мае 2007 года специалисты ИТМиВТ посетили первую европейскую конференцию Альянса производителей оборудования ZigBee (ZigBee Alliance), проходившую в Париже. На выставке последних достижений разработчиков ZigBee было представлено множество интересных технических новинок, но при этом не было ни одного продукта или решения, готового к массовому выпуску. Мы опросили всех участников выставки и выяснили, что продукты с использованием технологии ZigBee находятся в стадии разработки и ряда пилотных внедрений. Такая ситуация сохраняется в мире на протяжении последних 3-4 лет. Мы связываем ее с недостаточной проработкой базовой версии стека протоколов ZigBee, накладывающей ряд ограничений на его применение, в частности, необходимость стационарного питания промежуточных узлов-ретрансляторов. Именно поэтому в большинстве реализованных пилотных проектов в мире используются частные реализации базовой версии протокола ZigBee", – Максим Бочкарев, менеджер по развитию направления беспроводных систем мониторинга, ИТМиВТ им. С.А. Лебедева РАН.

Возможно, толчок к развитию будет дан запланированной на 2008 год публикацией полной спецификации ZigBee на сайте Альянса, ранее недоступной не членам консорциума. Есть еще один аргумент против ZigBee. Стандарт IEEE 802.15.4, на котором основана программная надстройка, действительно оказался удачным. И немалое количество производителей разрабатывает устройства стандарта IEEE 802.15.4 в России. Но в связи с ограниченными бюджетами на разработку и малыми тиражами выпуска, мало кто сертифицирует свои творения под ZigBee, даже если они поддерживают практически полный набор функций спецификации. Сертификация для ZigBee требует вложения денег и времени; в первую очередь – это тестирование устройства, далее – покупка диапазона MAC адресов и т.п. Большинство разработчиков предпочитают отказаться от малоизвестного логотипа и сэкономить на весьма недешевом процессе сертификации.

Тем не менее, в направлении ZigBee все-таки идет работа. К примеру, компания Freescale проводит на базе своего партнера, компании КОМПЭЛ, регулярные семинары, посвященные проблемам IEEE 802.15.4 и ZigBee, а также пользе сертификации оборудования по спецификации Альянса. А ИТМиВТ им. С.А. Лебедева РАН в настоящее время заканчивает сертификацию в Российском центре сертификации и Ростехнадзоре и приступает к внедрению ряда коммерческих продуктов, таких как система беспроводной пожарно-охранной сигнализации и ряд систем для промышленного мониторинга, основанных на несколько доработанной версии стека протоколов ZigBee. Ключевой особенностью реализации протокола, разработанной в ИТМиВТ, является возможность построения полностью автономной беспроводной сенсорной сети.

Этими двумя компаниями не ограничивается представительство интересов IEEE 802.15.4 в России, однако остальные участники рынка пока только лишь заинтересованно наблюдают за дальнейшим путем ZigBee, опасаясь вкладывать деньги в столь новые решения. "Как и на любом зарождающемся рынке инновационных продуктов, в первое время на нем представлены компании-энтузиасты, выросшие из лабораторий различных институтов. Эти компании являются пионерами рынка, прилагающими значительные усилия и средства на продвижение новой технологии и совершенствование ее технических характеристик", – Максим Бочкарев.

Редакция благодарит компании Freescale и КОМПЭЛ за предоставленную возможность участия в семинаре по zigbee, который проводился в апреле 2008 в Петербурге,и за замечательные иллюстрации к статье, взятые из материалов семинара.