Architettura tecnologica ZigBee e sue applicazioni

In questo mondo di comunicazione attuale, sono disponibili numerosi standard di comunicazione ad alta velocità di trasmissione dati, ma nessuno di questi soddisfa gli standard di comunicazione dei sensori e dei dispositivi di controllo. Questi standard di comunicazione ad alta velocità di trasmissione dati richiedono una bassa latenza e un basso consumo energetico anche a larghezze di banda inferiori. La tecnologia Zigbee dei sistemi wireless proprietari disponibili è a basso costo e a basso consumo energetico e le sue caratteristiche eccellenti e superbe rendono questa comunicazione più adatta per diverse applicazioni integrate , controllo industriale, automazione domestica e così via. La gamma della tecnologia Zigbee per le distanze di trasmissione varia principalmente da 10 a 100 metri in base alla potenza in uscita e alle caratteristiche ambientali.

Cos'è la tecnologia Zigbee?

La comunicazione Zigbee è appositamente progettata per reti di controllo e sensori sullo standard IEEE 802.15.4 per reti wireless personali (WPAN) ed è il prodotto dell'alleanza Zigbee. Questo standard di comunicazione definisce i livelli fisici e MAC (Media Access Control) per gestire molti dispositivi a basse velocità di trasmissione dati. Questi WPAN di Zigbee funzionano a frequenze di 868 MHz, 902-928 MHz e 2,4 GHz. La velocità di trasmissione dati di 250 kbps è più adatta per la trasmissione periodica e intermedia di dati a due vie tra sensori e controller.

Cos'è la tecnologia Zigbee?

Zigbee è una rete mesh a basso costo e bassa potenza ampiamente implementata per il controllo e il monitoraggio di applicazioni in cui copre 10-100 metri all'interno del raggio. Questo sistema di comunicazione è meno costoso e più semplice degli altri proprietari a corto raggio reti di sensori wireless come Bluetoot he Wi-Fi.

Modem Zigbee

Zigbee supporta diverse configurazioni di rete per le comunicazioni da master a master o da master a slave. Inoltre, può essere utilizzato in diverse modalità di conseguenza, la carica della batteria viene conservata. Le reti Zigbee sono estendibili con l'uso di router e consentono a molti nodi di interconnettersi tra loro per costruire una rete di area più ampia.

Storia della tecnologia Zigbee

Nell'anno 1990 sono state implementate le reti radio digitali con auto-organizzazione ad hoc. La specifica Zigbee come IEEE 802.15.4-2003 è stata approvata nel 2004, il 14 dicembre. La specifica 1.0 è stata annunciata da Zigbee Alliance nel 2005, il 13 giugno, chiamata Specifica di ZigBee 2004.

Libreria cluster

Nell'anno 2006, settembre, la specifica di Zigbee 2006 è stata annunciata sostituendo lo stack del 2004. Quindi questa specifica sostituisce principalmente la struttura a coppie di chiave-valore e messaggio utilizzata nello stack del 2004 attraverso una libreria di cluster.

Una libreria include una serie di comandi coerenti, pianificati sotto gruppi chiamati cluster con nomi come Home Automation, Smart Energy e Light Link di ZigBee. Nell'anno 2017, la biblioteca è stata rinominata con Dotdot da Zigbee Alliance e annunciata come nuovo protocollo. Quindi, questo Dotdot ha funzionato per circa tutti i dispositivi Zigbee come livello di applicazione predefinito.

Zigbee Pro

Nell'anno 2007, Zigbee Pro come Zigbee 2007 è stato finalizzato. È un tipo di dispositivo che funziona su una rete Zigbee legacy. A causa delle disparità tra le opzioni di instradamento, questi dispositivi dovrebbero trasformarsi in ZED senza instradamento o dispositivi terminali Zigbee (ZED) su una rete Zigbee legacy. I dispositivi Zigbee legacy devono trasformarsi in dispositivi finali Zigbee su una rete di Zigbee Pro. Funziona attraverso la banda ISM a 2,4 GHz e include una banda sub-GHz.

Come funziona la tecnologia Zigbee?

La tecnologia Zigbee funziona con le radio digitali consentendo a diversi dispositivi di conversare tra loro. I dispositivi utilizzati in questa rete sono un router, un coordinatore e dispositivi finali. La funzione principale di questi dispositivi è fornire le istruzioni e i messaggi del coordinatore ai singoli dispositivi terminali come una lampadina.

In questa rete, il coordinatore è il dispositivo più essenziale che è posto all'origine del sistema. Per ogni rete, c'è semplicemente un coordinatore, utilizzato per svolgere compiti diversi. Scelgono un canale adatto per scansionare un canale e per trovare quello più appropriato attraverso il minimo di interferenze, assegnano un ID esclusivo e un indirizzo a ogni dispositivo all'interno della rete in modo che i messaggi altrimenti le istruzioni possano essere trasferite nella rete .

I router sono organizzati tra il coordinatore così come i dispositivi finali responsabili dell'instradamento dei messaggi tra i vari nodi. I router ricevono i messaggi dal coordinatore e li memorizzano finché i loro dispositivi finali non sono in grado di riceverli. Questi possono anche consentire ad altri dispositivi finali e router di connettersi alla rete

In questa rete, le piccole informazioni possono essere controllate dai dispositivi finali comunicando con il nodo genitore come un router o il coordinatore in base al tipo di rete Zigbee. I dispositivi finali non dialogano direttamente tra loro. Innanzitutto, tutto il traffico può essere instradato verso il nodo principale come il router, che conserva questi dati fino a quando l'estremità ricevente del dispositivo non è in grado di farlo sapere. I dispositivi finali vengono utilizzati per richiedere eventuali messaggi in attesa dal genitore.

Architettura Zigbee

La struttura del sistema Zigbee è composta da tre diversi tipi di dispositivi come Zigbee Coordinator, Router e End device. Ogni rete Zigbee deve essere composta da almeno un coordinatore che funge da root e bridge della rete. Il coordinatore è responsabile della gestione e dell'archiviazione delle informazioni durante le operazioni di ricezione e trasmissione dei dati.

I router Zigbee fungono da dispositivi intermedi che consentono ai dati di passare avanti e indietro attraverso di essi ad altri dispositivi. I dispositivi finali hanno funzionalità limitate per comunicare con i nodi principali in modo tale che la carica della batteria venga salvata come mostrato nella figura. Il numero di router, coordinatori e dispositivi finali dipende dal tipo di reti come reti a stella, ad albero e mesh.

L'architettura del protocollo Zigbee consiste in una pila di vari livelli in cui IEEE 802.15.4 è definito da livelli fisici e MAC mentre questo protocollo è completato accumulando i livelli di rete e applicativi di Zigbee.

Architettura tecnologica ZigBee

Livello fisico : Questo strato esegue operazioni di modulazione e demodulazione rispettivamente alla trasmissione e alla ricezione dei segnali. Di seguito sono riportati la frequenza, la velocità dati e una serie di canali di questo livello.

Livello MAC : Questo livello è responsabile della trasmissione affidabile dei dati accedendo a reti diverse con il carrier sense multiple access collision avoidance (CSMA). Questo trasmette anche i frame beacon per sincronizzare la comunicazione.

Livello di rete : Questo livello si occupa di tutte le operazioni relative alla rete come la configurazione della rete, la connessione del dispositivo finale e la disconnessione dalla rete, il routing, le configurazioni del dispositivo, ecc.

Sottostrato di supporto dell'applicazione : Questo livello abilita i servizi necessari per gli oggetti del dispositivo Zigbee e gli oggetti dell'applicazione per interfacciarsi con i livelli di rete per i servizi di gestione dei dati. Questo livello è responsabile della corrispondenza di due dispositivi in ​​base ai loro servizi e bisogni.

Framework dell'applicazione : Fornisce due tipi di servizi dati come coppia chiave-valore e servizi di messaggi generici. Il messaggio generico è una struttura definita dallo sviluppatore, mentre la coppia chiave-valore viene utilizzata per ottenere attributi all'interno degli oggetti dell'applicazione. ZDO fornisce un'interfaccia tra gli oggetti dell'applicazione e il livello APS nei dispositivi Zigbee. È responsabile del rilevamento, dell'avvio e del collegamento di altri dispositivi alla rete.

Modalità operative Zigbee e relative topologie

I dati Zigbee a due vie vengono trasferiti in due modalità: modalità non beacon e modalità beacon. In una modalità beacon, i coordinatori ei router monitorano continuamente lo stato attivo dei dati in ingresso, quindi viene consumata più energia. In questa modalità, i router e i coordinatori non dormono perché in qualsiasi momento qualsiasi nodo può svegliarsi e comunicare.

Tuttavia, richiede più alimentazione e il suo consumo energetico complessivo è basso perché la maggior parte dei dispositivi è in uno stato inattivo per lunghi periodi nella rete. In una modalità beacon, quando non c'è comunicazione di dati dai dispositivi finali, i router e i coordinatori entrano in uno stato di sospensione. Periodicamente questo coordinatore si sveglia e trasmette i beacon ai router nella rete.

Queste reti di beacon funzionano per fasce orarie, il che significa che funzionano quando la comunicazione necessaria si traduce in cicli di lavoro inferiori e utilizzo più lungo della batteria. Queste modalità beacon e non beacon di Zigbee possono gestire tipi di dati periodici (dati dei sensori), intermittenti (interruttori della luce) e ripetitivi.

Topologie Zigbee

Zigbee supporta diverse topologie di rete, tuttavia, le configurazioni più comunemente utilizzate sono le topologie a stella, a maglia e ad albero del cluster. Ogni topologia è costituita da uno o più coordinatori. In una topologia a stella, la rete è costituita da un coordinatore responsabile dell'avvio e della gestione dei dispositivi sulla rete. Tutti gli altri dispositivi sono chiamati dispositivi finali che comunicano direttamente con il coordinatore.

Viene utilizzato nei settori in cui sono necessari tutti i dispositivi endpoint comunicare con il controllore centrale e questa topologia è semplice e facile da distribuire. Nelle topologie mesh e ad albero, la rete Zigbee è estesa con diversi router in cui il coordinatore è responsabile del loro avvio. Queste strutture consentono a qualsiasi dispositivo di comunicare con qualsiasi altro nodo adiacente per fornire ridondanza ai dati.

Se un nodo si guasta, le informazioni vengono instradate automaticamente ad altri dispositivi da queste topologie. Poiché la ridondanza è il fattore principale nelle industrie, viene utilizzata principalmente la topologia mesh. In una rete ad albero dei cluster, ogni cluster è costituito da un coordinatore con nodi foglia e questi coordinatori sono collegati al coordinatore padre che avvia l'intera rete.

A causa dei vantaggi della tecnologia Zigbee come le modalità operative a basso costo e basso consumo e le sue topologie, questa tecnologia di comunicazione a corto raggio è più adatta per diverse applicazioni rispetto ad altre comunicazioni proprietarie, come Bluetooth, Wi-Fi, ecc. Alcune di queste di seguito vengono forniti confronti come la gamma di Zigbee, gli standard, ecc.

Perché basse velocità di trasmissione dati in Zigbee?

Sappiamo che sul mercato sono disponibili diversi tipi di tecnologie wireless come Bluetooth e WiFi che fornisce dati ad alta velocità. Tuttavia, le velocità di trasmissione dati in Zigbee sono inferiori perché lo scopo principale dello sviluppo di ZigBee è utilizzarlo nel controllo wireless e nel monitor.

La quantità di dati, così come la frequenza di comunicazione utilizzata in tali applicazioni, è estremamente bassa. Sebbene sia probabile che una rete come IEEE 802.15.4 raggiunga velocità di dati elevate, quindi la tecnologia Zigbee è basata sulla rete IEEE 802.15.4.

Tecnologia Zigbee nell'IoT

Sappiamo che Zigbee è un tipo di tecnologia di comunicazione simile al Bluetooth e al WiFi, tuttavia, ci sono anche numerose nuove alternative di rete in aumento come Thread, che è un'opzione per le applicazioni della domotica. Nelle principali città, le tecnologie Whitespace sono state implementate per casi d'uso in regioni più ampie basate su IoT.

ZigBee è una specifica WLAN (rete locale wireless) a bassa potenza. Fornisce meno dati utilizzando meno energia dai dispositivi collegati di frequente per spegnere una batteria. Per questo motivo, lo standard aperto è stato connesso tramite comunicazione M2M (machine-to-machine) e IoT industriale (Internet of things).

Zigbee è diventato un protocollo IoT accettato a livello globale. È già in competizione con Bluetooth, WiFi e Thread.

Dispositivi Zigbee

La specifica di IEEE 802.15.4 Zigbee include principalmente due dispositivi come i dispositivi a funzione completa (FFD) e i dispositivi a funzione ridotta (RFD). Un dispositivo FFD esegue diversi compiti che sono spiegati nelle specifiche e può adottare qualsiasi compito all'interno della rete.

Un dispositivo RFD ha capacità parziali quindi esegue attività limitate e questo dispositivo può dialogare con qualsiasi dispositivo all'interno della rete. Deve agire oltre che prestare attenzione all'interno della rete. Un dispositivo RFD può conversare semplicemente con un dispositivo FFD e viene utilizzato in applicazioni semplici come il controllo di un interruttore attivandolo e disattivandolo.

In un IEEE 802.15.4 n / w, i dispositivi Zigbee svolgono tre diversi ruoli come coordinatore, coordinatore PAN e dispositivo. Qui, i dispositivi FFD sono coordinatore e coordinatore PAN mentre il dispositivo è un dispositivo RFD / FFD.

La funzione principale di un coordinatore è la trasmissione dei messaggi. In una rete area personale, un controller PAN è un controller essenziale e un dispositivo è noto come se il dispositivo non fosse un coordinatore.
Lo standard ZigBee può creare tre dispositivi di protocollo a seconda dei dispositivi Zigbee, del coordinatore PAN, del coordinatore e delle specifiche standard di ZigBee come il coordinatore, il router e il dispositivo finale discussi di seguito.

Coordinatore Zigbee

In un dispositivo FFD, è un coordinatore PAN viene utilizzato per formare la rete. Una volta stabilita la rete, assegna l'indirizzo della rete ai dispositivi utilizzati all'interno della rete. Inoltre, instrada i messaggi tra i dispositivi finali.

Router Zigbee

Un router Zigbee è un dispositivo FFD che consente la portata della rete Zigbee. Questo router viene utilizzato per aggiungere più dispositivi alla rete. A volte, funge da dispositivo finale Zigbee.

Dispositivo finale Zigbee

Questo non è né un router né un coordinatore che si interfaccia fisicamente a un sensore altrimenti esegue un'operazione di controllo. In base all'applicazione, può essere un RFD o un FFD.

Perché ZigBee è migliore del WiFi?

In Zigbee, la velocità di trasferimento dei dati è inferiore rispetto al WiFi, quindi la velocità massima è semplicemente di 250 kbps. È molto meno rispetto alla minore velocità del WiFi.

Un'altra qualità migliore di Zigbee è il tasso di utilizzo dell'energia e la durata della batteria. Il suo protocollo dura diversi mesi perché una volta assemblato possiamo dimenticarlo.

Quali dispositivi utilizzano ZigBee?

Il seguente elenco di dispositivi supporta il protocollo ZigBee.

• Belkin WeMo
• Samsung SmartThings
• Serrature intelligenti Yale
• Philips Hue
• Termostati Honeywell
• Ikea Tradfri
• Sistemi di sicurezza Bosch
• Comcast Xfinity Box di Samsung
• Hive Active Heating e accessori
• Amazon Echo Plus
• Amazon Echo Show

Invece di collegare ogni dispositivo Zigbee separatamente, è necessario un hub centrale per controllare tutti i dispositivi. I dispositivi sopra menzionati, ovvero SmartThings e Amazon Echo Plus, possono anche essere utilizzati come hub Wink per svolgere un ruolo vitale all'interno della rete. L'hub centrale eseguirà la scansione della rete per tutti i dispositivi supportati e fornirà un semplice controllo dei dispositivi di cui sopra con un'app centrale.

Qual è la differenza tra ZigBee e Bluetooth?

La differenza tra Zigbee e Bluetooth è discussa di seguito.

Qual è la differenza tra LoRa e ZigBee?

Le principali differenze tra LoRa e Zigbee sono discusse di seguito.

Vantaggi e svantaggi della tecnologia Zigbee

I vantaggi di Zigbee includono quanto segue.

• Questa rete ha una struttura di rete flessibile
• La durata della batteria è buona.
• Il consumo di energia è inferiore
• Molto semplice da riparare.
• Supporta circa 6500 nodi.
• Meno costi.
• È autorigenerante e più affidabile.
• L'impostazione della rete è molto semplice oltre che semplice.
• I carichi sono distribuiti uniformemente sulla rete perché non include un controller centrale
• Anche il monitoraggio degli elettrodomestici è estremamente semplice utilizzando il telecomando
• La rete è scalabile ed è facile aggiungere / remotare il terminale ZigBee alla rete.

Gli svantaggi di Zigbee includono quanto segue.

• Ha bisogno delle informazioni di sistema per controllare i dispositivi basati su Zigbee per il proprietario.
• Rispetto al WiFi, non è sicuro.
• L'alto costo di sostituzione una volta che si verifica un problema all'interno degli elettrodomestici basati su Zigbee
• La velocità di trasmissione dello Zigbee è inferiore
• Non include diversi dispositivi finali.
• È molto rischioso essere utilizzato per informazioni private ufficiali.
• Non viene utilizzato come sistema di comunicazione wireless per esterni perché ha un limite di copertura inferiore.
• Simile ad altri tipi di sistemi wireless, questo sistema di comunicazione ZigBee è soggetto a fastidio da parte di persone non autorizzate.

Applicazioni della tecnologia Zigbee

Le applicazioni della tecnologia ZigBee includono quanto segue.

Automazione industriale: Nelle industrie manifatturiere e di produzione, un collegamento di comunicazione monitora continuamente vari parametri e apparecchiature critiche. Quindi Zigbee riduce considerevolmente questo costo di comunicazione e ottimizza il processo di controllo per una maggiore affidabilità.

Domotica: Zigbee è perfettamente adatto per controllare gli elettrodomestici da remoto come controllo del sistema di illuminazione, controllo degli apparecchi, controllo del sistema di riscaldamento e raffreddamento, operazioni e controllo delle apparecchiature di sicurezza, sorveglianza e così via.

Misurazione intelligente: Le operazioni remote di Zigbee nella misurazione intelligente includono la risposta al consumo di energia, il supporto dei prezzi, la sicurezza sul furto di energia, ecc.

Monitoraggio Smart Grid: Le operazioni Zigbee in questa smart grid coinvolgono monitoraggio remoto della temperatura , localizzazione dei guasti, gestione della potenza reattiva e così via.

La tecnologia ZigBee viene utilizzata per costruire progetti di ingegneria come il sistema di rilevazione delle impronte digitali wireless e l'automazione domestica.

Si tratta di una breve descrizione dell'architettura, delle modalità operative, delle configurazioni e delle applicazioni della tecnologia Zigbee. Ci auguriamo di averti fornito abbastanza contenuti su questo titolo, affinché tu possa comprenderlo meglio. Quindi, si tratta di una panoramica della tecnologia Zigbee e si basa sulla rete IEEE 802.15.4. La progettazione di questa tecnologia può essere estremamente efficace, quindi funziona in tutti i tipi di ambienti.

Fornisce flessibilità e sicurezza per diversi ambienti. La tecnologia Zigbee ha guadagnato così tanta popolarità nel mercato perché fornisce una rete mesh coerente consentendo a una rete di controllare una vasta regione e fornisce anche comunicazioni a bassa potenza. Quindi questa è una tecnologia IoT perfetta. Ecco una domanda per te, quali sono le diverse tecnologie di comunicazione wireless disponibili sul mercato? Per ulteriore aiuto e assistenza tecnica, puoi contattarci commentando di seguito.