ZigBee नेटवर्क। क्यों और क्यों?

क्या आप अपने शलजम खरोंच?
सुनहरीमछली के लिए दूसरे नेटवर्क की जरूरत होती है!

वास्तव में, मैं RTLS के काम के लिए समर्पित विषयों की एक श्रृंखला जारी रखने जा रहा था - एक वास्तविक समय की स्थिति । अर्थात्, ZigBee नेटवर्क पर आधारित प्रणाली के वायरलेस बुनियादी ढांचे के बारे में बात करते हैं। लेकिन अचानक मुझे यह जानकर आश्चर्य हुआ कि IEEE 802.15.4 मानक और ZigBee विनिर्देशन के लिए समर्पित Habrahabr पर कोई प्रकाशन नहीं हैं। इस या उस एप्लिकेशन से संबंधित कुछ उल्लेख हैं। मैं इस अंतर को भरने के लिए यथासंभव प्रयास करूंगा।

हाल ही में, वायरलेस सेंसर नेटवर्क तेजी से व्यापक और महत्वपूर्ण हो गए हैं। नेटवर्क, जो उनके उद्देश्य, मापदंडों, विनिर्देशों में संचार नेटवर्क से काफी भिन्न होते हैं - वाईफाई, जीएसएम, एलटीई, आदि। सेंसर नेटवर्क में उपयोग किए जाने वाले अन्य में, ZigBee विनिर्देश बाहर खड़ा है - IEEE 802.15.4 मानक पर सबसे उन्नत ऐड-ऑन
इस साल ZigBee एलायंस की स्थापना के 10 साल बाद से और अक्टूबर ZigBee प्रो फ़ीचर सेट 2006 विनिर्देश के अनुमोदन के बाद से 5 साल के निशान है। इसलिए प्रकाशन को वर्षगांठ माना जा सकता है।

उन लोगों के लिए जो स्वयं-आयोजन आत्म-चिकित्सा से परिचित होना चाहते हैं और विशेष आवृत्ति संकल्प सेंसर नेटवर्क की आवश्यकता नहीं है, मैं बिल्ली के लिए पूछता हूं।




मैं शीर्षक में प्रश्नों के साथ शुरू करूँगा:

क्यों?

कई अनुप्रयोगों को वायरलेस संचार नेटवर्क की आवश्यकता होती है, जिसमें उच्च संचरण की गति नहीं होती है, लेकिन विश्वसनीय, दृढ़ (आत्म चिकित्सा), तैनात करने और संचालित करने में आसान है। यह भी महत्वपूर्ण है कि ऐसे नेटवर्क के उपकरण स्वायत्त बिजली स्रोतों से लंबे समय तक संचालन की अनुमति देते हैं, कम लागत है, और कॉम्पैक्ट है। ऐसे एप्लिकेशन का एक उदाहरण "स्मार्ट होम" है।
नेटवर्क मानकों में से कोई भी 10 साल पहले आवश्यकताओं के इस संयोजन को पूरा नहीं करता था, जिसके कारण IEEE 802.15.4 और ZigBee मानकों का निर्माण हुआ, जो स्थिर स्केलेबल मल्टी-स्टेप वायरलेस नेटवर्क का वर्णन करते हैं जो विभिन्न प्रकार के अनुप्रयोगों को तैनात करना और समर्थन करना आसान है।

क्यों ZigBee?

ZigBee नेटवर्क, अन्य वायरलेस डेटा नेटवर्क के विपरीत, उपरोक्त आवश्यकताओं को पूरी तरह से संतुष्ट करते हैं, अर्थात्:
क) नेटवर्क के जाल टोपोलॉजी और विशेष रूटिंग एल्गोरिदम के उपयोग के लिए धन्यवाद, ZigBee नेटवर्क व्यक्तिगत नोड्स (एक बाधा की घटना), अधिभार या एक तत्व की विफलता के बीच एक वियोग की स्थिति में पैकेट की आत्म-चिकित्सा और गारंटीकृत वितरण प्रदान करता है;
बी) ZigBee विनिर्देश वायरलेस चैनलों और एक लचीली सुरक्षा नीति पर प्रेषित डेटा की क्रिप्टोग्राफिक सुरक्षा प्रदान करता है;
ग) ZigBee उपकरणों को कम बिजली की खपत की विशेषता होती है, विशेष रूप से अंत उपकरणों में जिनके लिए स्लीप मोड प्रदान किया जाता है, जो इन उपकरणों को एक साधारण एए बैटरी और यहां तक ​​कि एएए से तीन साल तक संचालित करने की अनुमति देता है;
d) ZigBee नेटवर्क स्व-व्यवस्थित है, इसकी संरचना विन्यासकर्ता स्टैक के प्रोफाइल मापदंडों द्वारा निर्धारित की जाती है और इसे बनाने वाले उपकरणों के नेटवर्क से कनेक्ट करके (री-कनेक्टिंग) द्वारा स्वचालित रूप से बनाई जाती है, जो कि केवल अतिरिक्त उपकरणों को कनेक्ट करके तैनाती की आसानी और स्केलिंग में आसानी सुनिश्चित करती है;
ई) ZigBee डिवाइस कॉम्पैक्ट हैं और उनकी लागत अपेक्षाकृत कम है।
ZigBee नेटवर्क में संचार क्रमिक रूप से पैकेट को स्रोत नोड से गंतव्य नोड पर ले जाया जाता है। ZigBee नेटवर्क में कई वैकल्पिक रूटिंग एल्गोरिदम हैं जो स्वचालित रूप से चुने गए हैं।
मानक कई आवृत्ति रेंज में चैनलों का उपयोग करने की संभावना के लिए प्रदान करता है। उच्चतम संचरण गति और सर्वश्रेष्ठ शोर प्रतिरक्षा 2.4 से 2.48 गीगाहर्ट्ज़ तक होती है। इस रेंज में, 5 मेगाहर्ट्ज के 16 चैनल प्रदान किए जाते हैं।
ZigBee को बिजली की खपत, कॉम्पैक्टनेस और कम लागत को कम करने के लिए जो कीमत चुकानी पड़ी वह अपेक्षाकृत कम डेटा ट्रांसफर दर है।
"सकल" गति (सेवा की जानकारी सहित) 250 kbit / s है। नेटवर्क लोड और रिले की संख्या के आधार पर उपयोगी डेटा की औसत अंतरण दर 5 से 40 kbit / s है।
नेटवर्क के वर्कस्टेशन के बीच की दूरी दसियों मीटर और घर के बाहर सैकड़ों मीटर है। रिट्रांसमिशन के कारण, नेटवर्क द्वारा कवर किया गया क्षेत्र काफी महत्वपूर्ण हो सकता है: एक कमरे में कई हजार वर्ग मीटर तक और एक खुली जगह में कई हेक्टेयर तक। इसके अलावा, ZigBee नेटवर्क को किसी भी समय नए तत्वों को जोड़ा जा सकता है या इसके विपरीत कई क्षेत्रों में विभाजित किया जा सकता है। यह लोड को कम करने के लिए उपयोगी हो सकता है और इस प्रकार डेटा ट्रांसफर दर को बढ़ा सकता है।

थोड़ा इतिहास

ZigBee एलायंस 2002 में स्थापित किया गया था। अब इसमें 300 से अधिक कंपनियां शामिल हैं। गठबंधन का लक्ष्य प्रभावी वायरलेस नेटवर्क प्रोटोकॉल विकसित करना और विभिन्न निर्माताओं से उपकरणों की संगतता सुनिश्चित करना है। पहले मानकों को 2003 में "जन्म" दिया गया था और सक्रिय रूप से सुधार और विस्तार किया गया था।
स्टोचैस्टिक एड्रेसिंग, कई-टू-वन और सोर्स रूटिंग तंत्र पेश किए गए, साथ ही असममित कनेक्शनों का पता लगाने की संभावना है, जिसने कई विशिष्ट अनुप्रयोगों के लिए ज़िगबी नेटवर्क की दक्षता में वृद्धि की।
मानक एप्लीकेशन प्रोफाइल और एक मानक क्लस्टर लाइब्रेरी विकसित की गई है। इसने विभिन्न निर्माताओं के उपकरणों का उपयोग करके नए समाधानों के कार्यान्वयन को सुगम और त्वरित बनाने के साथ अनुप्रयोगों के विकास को बहुत सरल बनाया।
कई नए तंत्र पेश किए गए हैं जो नेटवर्क की सुरक्षा और विश्वसनीयता बढ़ाते हैं।
हस्तक्षेप के मामले में "क्लीन" फ्रीक्वेंसी चैनल के लिए एक स्वचालित संक्रमण प्रदान किया जाता है।
वर्तमान ज़िगबी प्रो फ़ीचर सेट 2006 विनिर्देश अक्टूबर 2007 में अपनाया गया था।

ZigBee डिवाइसेस

ZigBee नेटवर्क तीन बुनियादी प्रकार के बेस स्टेशनों से निर्मित होते हैं: समन्वयक, राउटर और एंड डिवाइस।
समन्वयक नेटवर्क का शुभारंभ और प्रबंधन करता है। यह एक नेटवर्क बनाता है, एक नेटवर्क प्रबंधन केंद्र और एक ट्रस्ट सेंटर (ट्रस्ट-सेंटर) के कार्य करता है - एक सुरक्षा नीति स्थापित करता है, नेटवर्क से उपकरणों को जोड़ने की प्रक्रिया में सेटिंग्स सेट करता है, सुरक्षा कुंजी का प्रबंधन करता है।
राउटर पैकेट का अनुवाद करता है, गतिशील रूटिंग करता है, नेटवर्क की भीड़ या किसी भी डिवाइस की विफलता के मामले में मार्गों को पुनर्स्थापित करता है। नेटवर्क बनाते समय, राउटर समन्वयक या अन्य राउटर से जुड़ते हैं, और चाइल्ड डिवाइस - राउटर और एंड डिवाइस को कनेक्ट कर सकते हैं। राउटर निरंतर मोड में काम करते हैं, स्थिर शक्ति रखते हैं और "सो" उपकरणों की सेवा कर सकते हैं। राउटर 32 सो उपकरणों तक सेवा कर सकता है।
अंतिम उपकरण पैकेट प्राप्त कर सकता है और भेज सकता है, लेकिन उनके प्रसारण और मार्ग में शामिल नहीं है। अंत डिवाइस एक समन्वयक या राउटर से कनेक्ट हो सकते हैं, लेकिन बाल डिवाइस नहीं हो सकते।
बैटरी खत्म होने से बचाने के लिए एंड डिवाइस स्लीप मोड में जा सकते हैं। यह अंत उपकरण है जो सेंसर, स्थानीय नियंत्रकों और एक्चुएटर्स से निपटते हैं।

नेटवर्क का गठन

ZigBee नेटवर्क स्व-व्यवस्थित है, और इसका काम गठन के साथ शुरू होता है। व्यक्तिगत नेटवर्क समन्वयक (पैन समन्वयक) द्वारा डिजाइन के दौरान निर्दिष्ट डिवाइस हस्तक्षेप से मुक्त चैनल को निर्धारित करता है और कनेक्शन अनुरोधों की प्रतीक्षा करता है।
नेटवर्क में शामिल होने की कोशिश करने वाले डिवाइस एक प्रसारण अनुरोध भेजते हैं। जबकि पैन समन्वयक नेटवर्क में एकमात्र उपकरण है, केवल वह अनुरोध का जवाब देता है और नेटवर्क तक पहुंच प्रदान करता है। भविष्य में, नेटवर्क में शामिल होने से उन राउटरों को भी प्रदान किया जा सकता है जो नेटवर्क में शामिल हो गए हैं।
एक उपकरण जो प्रसारण अनुरोध के लिए प्रतिक्रिया प्राप्त करता है वह कनेक्ट करने वाले डिवाइस के साथ संदेशों का आदान-प्रदान करता है यह निर्धारित करने के लिए कि क्या इसे कनेक्ट किया जा सकता है। क्षमता पहले से जुड़े लोगों के अलावा नए उपकरणों की सेवा करने के लिए कनेक्टिंग राउटर की क्षमता से निर्धारित होती है।
नेटवर्क से जुड़ना (संबद्धता)
इसमें शामिल होने के दो तरीके हैं: मैक एसोसिएशन और रीकनेक्ट (NWK rejoin)।
मैक एसोसिएशन
मैक एसोसिएशन किसी भी ZigBee डिवाइस के लिए उपलब्ध है और मैक स्तर पर लागू किया जाता है। मैक एसोसिएशन तंत्र इस प्रकार है:
एक उपकरण जो आपको इसमें शामिल होने की अनुमति देता है वह मैक स्तर पर शामिल होने की अनुमति को उजागर करता है।
नेटवर्क में प्रवेश करने वाला एक उपकरण मैक स्तर पर एक जुड़ने का अनुरोध जारी करता है और एक प्रसारण बीकन अनुरोध को प्रसारित करता है।
डिवाइस से कनेक्ट होने के लिए तैयार डिवाइस से एक बीकन प्राप्त करने के बाद, बाद वाला निर्धारित करता है कि वह किस नेटवर्क और किस डिवाइस से जुड़ना चाहता है, और FALSE मान में "पुन: कनेक्ट" ध्वज के साथ प्रविष्टि की आवश्यकता के लिए मैक स्तर सेट करता है।
फिर, आने वाली डिवाइस कनेक्शन के लिए चयनित डिवाइस के लिए एक कनेक्शन अनुरोध भेजती है और इसे सौंपे गए नेटवर्क पते के साथ प्रतिक्रिया प्राप्त करती है।
मैक संघों के मामले में, प्रेषित डेटा एन्क्रिप्ट नहीं किया गया है; इसलिए, मैक एसोसिएशन सुरक्षित नहीं है।
बार-बार नेटवर्क कनेक्शन दोहराया नेटवर्क कनेक्शन, नाम के विपरीत, प्रारंभिक कनेक्शन के दौरान उपयोग किया जा सकता है। यह नेटवर्क स्तर पर चलता है। इस मामले में, यदि आने वाले डिवाइस को वर्तमान नेटवर्क कुंजी पता है, तो पैकेट एक्सचेंज सुरक्षित हो सकता है। कुंजी प्राप्त की जा सकती है, उदाहरण के लिए, कॉन्फ़िगरेशन के दौरान।
पुन: कनेक्ट करते समय, कनेक्टिंग डिवाइस नेटवर्क स्तर पर कनेक्शन अनुरोध जारी करता है और "कनेक्शन अनुरोध" का आदान-प्रदान करता है - "कनेक्टिंग अनुरोध के लिए प्रतिक्रिया" कनेक्टिंग डिवाइस के साथ पैकेट।
नेटवर्क की गतिशीलता
ऐसे मामलों के अलावा जब नए उपकरण जुड़े होते हैं, तो नेटवर्क संरचना भी बदल जाती है जब उपकरण नेटवर्क को छोड़ देते हैं और अन्य स्थानों पर फिर से कनेक्ट हो जाते हैं (ऐसा होता है, उदाहरण के लिए, डिवाइस रिबूट के मामले में)।
नीचे दिया गया आंकड़ा पुनरावृत्ति का एक उदाहरण है। "0E3B" पते के साथ डिवाइस "097D" और फिर "0260" के रूप में पुन: जुड़ता है। हर बार यह एक और राउटर से जुड़ता है और कनेक्टिंग राउटर के लिए उपलब्ध पतों की सीमा से एक पता प्राप्त करता है।




ट्री नेटवर्क में अंत डिवाइस को फिर से कनेक्ट करना

नेटवर्क प्रोटोकॉल

IEEE 802.15.4 और ZigBee 2007 विनिर्देश मानकों द्वारा विनियमित प्रोटोकॉल एक वायरलेस सेंसर नेटवर्क के गठन और संचालन को सुनिश्चित करते हैं।
IEEE 802.15.4 मानक भौतिक और MAC परतों को परिभाषित करता है, और ZigBee विनिर्देश नेटवर्क परत और अनुप्रयोग परत को परिभाषित करता है। आंकड़ा ZigBee प्रोटोकॉल स्टैक दिखाता है।



ZigBee प्रोटोकॉल स्टैक

मैं माफी मांगता हूं, लेकिन इस बिंदु पर मैं देर से आने के कारण बाधित होने के लिए मजबूर हूं। प्रोटोकॉल स्टैक का विवरण यहां पाया जा सकता है: http://www.rtlsnet.ru/technology/view/3 ।

यदि हैबरचियन विषय में रुचि दिखाते हैं, तो मैं स्टैक प्रोफाइल, नेटवर्क टोपोलॉजी विकल्प, रूटिंग एल्गोरिदम, एप्लिकेशन प्रोफाइल, क्लस्टर, एंडपॉइंट, बाइंडिंग, साथ ही सुरक्षा का वर्णन करने का कार्य करता हूं। यही है, यह बताने के लिए कि वास्तव में, टोपोलॉजी कैसे बनती है, मार्गों का निर्माण और पुनर्स्थापन होता है, कैसे बाहरी उपकरणों को एक मानक तरीके से जोड़ा और प्रोग्राम किया जाता है - सेंसर, नियंत्रक, एक्ट्यूएटर।