ZIGBEE NETWORKS - INTERESTING APPLICATIONS SIECI ZIGBEE CIEKAWE ZASTOSOWANIA

Transkrypt

1 inż. Piotr Majorek I rok, II stopień Koło Naukowe Techniki Cyfrowej dr inż. Wojciech Mysiński opiekun naukowy ZIGBEE NETWORKS - INTERESTING APPLICATIONS SIECI ZIGBEE CIEKAWE ZASTOSOWANIA Keywords: Zigbee, wireless networks, sensors Słowa kluczowe: Zigbee, sieci bezprzewodowe, czujniki This article describes the ZigBee standard for wireless communication, particularly focusing on the interesting applications of this technology. At the beginning, presents the most important parameters of ZigBee networks and their comparison with other solutions. The next section describes the main applications for which the standard was created, the industry and home automation. The last section provides interesting examples of the use of standard ZigBee. 1. Wstęp Niniejszy artykuł opisuje standard komunikacji bezprzewodowej ZigBee, w szczególności skupiając się na ciekawych zastosowaniach tej technologii. Na początku przedstawiono najważniejsze parametry sieci ZigBee i ich porównanie z innymi rozwiązaniami. W kolejnej części zostały opisane główne zastosowania, do jakich standard został stworzony, czyli przemysł i automatyka domowa. Ostatni rozdział przedstawia ciekawe przykłady użycia standardu ZigBee.

2 2. Standard ZigBee 2.1. Czym jest ZigBee? Standard ZigBee jest specyfikacją protokołów transmisji danych w sieciach bezprzewodowych. Sieci oparte na ZigBee charakteryzują się bardzo małym poborem energii, niewielkimi prędkościami przesyłu danych (do 250kbps) oraz zasięgiem między węzłami do 100m. Typowymi zastosowaniami są sieci sensorowe, sieci personalne (WPAN), automatyka domowa, systemy alarmowe i systemy monitoringu. Za powstanie standardu odpowiedzialna jest grupa ZigBee Alliance, która rozpoczęła działalność w 1998 roku. ZigBee Alliance jest stowarzyszeniem firm (aktualnie ponad 150 członków) działających dla opracowania i rozwijania otwartego standardu dotyczącego transmisji bezprzewodowej niskiej mocy [1]. Specyfikacja ZigBee została wydana w 2005r Porównanie standardów Rysunek 1. Porównanie standardów komunikacji bezprzewodowej [2] Porównując standard ZigBee z innymi standardami bezprzewodowego przesyłu danych można zauważyć, że ZigBee ma relatywnie najmniejszy zasięg, aczkolwiek należy pamiętać, że jest to zasięg pomiędzy dwoma nadajnikami i istnieje możliwość przekazywania danych na dalsze odległości za pomocą urządzeń skonfigurowanych jako router. Prędkość transmisji także jest niewielka, ponieważ standard przewiduje użytkowanie w aplikacjach nie wymagających przesyłu dużych ilości danych, lecz małych paczek informacji w dużych odstępach czasu.

3 Tabela 1. Porównanie standardów komunikacji bezprzewodowej Sieci ZigBee charakteryzują się zasięgiem do około 100m (między węzłami), małymi prędkościami (do 250 kbps) i niewielkim poborem energii. Działają w pasmach ISM: 868 MHz, 915 MHz lub 2,4 GHz. Korzystają z metody dostępu CSMA/CA z modulacją BPSK dla pasm 868/915 MHz i O-QPSK dla pasma 2,4 GHz. Ilość kanałów dla 2,4 GHz to 16 kanałów a szerokość każdego z nich wynosi 5MHz. Pośród urządzeń ZigBee można wyróżnić ich trzy rodzaje: Urządzenie końcowe (ZigBee End Device ZED). Jego zadaniem jest przesył danych do routera do którego jest przyłączone. Router (ZigBee Router ZR). Przesyła pakiety dalej, tworząc mosty pomiędzy nadajnikami jeżeli istnieje konieczność zwiększenia zasięgu. Koordynator (ZigBee Coordinator ZC). W każdej sieci może występować tylko jedno takie urządzenie, które służy jako węzeł początkowy, do którego mogą się przyłączać pozostałe urządzenia. Jednocześnie pełni rolę urządzenia zbierającego dane. Oprócz powyższego podziału istnieje także podział na urządzenia o pełnej funkcjonalności (Full Function Device FFD) oraz urządzenia o ograniczonej funkcjonalności (Reduced Function Device RFD). Urządzenia RFD mogą komunikować się tylko z koordynatorem, dzięki czemu możliwa jest łatwa implementacja kolejnych urządzeń i ograniczenie zużycia energii. Natomiast urządzenia FFD moją możliwość komunikowania się pomiędzy sobą.

4 2.3. Charakterystyka ZigBee/IEEE Najbardziej charakterystycznymi własnościami dla sieci ZigBee są: Podwójny protokół warstwy fizycznej (dla 2.4GHz i 868/915 MHz) Szybkość transmisji: 250 kbps (2.4 GHz), 40 kbps (915 MHz), 20 kbps (868 MHz) Zoptymalizowany dla aplikacji o krótkim cyklu pracy (<0.1%) Dostęp do kanału obsługi z użyciem CSMA/CA - uzyskuje wysoką przepustowość i małe opóźnienie dla urządzeń o krótkim cyklu pracy takich jak czujniki i kontrolki. Niski pobór mocy czas zużywania baterii zasilających: wiele miesięcy do kilku lat. Możliwe wiele topologii sieciowych: gwiaździsta, peer-to-peer, kratowa. Przestrzeń adresowa: do 18,450,000,000,000,000,000 urządzeń (64-bitowy adres IEEE), do 65,535 sieci Możliwe zagwarantowanie szczeliny czasowej dla aplikacji wymagających małego opóźnienia. Protokół hand-shaked niezawodności transferu Zasięg: 100m - standardowy (5-500m zależnie od środowiska) 3. Typowe zastosowania 3.1. Przemysł Jednym z głównych zastosowań dla jakich stworzona standard ZigBee jest wykorzystanie tej technologii w przemyśle. Podstawowymi zaletami są: Niskie koszty instalacji Możliwości prostej rozbudowy sieci Współpraca z innymi sieciami Specjalne techniki kompensujące wpływ szkodliwych czynników w środowisku przemysłowym (zakłócenia, interferencje oraz tłumienia związanego z odbiciami transmitowanego sygnału) np. FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) lub technika automatycznego routingu Rysunek 2. Przykład połączenia sieci tradycyjnej z siecią ZigBee [3]

5 ZigBee zapewnia możliwość łączenia się z innymi standardami np. Modbus za pomocą modemów. Jest to bardzo istotne gdy wdraża się nowe rozwiązania w budynku z już istniejącą infrastrukturą komunikacyjną Inteligentne budynki Kolejnym z zastosowań jest użycie omawianego standardu w tzw. inteligentnych budynkach, czyli obiektach mieszkalnych z dużą liczbą zautomatyzowanych rozwiązań np. automatyczna klimatyzacja, systemy alarmowe, kontrola zużywania energii poprzez sterowanie urządzeniami i oświetleniem pomieszczeń. Pomimo możliwości jakie oferuje technologia ZigBee, nie została dobrze przyjęta w domowej automatyce. Głównym tego powodem okazała się zbyt wysoka cena modułów bezprzewodowych względem reszty urządzeń pracujących w systemie. Drugim ważnym powodem tego stanu, jest mała dostępność urządzeń domowych wykorzystujących tę technologię. Ogólnie mówiąc w domowym zaciszu ZigBee jest jeszcze za mało spopularyzowane co przekłada się na wysokie ceny urządzeń. Rysunek 3. Koncepcja inteligentnego budynku [4] Rysunek 4. Przykład zastosowania w pomieszczeniu [5]

6 4. Ciekawe zastosowania 4.1. Pomiar zmiennych termodynamicznych opisujących parametry złoża ziarna podczas procesu przechowywania [6] Podczas przechowywania produktów rolnych np. ziarna w silosach, zachodzą procesy życiowe, które trzeba nieustannie kontrolować, tak by przechowywać produkt w jak najlepszych warunkach. Parametry na jakie trzeba zwrócić szczególną uwagę to: temperatura, wilgotność oraz skład powietrza w silosie. Ze względu na sposób przechowywania zboża (wysokie zbiorniki wypełnione bardzo dużą ilością produktu) wymagane jest zastosowanie wielu czujników rozmieszczonych w jak największej ilości punktów pomiarowych w przestrzeni. Stwarza to problem zbierania danych z tak ulokowanych czujników. Połączenie kablowe jest trudne do zrealizowania na tak dużych odległościach, a sama specyfika pracy w trudnych warunkach (duże masy materiałów sypkich) mogą powodować częste awarie połączeń. Dlatego Rysunek 5. Silos zbożowy najlepszym rozwiązaniem wydaje się zastosowanie łączności bezprzewodowej. Cele: Ograniczenie strat jakościowych produktów rolnych poprzez monitorowanie intensywności procesów życiowych zachodzących w złożu przechowywanego produktu Kontrolowanie temperatury, wilgotności oraz składu powietrza otaczającego składowany produkt Stworzenie sieci o dużych możliwościach przestrzennego rozmieszczania czujników 4.2. Komunikacja bezprzewodowa w transporcie Koncepcja Embedded Middleware in Mobility Applications (EMMA) zakłada możliwość zautomatyzowanej komunikacji w środku pojazdu, pomiędzy pojazdami, i pomiędzy pojazdami a infrastrukturą transportową [7]. Sieci ZigBee mają duży potencjał w firmach transportowych gdzie dobra logistyka jest kluczem do sukcesu. Zautomatyzowanie takich procesów jak: śledzenie pozycji paczek w budynkach, ewidencja produktów, komunikacja pomiędzy pojazdami a infrastrukturą transportową znacznie przyspiesza i ułatwia prowadzenie firmy transportowej. Obecnie istnieje wiele systemów stosowanych w firmach kurierskich na całym świecie wykorzystujących łączność bezprzewodową (zarówno tą na długie odległości jak i krótkie) aczkolwiek nie są to jeszcze rozwiązania w pełni realizujące założenia koncepcji EMMA.

7 4.3. Monitorowanie parametrów środowiskowych wewnątrz rośliny za pomocą bezprzewodowego systemu akwizycji danych Ostatnim z zaprezentowanych zastosowań jest projekt nad, którym aktualnie pracuję. Jest to bezprzewodowy system akwizycji danych wykorzystujący sieć ZigBee do monitorowania parametrów środowiskowych wewnątrz rośliny. Koncepcja polega na tym, by umieścić moduł ZigBee razem z odpowiednimi czujnikami w środku rośliny. Umożliwi to podgląd wyników pomiarów czujników w czasie rzeczywistym, bez konieczności każdorazowego nacinania rośliny Rysunek 6. Pole dyni w celu pobrania próbek. Z racji tego, że do środka rośliny zostanie wprowadzony moduł elektroniczny, bandany obiekt musi mieć średnice co najmniej kilku centymetrów. Dlatego, jako pierwszy obiekt badawczy została wybrana dynia. Gdy owoc osiągnie odpowiednie rozmiary, zastanie nacięty a do środka zostanie wsadzony moduł elektroniczny. Do projektu postanowiono wykorzystać zestaw CC2530 ZigBee Mini Development Kit firmy Texas Instruments. W skład zestawu wchodzą dwa moduły końcowe (End Device) i moduł wpięty do portu USB komputera, pełniący role koordynatora sieci. Każdy moduł posiada Rysunek 7. CC2530 ZigBee Mini Development Kit [8] zasilanie przez co najmniej 2 miesiące). Jeden z modułów końcowych umieszczony w dyni będzie mierzył następujące parametr: temperatura, odczyn kwasowości i stężenie gazów. Drugi moduł znajdzie się obok dyni, tak by mógł mierzyć: temperaturę, nasłonecznienie i wilgotność gleby. Wykonanie prostych czujników pomiarowych w warunkach energooszczędny mikrokontroler msp430, idealny do rozwiązań wymagających niskiego poboru energii (układ będzie umieszczony w środku dyni i nie będzie do niego dostępu, więc bateria będzie musiała zapewnić Rysunek 8. Badane parametry domowych będzie trudne, a dokładność pomiarów stosunkowo mała. Jednak jest to koncepcja z dużym potencjałem i możliwością późniejszych usprawnień. Obecna technologia pozwala na stworzenie zminiaturyzowanych urządzeń zdolnych do przebywania w środku organizmu żywego i bezprzewodowego przesyłania zebranych informacji na zewnątrz.

8 L i t e r a t u r a [1] [2] [3] [4] TI's ZigBee solutions, [5] [6] D. T o m k i e w i c z, Zastosowanie protokołu ZigBee do transmisji sygnałów w rozproszonym systemie pomiarowym, Katedra Automatyki, Politechnika Koszalioska, 2009 [7] S e l v a r a j a h, K. ; T u l l y, A. ; B l y t h e, P. T., ZigBee for Intelligent Transport System applications, Road Transport Information and Control - RTIC 2008 and ITS United Kingdom Members' Conference, IET, 2008 [8] CC2530 Mini ZNP Kit,