Czujniki bezprzewodowe

Zastosowania omawianego standardu obejmują m.in. aplikacje w automatyce budynkowej, przemyśle oraz w medycynie. Takimi są przykładowo te związane z kontrolą oświetlenia, ogrzewania, wentylacji i klimatyzacji, a także zdalnego odczytu stanu liczników, bezprzewodowego wykrywania zagrożeń oraz transmisji danych z różnych instalacji technologicznych.

W części aplikacji wymagane jest zastosowanie dużej liczby czujników - w takich wypadkach koszt montażu i okablowania może mieć znaczy udział w wykonaniu całego systemu. O ile kosztów związanych z montażem nie da się uniknąć, o tyle pozbycie się okablowania jest ważnym atutem transmisji bezprzewodowej.

CZUJNIK BEZ KABLI

Rys. 1. ZigBee jako protokół warstwowy

Aby czujnik był w pełni bezprzewodowy, konieczne jest wyeliminowanie nie tylko kabla sygnałowego, ale też zasilającego. W tym przypadku większość czujników ZigBee będzie zasilana bateryjnie. Aby miały one małe rozmiary, także i baterie nie mogą być duże. Jednocześnie sensory i ich podzespoły komunikacyjne muszą oszczędnie korzystać z energii. Jednym ze sposobów na to ostatnie jest zmniejszenie czasu, w jakim urządzenie pobiera energię. Gdy sensor nie przesyła wyników pomiarów, znajduje się w trybie uśpionym.

Większość urządzeń tego typu, które komunikują się w oparciu o standard 801.15.4 w paśmie od 2,4 do 2,48 GHz, przesyła informację w kilka milisekund. Ponieważ przejście z trybu oszczędnego do trybu transmisji zajmuje około 15 ms, czujnik, który przeciętnie przesyła jeden komunikat na sekundę, zazwyczaj pracuje przez nie dłużej niż 2% całego cyklu pracy.

W zakresach 868 i 915 MHz czas pracy jest nieznacznie dłuższy. Ponieważ od wielu czujników wymaga się transmisji z jeszcze mniejszą częstotliwością niż opisywana, w takim wypadku czas życia baterii jest praktycznie równy okresowi ich trwałości, co w przypadku baterii alkalicznych może wynosić nawet dziesięć lat.

STRUKTURA

Specyfikacja ZigBee obejmuje sieć, elementy bezpieczeństwa oraz strukturę aplikacji, a także warstwę fizyczną i warstwę MAC (Media Access Control). Standard 802.15.4 definiuje sieci pracujące w nielicencjonowanym paśmie 2,4 GHz i wykorzystujące modulację O-QPSK (Offset Quadrature Phase Shift Keing). W związku z szerokością kanału równą 5 MHz przewiduje się podział na 16 kanałów.

W celu minimalizacji interferencji pomiędzy różnymi urządzeniami w sieci oraz zwiększenia bezpieczeństwa danych stosuje się DSSS, czyli bezpośrednie rozpraszanie widma ciągiem pseudolosowym. Wersja standardu przeznaczona na pasmo częstotliwości mniejszych od 1 GHz wykorzystuje modulację BPSK i, w przypadku pasma 915 MHz, kanały o szerokości 2 MHz. W paśmie 868 MHz możliwa jest zaś transmisja tylko w obrębie jednego kanału.

We wszystkich trzech pasmach standardu 802.15.4 w warstwie MAC stosowany jest dostęp CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance). Urządzenie, które chce rozpocząć nadawanie, najpierw bada stan zajętości kanału i, jeżeli jest on zajęty, ta ponownie przechodzi w stan oczekiwanie, który trwa przez losowo określony okres.

Następnie ponownie testuje kanał i w razie możliwości rozpoczyna transmisję. W metodzie tej możliwa jest sytuacja, w której dwa urządzenia (lub ich większa liczba) badają zajętość kanału jednocześnie i w tym samym czasie przygotowują się do transmisji. W związku z tym kilka urządzeń jednocześnie może rozpocząć nadawanie.

DODATKOWE ELEMENTY

Według pomysłodawców standardu ZigBee dzięki zastosowaniu kodowania z rozpraszaniem widma DSSS istnieje duża szansa, że wiadomości dotrą do celu mimo interferencji w trakcie transmisji. Należy jednak pamiętać o tym, że podstawowym problemem w metodzie dostępu CSMA/CA jest niedeterministyczny czas opóźnień w transmisji. Z tego powodu projektanci systemów nie mogą być pewni tego, ile czasu zajmie wiadomości dotarcie do odbiorcy.

W przypadku, gdy czas dostępu do łącza musi być precyzyjnie określony, twórcy standardu proponują dwa dodatkowe rozwiązania. Elementem dozwolonym w pewnych implementacjach ZigBee są specjalne wiadomości - tzw. beacony. Ramki te są rozgłaszane do wszystkich urządzeń w sieci w określonych odstępach czasu. Dane urządzenie nasłuchuje i w przypadku, gdy ramka nie jest do niego adresowana, ponownie przechodzi w tryb oczekiwania. Ramki beacon poprzedzają drugi charakterystyczny rodzaj wiadomości - tzw. superramki (superframes). Superramkę stanowi opis 16 szczelin czasowych, w czasie których wybrane urządzenie otrzymuje czas bezkolizyjnego dostępu do sieci.

PROFILE I TOPOLOGIE SIECI

Rys. 2. Po lewej moduł ZigBee, po prawej czujnik

Podstawą ZigBee jest profil - służący np. do sterowania oświetleniem. Pierwotna wersja tego profilu pozwala na wymianę informacji kontrolnych pomiędzy sześcioma różnymi typami urządzeń, dzięki temu zostaje uformowana bezprzewodowa sieć w aplikacji związanej z domową automatyką. Przekazywane są rozkazy wyłączenia lub włączenia światła, wyniki pomiarów z czujnika światła lub informacje alarmowe, w przypadku gdy czujnik ruchu wykryje aktywność.

Specyfikacja ZigBee umożliwia poszczególnym producentom wprowadzanie własnych profili, które umożliwiałyby pełne wykorzystanie indywidualnych cech urządzeń. Twórcy standardu dążą do tego, aby charakterystyczne właściwości poszczególnych urządzeń nie były przeszkodą we wspólnej pracy wszystkich w jednej sieci bez względu na ich producenta. W związku z tym istnieje konieczność, aby urządzenie obsługujące swój indywidualny profil było również w stanie sprostać podstawowym funkcjom implementowanym w pozostałych, mniej skomplikowanych składnikach sieci.

Warstwa sieciowa standardu ZigBee umożliwia organizację sieci w topologii gwiazdy, drzewa oraz kratowej (mesh). W topologii gwiazdy sieć jest kontrolowana przez koordynatora ZigBee (ZigBee coordinator), który inicjuje pracę sieci i odpowiada za jej utrzymanie. Wszystkie inne urządzenia są elementami końcowymi (ZigBee end devices), które komunikują się bezpośrednio z koordynatorem.

W topologii drzewa, a także w sieci typu mesh, koordynator również inicjuje sieć oraz wybiera niektóre kluczowe parametry. Zadaniem routerów ZigBee jest dalsza rozbudowa sieci. W przypadku topologii drzewa routery przesyłają dane oraz wiadomości kontrolne w sieci, korzystając z hierarchicznej strategii routingu (ten rodzaj organizacji może komunikować się z użyciem ramek beacon). Z kolei topologia typu mesh w pełni realizuje komunikację peer-to-peer.

ZABEZPIECZENIA

Z punktu widzenia potencjalnych użytkowników sieci ważnym aspektem jest bezpieczeństwo przesyłanych informacji. Waga tego problemu w dużej mierze zależy od rodzaju transmitowanych danych. Szkoda, jaka może wyniknąć w związku z nielegalnym przechwyceniem przez osobę trzecią informacji na przykład na temat ustawień domowego czujnika temperatury, jest minimalna. Jednakże zagrożenie jest znacznie większe, gdy dotyczy zastosowań transmisji bezprzewodowej na skalę przemysłową.

Pierwszy poziom zabezpieczeń zapewnianych w standardzie ZigBee stanowi kodowanie z rozpraszaniem widma. Ochrona danych nie kończy się jednak na tym etapie. Standard udostępnia szerszy wachlarz zabezpieczeń, obejmujący listy kontroli dostępu, odświeżanie danych oraz 128-bitowe szyfrowanie.

OPROGRAMOWANIE

W urządzeniach pracujących w sieciach ZigBee ogromnie ważną rolę odgrywa oprogramowanie. W środowisku sieci bezprzewodowych aktualizacja oprogramowania stanowi specyficzny problem, który należy rozwiązać przed ich rozpowszechnieniem. Skutki braku kabla mogą być odczuwalne w momencie, gdy konieczna okazuje się aktualizacja oprogramowania. Rozwiązaniem tego problemu może być technika OAD (Over-Air Downloading). Przykładem implementacji tego standardu jest rozwiązanie Texas Instruments o nazwie Chipcon Wireless OAD. W architekturach opartych na warstwie transportowej, takich jak ZigBee/802.15.4, implementacja metody OAD zależy od stworzonej w tym celu aplikacji. Zasadniczą sprawą jest w tym przypadku wybór warstwy, w której owa aplikacja zostanie napisana.

Bez względu na to, jaka metoda implementacji zostanie zastosowana, wszystkie rozwiązania wymagają zarezerwowania miejsca na pobrany kod. Poza tym realizacja aplikacji OAD wymaga zapewniania niezawodnej transmisji. Komunikacja musi być na tyle pewna, aby można ją było kontynuować nawet w przypadku wystąpienia błędów w przesyłaniu plików. Aby sprostać wymaganiom pod względem odporności na przerywanie transmisji, oprogramowanie musi spełnić dwa warunki.

Po pierwsze fragment oprogramowania odpowiadający w urządzeniu docelowym za transmisję musi pozostać nienaruszony do momentu pomyślnego ukończenia transmisji, po drugie nie należy oczekiwać, że fragment kodu już załadowany będzie mógł być realizowany, zanim transmisja zostanie w pełni ukończona. Wspólnie te dwa wymagania oznaczają, że pobrany kod musi być gdzieś przechowywany tak, aby zaktualizowane fragmenty programu nie zakłócały działania dotychczasowej wersji aplikacji w trakcie transmisji.

Jeżeli zaimplementowane oprogramowanie spełnia powyższe oczekiwania, jest możliwe podjęcie próby dalszego pobierania plików w razie przerwania transmisji. Ważne jest również to, skąd aplikacja docelowa ma "wiedzieć", że potrzebuje aktualizacji. Wymienione wcześniej rozwiązanie od Texas Instruments bazuje na wykorzystaniu techniki klient-serwer, w której odpowiednie narzędzia programowe odpowiadające za zarządzanie określają wersję oprogramowanie zainstalowanego w każdej z docelowych platform.

ZASIĘG I PRZEPUSTOWOŚĆ

Zasięg transmisji w sieciach ZigBee wynosi od 10 do nawet 100 metrów, aczkolwiek zależy on od wielu czynników. Odpowiedź nie zależy jedynie od tego, w jakim paśmie pracuje sieć, ale również od środowiska, w jakim sieć jest zorganizowana. Dotyczy to podziału na sieci, w których urządzenia znajdują się wewnątrz i na zewnątrz budynków.

Innym czynnikiem jest moc wyjściowa. W większości przypadków wynosi ona 0 dBm, a wartość maksymalna 20 dBm. Jednakże by osiągnąć tę ostanią, w module ZigBee wymagany jest zewnętrzny wzmacniacz. Najważniejsza dla zasięgu jest liczba stacji pośrednich, przez które muszą przejść transmitowane dane, zanim dotrą do elementu docelowego.

Pomimo że wykorzystanie pasma 2,4 GHz wiąże się z większą przepustowością niż dla pasma 868 MHz i 915 MHz, transmisja na paśmie poniżej 1 GHz jest bardziej niezawodna. W zakresie niższych częstotliwości mniej poważnym problemem jest absorpcja oraz odbicia sygnału. W związku z tym dzięki mniejszym stratom sygnału urządzenia mogą pracować z mniejszą mocą.

KWESTIA ENERGII

Rys. 3. Specyfikacja ZigBee dopuszcza różne topologie sieciowe, w tym gwiazdy, drzewa i kratowej

Wróćmy jeszcze do kwestii zasilania bateryjnego czujników. Moduły ZigBee mają możliwość pomiaru stanu naładowania baterii i wysłania wiadomości alarmującej tuż przed wyczerpaniem się źródła energii. Niemniej należy pamiętać o tym, że często czujniki są umieszczane w trudnodostępnych miejscach i użytkownicy wolą odwlekać czas wymiany baterii do momentu, gdy wyczerpią się one całkowicie.

W takim wypadku na myśl przychodzi kilka technik wydłużania czasu pracy urządzeń. Jedną z nich jest dążenie do zwiększania niezależności czujnika. W takim wypadku można bowiem zredukować konieczność transmisji, a przez to zmniejszyć ilość energii traconej w czasie komunikacji. To zagadnienie wiąże się jednak z poważnymi zmianami zarówno w architekturze samego czujnika, jak i w jego oprogramowaniu.

Innym rozwiązaniem jest podejście, w którym niewielkie ilości energii są pobierane ze środowiska za pomocą szerokiego wachlarza technik określanych wspólnie mianem energy harvesting. Przykładem jest zastosowanie ogniw słonecznych, co jednak nie wszędzie jest możliwe. Kolejnym przykładem są elementy - np. przełączniki oświetlenia, które wytwarzają energię podczas ich ruchu. Pod uwagę są brane także inne źródła energii, w tym między innymi pola elektromagnetyczne rozpraszane wokół przewodów zasilających różne urządzenia lub też wibracje wytwarzane przez maszyny.

Monika Jaworowska