Применение и реализация беспроводной технологии Zigbee в пожарных системах безопасности

Тип работы:
Дипломная
Предмет:
Безопасность жизнедеятельности


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

Применение и реализация беспроводной технологии Zigbee в пожарных системах безопасности

СОДЕРЖАНИЕ

  • Введение
  • 1. Беспроводная технология Zigbee стандарта 802. 15. 4
    • 1.1 Актуальность построения сети Zigbee
    • 1.2 WPAN сети и стандарты IEEE 802. 15. 4
    • 1.3 Архитектура протокола сети
    • 1.4 Построение и принцип работы сети
  • 2. Использование беспроводной технологии Zigbee в пожарных систамах безопасности
    • 2.1 Устройства для построения беспроводной сети
    • 2.2 Пожарная система безопасности с использованием модулей
  • 3. Расчетная часть
    • 3.1 Организация пожарной безопасности
    • 3.2 Расчет зоны действия сигнала
    • 3.3 Расчёт шумов
    • 3.4 Расчет линии потерь
  • 4. Безопасность жизнедеятельности
    • 4.1 Анализ опасных и вредных производственных факторов
    • 4.2 Расчет освещения
    • 4.3 Расчет кондиционирования воздуха
    • 4.4 Выбор кондиционера
  • 5. Технико-экономическое обоснование
    • 5.1 Сущность проекта
    • 5.2 Производственный план
    • 5.3 Расчёт инвестиционных затрат
  • Заключение
  • Список литературы
  • Приложения
  • Введение
  • Задачи построения всевозможных систем, использующих беспроводные каналы там, где раньше в качестве линий связи использовались провода, актуальны в самых разных прикладных областях. Особенно важен вопрос перехода на беспроводную связь в распределенных системах сбора данных, управления и автоматизации, где число устройств в сети может достигать сотен и тысяч.
  • 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. В некоторых ситуациях прокладка проводных линий вообще невозможна по технологическим или организационным причинам. В этих случаях связь без проводов решает массу проблем. Поэтому беспроводные системы передачи данных выглядят более чем привлекательно для решения большого круга задач.
  • Практическое использование беспроводных систем долгое время было затруднительно из-за низкой надежности радиоканала по сравнению с проводным соединением, высокой стоимости и высокого энергопотребления элементной базы, а также из-за сложностей с установкой и настройкой системы на объекте установки. Сейчас беспроводные системы сбора данных, управления и автоматизации и им подобные стали реальностью благодаря технологиям беспроводных сетей малого радиуса действия и появлению на рынке наборов микросхем, радиомодулей и модемов, а также развитого программного обеспечения, поддерживающего стандартные протоколы управления и передачи данных.
  • 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.
  • В данной работе рассматривается возможность применение технологии Zigbee стандарта 802. 15.4 в чрезвычайных ситуациях и проектируется система пожарной безопасности с использование беспроводных устройств.

1. Беспроводная технология Zigbee стандарта 802. 15. 4

1.1 Актуальность построения сети Zigbee

В 2001 г. Институту инженеров электротехники и электроники IEEE было предложено выработать стандарт, относящийся к семейству беспроводных персональных сетей WPAN и получивший обозначение 802. 15.4. В 2002 г. был основан альянс ZigBee. Альянс ZigBee -- быстро растущий некоммерческий промышленный консорциум компаний-лидеров рынка полупроводниковых компонентов, технологических компаний, OEM-производителей и конечных потребителей со всего мира. Альянс разрабатывает глобальную спецификацию стека ZigBee для высоконадежных, рентабельных, энергоэкономичных беспроводных приложений, используя механизм передачи пакетов данных IEEE 802. 15.4.

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.

Рисунок 1. 1- Классификация основных беспроводных стандартов

Основная цель альянса -- выработка единой спецификации программного стека протоколов ZigBee, поддерживающей различные сетевые типа «звезда», «кластерное дерево», «многоячейковая сеть» с функциями безопасности и совместимыми профилями различных приложений. Спецификация ZigBee позволяет реализовывать беспроводное сетевое решение, основанное на едином глобальном стандарте, с поддержкой скоростей передачи до 250 Кбит/с, крайне низким энергопотреблением, обеспечивающее защиту информации и надежность системы. Таким образом, ZigBee -- это альянс компаний, разрабатывающих программное обеспечение дополнительного сетевого слоя над уровнями стандарта 802. 15.4. Члены альянса определяют новые рынки применения совместимых беспроводных сетей. Благодаря участию в консорциуме все его активные члены имеют полный доступ ко всей технической информации по технологии ZigBee и возможность влиять на спецификацию ZigBee. Технология ZigBee заняла ранее пустовавшую нишу радиоинтерфейсов которую заполняли либо устройства и технологии с более высокими техническими характеристиками и, соответственно, более дорогие, либо решения, базирующиеся на отдельных микросхемах радиотрансиверов различных производителей электронных компонентов, не имеющих под собой жестко стандартизированной базы. Разработчики вынуждены были идти на повышенные затраты при решении простых задач либо создавать собственные протоколы передачи и программные стеки для персональных беспроводных сетей, что также сказывалось на стоимости конечного изделия и сроках выхода готового продукта на рынок. В результате часто терялись новизна и интерес рынка к продукции. ZigBee/802. 15.4 является единственной стандартизирован-ной беспроводной технологией, изначально нацеленной на следующие приложения мониторинга и контроля, распределенные сети датчиков, на развертывание беспроводных информационных сетей для малопотребляющих систем, используемых в коммерческой, промышленной и домашней автоматике:

? системы управления освещением (промышленные, муниципальные и домашние);

? промышленная и домашняя автоматика и управление (отопление, вентиляция и кондиционирование (ОВК), вспомогательные устройства и оборудование);

? потребительская электроника (мультимедиа/развлекательные системы, портативная электроника), бытовая техника,

? периферийное оборудование ПК: мышь, клавиатура, игровые приставки, джойстики;

? системы сигнализации и безопасности, аварийного оповещения, системы контроля доступа, бесконтактные ключи, датчики дыма, газа, движения, пламени, температуры, давления и т. д. ;

? устройства медицинской диагностики пациента, мониторинг состояния спортсменов, биодатчики и медицинское оборудование;

? удаленные управление и контроль технологических процессов, управление движущимися аппаратами, станками, промышленным оборудованием, холодильными установками, устройствами дистанционного сбора данных, телеметрия;

? мониторинг промышленных и портовых активов, логистика;

? мониторинг систем водо-, газо- и теплоснабжения, системы управления и инструментального контроля электроэнергии, системы жилищно-коммунального хозяйства (ЖКХ);

? беспроводные устройства обмена информацией, радиомодемы, радиопередача

? автомобильная электроника (системы контроля давления в шинах, противоугонные системы, системы идентификации и диагностики) и т. д.

Одним из основных преимуществ стандарта ZigBee/802. 15.4 является простота установки и обслуживания подобных устройств. Особенности спецификации ZigBee позволяют с легкостью развертывать беспроводные персональные сети: «Вы вынимаете устройство из коробки, вставляете в него батареи и нажимаете соответствующую клавишу. Затем подносите два устройства друг к другу и удерживаете нажатыми кнопки до тех пор, пока не загорятся зеленые светодиоды». Таким образом осуществляется объединение двух устройств в сеть либо привязка, например, выключателя света к определенной лампе. Реализация данного принципа предполагает внедрение ZigBee-модулей во все новые приборы и системы как в небольших помещениях (дом, офис), так и на предприятиях (промышленная зона, заводы). [1]

1.2 WPAN сети и стандарты IEEE 802. 15. 4

На сегодняшний день широкое распространение получили следующие три семейства стандартов для построения беспроводных вычислительных сетей: — IEEE 802. 11 — Wireless Local Area Network (WLAN -- беспроводные локальные вычислительные сети);

— IEEE 802. 15 — Wireless Personal Area Network (WPAN -- беспроводные персональные вычислительные сети);

— IEEE 802. 16 — Broadband Wireless Access (BWA -- беспроводной широкополосный доступ).

Перед нами не стоит цель проводить подробный анализ каждого из стандартов беспроводных сетей. В данном разделе основное внимание будет уделено WPAN-сетям, в частности, сетям ZigBee и новому в семействе персональных беспроводных сетей стандарту IEEE 802. 15.4. Семейства сетевых стандартов 802. 11 и 802. 16 приводятся здесь лишь для сравнения.

Беспроводная персональная вычислительная сеть WPAN представляет собой локальную сеть с малым радиусом действия, обычно не превышающим 15… 20 м, и предназначается для замены кабельных соединений между персональными компьютерами, а также для связи с разнообразной периферией и мультимедиа устройствами (КПК, принтеры, факсы, сканеры, стереосистемы, и т. д.). Однако некоторые WPAN-сети способны работать на дальности до 100 м (ZigBee, Bluetooth). Первым стандартом, способным реализовать данные задачи, стал IEEE 802. 15.1. Стандарт базируется на спецификации Bluetooth vl. x и определяет физический уровень (PHY layer) и уровень доступа к среде (MAC layer). Следующим шагом в расширении семейства 802. 15 было создание стандарта, обеспечивающего взаимодействие устройств классов 802. 11 и 802. 15. Вскоре для устройств, работающих в зоне WPAN-ceтей, оказалось недостаточно скоростей, обеспечиваемых Bluetooth. Возникла потребность в выработке стандарта, позволяющего создавать беспроводной канал данных с пропускной способностью в десятки и сотни Мбит/с (IEEE 802. 15. 3). Перечисленные выше стандарты отлично подходят для передачи больших объемов информации (голоса, данных, видео) с высокой скоростью (от 1 до 200 Мбит/с). Устройства на их основе способны работать в автономном режиме (от батарей и аккумуляторов) на дальности передачи от 10 до 100 м. Эти стандарты позволяют заменить проводные соединения в устройствах, с которыми мы имеем дело каждый день (компьютеры, вычислительные сети). Однако существует огромное множество на первый взгляд незаметных систем (разнообразные датчики, системы сбора информации и т. д.), обладающих спецификой, вследствие чего в такого рода приложениях невозможно со стопроцентной эффективностью использовать упомянутые технологии. Для реализации подобных задач был выработан стандарт IEEE 802. 15.4 (ZigBee) для низкоскоростных WPAN-сетей (см. рисунок 1. 2).

Очевидно, что беспроводные сети короткого радиуса действия будут взаимодействовать между собой. Планируется разработать оборудование, выполняющее функции шлюза между разными беспроводными сетями. Так, если система безопасности, построенная на ZigBee, обнаружит злоумышленника, она соединится с сетью IEEE 802. 11, чтобы известить об этом компьютер, а тот, в свою очередь, передаст SMS на мобильный телефон хозяина или позвонит в службу охраны. Сравнительные характеристики стандартов семейства 802. 15 и стандарта 802. lib приведены в таблице 1.1.

Таблица 1. 1- Сравнение стандартов семейств 802. 15. и 802. 11b

Стандарт

802. 15.4 Zigbee

802. 15.1 Bluetooth

802. 11b Wi-Fi

Прииложения

Мониторинг, управление

Голос, данные

Данные, видео

Частота, ГГц

0. 868

0. 915

2. 4

Преимущества

Цена, энергосбережение, размеры

Цена, передача голоса

Скорость, гибкость

Макс. скорость

20 кбит/с

40 кбит/с

250 кбит/с

1 мбит/с

11 мбит/с и более

Дальность, м

10−100, 1000

100

100

Чувствительность, дБм (сред).

-92

-70

-76

Размер стека, кБайт

> 250

> 1000

Срок службы батареи, дней

100−1000

1−7

0,5−1

Исходя из приведенных характеристик, ближайшими конкурентами являются технологии Bluetooth и ZigBee. Соответственно, примерно схожи области их применимости -- беспроводные устройства домашнего и промышленного назначения, включая системы дистанционного управления, компьютерной периферии и т. д. Однако в отличие от технологии Bluetooth, ZigBee разработана для приложений, одним из ключевых требований которых является низкое энергопотребление. Периоды активности устройств, выполненных по технологии ZigBee, могут быть крайне малы, что обеспечивает продолжительный срок службы батарей. Кроме того, микросхемы Wi-Fi и Bluetooth слишком дороги для организации на их основе крупных сетей разнообразных устройств в масштабах предприятий и офисных зданий, а стандарт 802. 15. 4/ZigBee позволяет разрабатывать беспроводные интерфейсы с минимальными затратами, что обеспечивается простотой схемотехники, минимальным количеством внешних пассивных элементов, программным обеспечением стека, использующим отведенный ему объем памяти с высокой эффективностью (см. таблицу 1. 1). Стандарт позволяет создавать сети с многоячейковой топологией, таким образом обслуживая очень большое число узлов и увеличивая дальность связи без дополнительных затрат на усилители мощности.

Технология ZigBee не предназначена для передачи больших объемов информации, как Wi-Fi или Bluetooth. Однако для передачи, например, показаний датчиков, объем которых редко превышает десятков байт, не требуется высоких скоростей -- в этом случае обязательны высокие показатели по энергопотреблению, цене и надежности. Большинство устройств ZigBee будет работать по следующему алгоритму: устройство находится в «спящем» состоянии практически все время, обеспечивая оптимальный режим энергосбережения. При поступлении новой информации либо во время очередного сеанса связи устройство активизируется, быстро передает данные и снова переходит в режим пониженного энергопотребления. Типовые временные задержки при этом составляют 30 мс для подключения нового устройства к сети, 15 мс для перехода из «спящего» в активное состояние, 15 мс для доступа к каналу. Так удается продлить срок службы батарей до 10 лет и более в зависимости от типа приложения и длительности рабочего цикла, причем ток при передаче может составлять порядка 15… 30 мА, а в «спящем» режиме -- менее 2 мкА. В результате, задержки по отклику настолько малы, что человек, войдя в комнату и щелкнув переключателем беспроводной связи ZigBee, даже не заметит, что свет появился почти мгновенно, в то время как задержки при подключении устройствк сети Bluetooth составляют порядка 3 с.

Стандарт IEEE 802. 15.4 для беспроводных низкоскоростных персональных сетей (WPAN) определяет физический уровень PHY и уровень доступа к среде MAC. Уровень PHY обеспечивает доступ к физической среде распространения радиосигнала: задает тип модуляции, скорость и другие параметры сигнала, непосредственно осуществляет прием и передачу. Уровень MAC осуществляет добавление и вывод из сети устройств, контролирует доставку пакетов данных, обеспечивает автоматическое подтверждение приема (квитирования) данных, реализует механизмы доступа к каналу передачи, поддерживает 128-битное AES- шифрование и другие функции. Спецификация стека ZigBee определяет сетевой уровень, уровни безопасности и доступа к приложению и может использоваться совместно с решениями на базе стандарта 802. 15.4 для обеспечения совместимости устройств. Ключевые функции PHY-уровня включают в себя контроль энергии и качества связи и анализ каналов. Доступ к среде осуществляется в частотных диапазонах ISM (Industrial, Scientific and Medical), физический уровень использует двоичную фазовую манипуляцию (BPSK) на частотах 868/915 МГц и квадратичную фазовую манипуляцию со смещением (O-OPSK) на частоте 2,4 ГГц. Для доступа к каналу используется механизм множественного доступа к среде с контролем несущей и предотвращением коллизий (CSMA-CA). Данный механизм, основанный на определении состояния канала связи перед началом передачи, позволяет существенно сократить (но не устранить) столкновения, вызванные передачей данных одновременно несколькими устройствами. Стандарт 802. 15.4 основывается на полудуплексной передаче данных (устройство может либо передавать, либо принимать данные), что позволяет использовать метод CSMACA только для предотвращения коллизий, а не для их обнаружения. Дальность распространения сигнала обычно составляет 30 … 50 м, однако при использовании внешних усилителей мощности, малошумящих усилителей и согласованной антенны дальность может достигать 100 м без существенных потерь в скорости. Пропускная способность напрямую зависит от выбранной частоты. Максимальная скорость передачи, равная 250 Кбит/с, достигается в диапазоне 2,4 ГГц (16 каналов с шагом 5 МГц). Для частот 868 МГц (1 канал) и 902 -- 928 МГц (10 каналов с шагом 2 МГц) скорости передачи равны соответственно 20 Кбит/с и 40 Кбит/с

Рисунок 1. 2- Краткая характеристика стандарта 802. 15. 4

Ожидается, что львиную долю рынка беспроводных устройств ZigBee/802. 15.4 будут удерживать решения диапазона 2,4 ГГц. Это связано, прежде всего, с тем, что в Европе в диапазоне 868,3 МГц доступен лишь один канал, а диапазон 915 МГц разрешен только в США, Канаде, Корее и Австралии. В результате субгигагерцовые диапазоны являются потенциально непривлекательными для OEM-производителей, в то время как диапазон 2,4 ГГц разрешен для использования практически во всем мире, что является одним из важнейших критериев при определении характеристик будущих устройств. Однако в дальнейшем в системах коммерческого назначения возможно появление шлюзов, связывающих ZigBee-устройства в различных частотных диапазонах стандарта 802. 15.4. По данным агентства InStat/MDR, в течение пяти лет, начиная с 2004 г., в соотношении объемов потребления субгигагерцовых и 2,4 ГГц трансиверов стандарта 802. 15.4 не произойдет каких-либо значительных изменений. Объем рынка 2,4 ГГц микросхем будет составлять 65… 75% от общего рынка устройств ZigBee/802. 15.4. Одним из немногих недостатков диапазона 2,4 ГГц можно считать некоторую насыщенность его спектра абонентами различного происхождения (микроволновые печи, беспроводные телефоны на частотах 2,4 ГГц, устройства Bluetooth и 802. lib). Преимущество субгигагерцовых диапазонов заключается в меньшей насыщенности и несколько увеличенной дальности передачи при прочих равных условиях по сравнению с диапазоном 2,4 ГГц. Распространенный в Европе диапазон 868,3 МГц вскоре может получить дополнительный стимул в развитии, что, вероятно, отразится на интересе к нему со стороны OEM-производителей. Европейский институт стандартов по телекоммуникациям (ETSI) находится в процессе получения разрешения на использование дополнительных каналов в данном диапазоне, однако процесс может затянуться на годы [1].

1.3 Архитектура протокола сети

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.

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. [3]

Особенностью сетей IEEE 802. 15. 4−2006 является возможность реализации практически любой топологии, включая сотовую.

Стек протоколов ZigBee построен по принципу иерархической семиуровневой модели протоколов передачи данных в открытых системах OSI (Open System Interconnection). Стек включает в себя уровни стандарта IEEE 802. 15. 4, отвечающие за реализацию канала связи, и программные сетевые уровни и уровни поддержки приложений, определенные спецификацией Альянса ZigBee. (см. рис 1. 3)

Архитектура IEEE 802. 15.4 определяет в свою очередь ряд уровней, призванных упростить стандарт. Каждый уровень ответственен за одну часть стандарта и предоставляет услуги вышерасположенному уровню.

Интерфейсы между уровнями определяют логические связи, описанные в данном стандарте.

Рисцнок 1. 3- Архитектура стека ZigBee/802. 15. 4

Документ IEEE Std 802. 15.4 определяет спецификации физического уровня (PHY) и подуровень доступа к сетевой среде MAC (Medium Access Control) для низкоскоростной беспроводной среды с портативными переносными устройствами и максимальным расстоянием доступности POS (Personal Operating Space) равным 10 метрам. При этом предполагается, что при более низких скоростях передачи возможна работа и на больших расстояниях (< 100 м).

Физический уровень стека

Физический уровень PHY предоставляет два вида услуг: информационный сервис PHY и сервис управления, обеспечивающий взаимодействие с сервисом PLME (Physical Layer Management Entity) точки доступа SAP (известный под названием PLME-SAP). Информационный сервис PHY делает возможным передачу и прием через радиоканал протокольных блоков данных PPDU (Protocol Data Unit).

Стандарт определяет следующие скорости передачи данных: 250 кбит/c, 100кбит/c, 40 кбит/c и 20 кбит/c. Прием и передача данных по радиоканалу осуществляется на физическом уровне PHY, определяющем рабочий частотный диапазон, тип модуляции, максимальную скорость, число каналов: O-QPSK -- квадратичная фазовая манипуляция со смещением для диапазона 2,4 ГГц (16 каналов, 250 Кбит/с), BPSK -- двоичная фазовая манипуляция для частот 915 МГц (10 каналов, 40 Кбит/с) и 868 МГц (1 канал, 20 Кбит/с). Уровень PHY осуществляет активацию/дезактивацию приемопередатчика, детектирование энергии принимаемого сигнала на рабочем канале, выбор физического частотного канала, индикацию качества связи при получении пакета данных и оценку свободного канала для реализации протокола CSMA-CA (протокол множественного доступа к среде с контролем несущей и предотвращением коллизий). Важно понимать, что стандарт 802. 15.4 -- это физическое радио (микросхема радиоприемопередатчика), а ZigBee -- это логическаясеть и программный стек, обеспечивающие функции безопасности и маршрутизации. 2]

Радиооборудование работает на одном из нелицензируемых частотных диапазонах:

? 868−868.6 МГц (например, для Европы)

? 902−928 МГц (для Северной Америки)

? 2400−2483.5 МГц (для остального мира)

Рисунок 1. 4- Выбор радиоканалов в IEEE 803. 15.4 (PHY 2400 МГц) [4]

МАС уровень стека

Субуровень MAC предоставляет два сервиса: информационный MAC-сервис и сервис управления MAC-уровня — обеспечение интерфейса для субуровня управления MLME (MAC Level Management Entity) для точек доступа (известных как MLME-SAP). Информационный сервис MAC обеспечивает прием и передачу протокольных блоков данных MAC-уровня (MPDU) с помощью информационного сервиса физического уровня.

Характерными особенностями субуровня MAC являются использование управления маяками (beacon), реализация доступа, управление GTS (Guaranteed Time Slot), проверка корректности кадров, подтверждение доставки кадров и т. д. Кроме того, субуровень MAC обеспечивает поддержку механизмов безопасности на прикладном уровне.

Данный стандарт опционно разрешает использование структуры суперкадра. Формат суперкадра определяется координатором. Суперкадр ограничен сетевыми маяками (beacon), посланными координатором (см. рисунок 1. 4) и содержит 16 равных по длительности временных доменов. Опционно суперкадр может содержать активную и пассивную секции. В неактивный период координатор может перейти в режим экономного расходования питания. Кадр-маяк передается в первом домене каждого суперкадра. Если координатор не хочет использовать структуру суперкадра, он отключит передачу маяков. Маяки нужны для синхронизации подключенных устройств, чтобы идентифицировать PAN, и описать структуру суперкадров. Любое устройство, желающее осуществлять обмен в период CAP (Contention Access Period) между двумя маяками, конкурирует за это право с другими устройствами, использующими доменный механизм CSMA-CA. Все обмены завершаются до момента следующего сетевого маяка. [4]

Характеристики MAC уровня:

? 64-битная IEEE адресация, 16-битная адресация внутри локальных сетей (теоретически максимальное количество устройств в сети 264, организация простых сетей при использовании 16-битной локальной адресации с болеечем 65 тыс. (216) устройств).

Способы адресации:

? идентификаторы: сетевой ID + ID устройства (топология «Звезда»);

? идентификатор Отправителя/ Получателя (передача между равноправными узлами);

? вхождение в сеть/выход из сети автоматическая/полуавтоматическая организация сети;

? формат пакетов сообщений сети ZigBee, максимальная полезная загрузка одного пакета данных составляет 104 байта данных, максимальная длина кадра равна 127 байт;

? уровни безопасности:

? свободный доступ к сети;

? список контроля доступа;

? таймеры определения задержек при передаче и актуальность пакетовданных;

? шифрование с использованием 128-битного симметричного ключа AES;

? механизм доступа в сеть, функции временного разделения и гарантированных временных интервалов, доступ к каналу посредством протокола CSMA-CA;

? поддержка сетевых топологий, включая соединения типа «точка — точка», «звезда», многоячейковой и кластерной топологий;

? оповещение о поступлении пакета данных, подтверждение приема (ACK), 16-битный контроль ошибок (CRC);

? пакетный/потоковый режимы передачи. [2]

1.4 Построение и принцип работы сети

В соответствии с технологией Zigbee сети беспроводной передачи включают в свой состав устройства нескольких классов — полнофункциональные- маршрутизаторы (Full function device — FDD), устройства-координаторы (Coordinators -- FFD с дополнительными системными ресурсами в зависимости от сложности сети) и устройства с ограниченной функциональностью (Reduced function device — RDD). Устройство обеспечивают расширенные возможности по построению топологии сети, могут выполнять роль координатора работы сети (главной станции радиосети) и могут обмениваться сообщениями с любой другой станцией сети. Устройства второго типа могут работать только в сети звездообразной формы, не могут выполнять функции координации работы сети обмена данными и имеют упрощенную конструкцию. Последнее свойство — изначально заложенное в идеологию технологии неравенство возможностей устройств при их работе в единой сети — как раз и позволяет обеспечить их чрезвычайно низкое потребление. [5]

В каждой локальной сети ZigBee имеется только одно устройство-координатор. Основная задача координатора заключается в установке параметров и создании сети, выборе основного радиочастотного канала, в задании уникального сетевого идентификатора. При этом координатор является наиболее сложным из трех типов устройств, обладает наибольшим объемом памяти и повышенным энергопотреблением (питание от сети). Маршрутизаторы используются для расширения радиуса действия сети, поскольку способны выполнять функции ретрансляторов между устройствами, расположенными далеко друг от друга. Устройства поддерживают любую сетевую топологию ZigBee, могут выполнять функции координатора и обращаться ко всем узлам сети (FFD и RFD).

Устройства с ограниченным набором функций не участвуют в маршрутизации, не могут выполнять функции координатора, обращаются только к координатору локальной сети (FFDустройству), поддерживают соединения типа «точка — точка» и «звезда», играют роль оконечных сетевых узлов. На практике большинство узлов сети являются RFD-устройствами, а применение FFD-устройств и координаторов необходимо для образования мостов связи и соответствующей сетевой топологии. Как только маршрутизаторы и другие устройства подключаются к сети, они получают информацию о ней от координатора или любого уже задействованного в сети маршрутизатора и на основе этой информации устанавливают свои операционные параметры в соответствии с характеристиками сети. Маршрутизатор ZigBee получает таблицу сетевых адресов, которые он распределяет между подключившимися к сети оконечными устройствами. Устройство FFD использует древовидную адресацию при принятии решений о маршрутизации. Для повышения эффективности маршрутизации, алгоритм ZigBee позволяет FFD-устройствам использовать сокращенную адресацию. Каждый маршрутизатор, на котором предполагается использовать сокращения, должен поддерживать таблицу, содержащую пары вида DN, где D -- это адрес цели, а N -- адрес следующего устройства на пути к этой цели. Сочетание маршрутизации по древовидному принципу и на основе таблицы обеспечивает гибкость работы и предоставляет разработчикам выбор оптимального соотношения цена/ производительность. [2]

Стек ZigBee поддерживает различные конфигурации сети, в том числе следующие топологии: «точка — точка», «звезда», «кластерное дерево (иерархическое)» и «многоячейковая сеть» (см. рис 1. 5). Сетевые функции стека включают в себя сканирование сети для обнаружения активных каналов, идентификацию устройств на активных каналах, создание сети на незадействованных каналах и объединение с существующей сетью в зоне персональной беспроводной сети, распознавание поддерживаемых сервисов согласно определенным профилям устройств, маршрутизацию. Это позволяет устройствам автоматически входить в сеть и выходить из нее, исключает нежелательные последствия «сбоя в одной точке» за счет наличия нескольких маршрутов к каждому узлу.

Рисунок 1. 5- Варианты топологии сетей

В зависимости от типа, каждое устройство имеет определенные сетевые функции:

? координатор сканирует сеть и определяет свободные каналы для организации сети;

? маршрутизатор (FFD) сканирует сеть, находит активные каналы и пытается войти в состав существующей сети либо создает собственную персональную сеть на правах координатора, если нет активных каналов или не произошло объединение с активной сетью. Если произошло объединение, согласно правилам уже существующей сети координатор примыкающей локальной сети переводится в ранг маршрутизатора и передает всю информацию о локальной сети координатору существующей сети. Из сигнального пакета синхронизации от координатора новообразованный маршрутизатор получает необходимую информацию о временных параметрах сети для обнаружения последующих сигнальных пакетов;

? оконечное RFD устройство всегда пытается войти всуществующую сеть;

Топология «кластерное дерево» обеспечивает масштабируемость сети и расширение зоны покрытия, не требуя дополнительных затрат на инфраструктуру. Сеть типа «кластерное дерево» может включать в себя несколько подсетей с топологией «звезда» и устройствами с ограниченными функциями (RFD). Помимо топологий типа «звезда» и «кластерное дерево» технология ZigBee поддерживает многоячейковый принцип построения сетей. При такой топологии любой сетевой узел может выполнять также функции маршрутизатора для других устройств в сети. Если возникло препятствие на пути сигнала от одного узла к другому (бетонная или металлическая преграда и т. п.), выбирается альтернативный маршрут для передачи данных адресату. Более плотная концентрация сетевых узлов приводит к более защищенной, надежной системе. Если один из узлов вышел из строя, маршрут автоматически определяется через другие узлы сети, и в результате сеть становится самовосстанавливающейся. Однако в многоячейковой сети срок службы автономных источников питания уменьшается за счет применения метода синхронизованного доступа, увеличивается сложность определения каналов передачи и происходит задержка (десятки миллисекунд) при каждой пересылке сообщения сетевым узлам.

Все узлы многоячейковой сети способны обнаруживать другие узлы и, распознав друг друга, вычислять оптимальный путь передачи пакетов, максимальную скорость обмена, частоту возникновения ошибок и время ожидания. Рассчитанные значения передаются соседним узлам, а оптимальный путь передачи трафика выбирается исходя из мощности принимаемых сигналов. Процессы обнаружения узлов и выбора пути идут постоянно, поэтому каждый узел поддерживает текущий список соседей и при изменении их расположения может быстро вычислить наилучший маршрут. Если какой-то узел изымается из сети (для технического обслуживания или вследствие сбоя), соседние узлы быстро изменяют конфигурацию своих таблиц и заново определяют маршруты потоков трафика. Это свойство самовосстановления и преодоления сбоев существенно отличает сети с ячеистой топологией от сетей с жесткой архитектурой. 2] Существует три вида транзакций передачи данных. Одна из них сопряжена с передачей данных координатору, которому передает информацию сетевое устройство. Вторая транзакция связана с пересылкой данных от координатора к сетевому устройству. К третьему виду транзакций относится обмен данными непосредственно между сетевыми устройствами. В топологии звезда используются только две транзакции, так как возможен информационный обмен только между координатором и сетевым устройством. В топологии P2P возможна реализация всех трех видов транзакций.

Механизм каждого типа обменов зависит от того, поддерживает ли сеть передачу маяков. Сети PAN с поддержкой маяков используются в сетях, которые либо требуют синхронизации, либо поддерживают сетевые устройства, требующие малой задержки отклика, такие как периферия PC. Если сеть не нуждается в синхронизации или малых задержках, она может не использовать кадры-маяки для стандартных обменов. Однако маяки в любом случае нужны для восстановления сети.

Когда сетевое устройство хочет передать данные координатору в сети PAN с поддержкой кадров-маяков, оно сначала пытается детектировать кадр-маяк (beacon). Когда маяк обнаружен, устройство синхронизируется со структурой суперкадра. В соответствующий момент времени, устройство передает свой информационный кадр, используя доменный алгоритм CSMA-CA, координатору. Координатор может опционно подтвердить успешную доставку путем посылки кадра подтверждения. Данная последовательность действий отображена на рисунке.1.6.

Рисунок 1. 6- Передача данных координатору в PAN с использованием маяков (beacon)

Когда сетевое устройство хочет передать данные в сети PAN без поддержки маяков, оно просто посылает информационный кадр координатору, используя бездоменную схему CSMA-CA. Координатор опционно подтверждает успешную доставку данных посылкой кадра подтверждения. Данная последовательность операций отображена на рис. 1.7.

Рисунок 1. 7- Коммуникации с координатором в PAN без меток

Когда координатор хочет передать данные сетевому устройству в сети PAN с поддержкой маяков, он определяет по сетевому маяку, какие данные ожидают отправки. Устройство периодически прослушивает сетевые маяки (beacon), и если имеется ожидающее отправки сообщение, передается МАС-команда запроса данных, с использованием доменного механизма CSMA-CA. Координатор подтверждает получение запроса данных с помощью соответствующего кадра (ACK). С использованием доменного механизма CSMA-CA ожидающий отправки кадр данных пересылается, если возможно, то сразу после подтверждения. Устройство может подтвердить успешное получение данных путем отправки кадра подтверждения. На этом транзакция завершается. При успешном завершении транзакции сообщение удаляется из списка ожидающих отправки, который был записан в маяке. Последовательность описанных действий представлена на рисунке 1.8.

Рисунок 1.8. Передача данных из коммуникатора сети PAN, использующей маяки

Когда координатор хочет передать данные сетевому устройству в сети PAN без поддержки маяков, он запоминает данные для соответствующего устройства и выполняет запрос данных. Сетевое устройство может установить контакт с координатором путем отправки MAC-команды запроса данных, используя механизм бездоменного CSMA-CA, со скоростью обмена, заданной приложением. Координатор подтверждает успешное получение информационного запроса с помощью кадра подтверждения. Если информационный кадр ждет отправки, координатор посылает устройству кадр данных, используя бездоменный механизм CSMA-CA. Если кадра данных, ждущего отправки нет, координатор фиксирует этот факт либо в пакете подтверждения, следующем за запросом данных, либо в информационном кадре с нулевой длиной поля данных. Если нужно, устройство подтверждает успешное получение кадра данных. Последовательность действий для данной схемы отображена на рис. 1.9. 4]

Рисунок 1. 9- Телекоммуникации из координатора в сеть PAN без маяков

Оптимизация энергопотребления является приоритетной задачей при построении ZigBee сетей. Одним из решений этой задачи является стратегия связи, основанная на передаче данных только при их поступлении и последующее ожидание подтверждения в случае успешного приема пакета со стороны адресата. При этом каждое устройство может инициировать передачу в любой момент. Очевидным недостатком данного метода является вероятность интерференции при одновременной передаче данных несколькими устройствами. Однако возможность наложения сводится к минимуму благодаря крайне малой длительности активного цикла устройства, случайности момента передачи и, как правило, небольшим объемам передаваемой информации.

Надежность соединения повышается за счет использования протокола CSMA-CA. Стратегия простого множественного доступа применима только к соединениям типа «точка — точка» или «звезда». Она подходит не всем приложениям. Для предотвращения нежелательного взаимодействия возможно использование протокола множественного доступа с временным разделением (TDMA). Технология ZigBee/802. 15.4 гарантирует временные интервалы по принципу схожему с технологией TDMA, но использование данного разделения возможно только совместно с режимом синхронизации и временного разделения, что является более сложным и менее энергоэффективным алгоритмом по сравнению с обычным TDMA-доступом. Временное разделение ZigBee базируется на использовании режима синхронизации, при котором подчиненные сетевые устройства, большую часть времени находящиеся в «спящем» состоянии, периодически «просыпаются» для приема сигнала синхронизации от сетевого координатора, что позволяет устройствам внутри локальной сетевой ячейки знать, в какой момент времени осуществлять передачу данных. Координатор управляет обменом, выделяет каналы и осуществляет вызовы с интервалом от 15 мс до 252 с. Передача сигнальных пакетов определяет пропускную способность, обеспечивает малое время ожидания очереди доступа и выделение 16 временных интервалов одинаковой длительности, на каждом из которых исключены коллизии в сети.

Рисунок 1. 11- Синхронизированный доступ в сеть ZigBee

Временной интервал доступа для каждого из узлов сети определяется либо координатором, либо посредством механизма CSMA-CA. Интервалы покоя необходимы для реализации энергосберегающих режимов сетевого координатора при работе от автономного источника питания.

Недостаток -- состояние ожидания сигнала синхронизации приводит к незначительному увеличению энергопотребления из-за наличия небольших временных расхождений, что вынуждает устройства «просыпаться» немного раньше, чтобы не пропустить сигнал. Функция синхронизированного доступа применяется в сетях с расширенной топологией, таких как «кластерное дерево» и «многоячейковая сеть». 2]

В таблице 1.2. приводятся различия в пересылках данных между координатором и узлом сети для случаев простого множественного доступа и доступа с функцией синхронизации. Стандартный множественный доступ может иметь место в системах безопасности и охраны зданий при организации ZigBee- сети разнообразных датчиков (проникновения, движения, дыма и т. д.).

Условиями применимости можно считать общее время состояния покоя систем порядка 99,9%, переход устройств в активное состояние в псевдослучайные моменты времени для сообщения координатору о своем присутствии в сети. В момент датчик сразу переходит в активное состояние и передает сигнал тревоги. При этом координатор, работающий от сети питания, постоянно находится в активном состоянии и принимает сигналы от всех оконечных сетевых устройств.

Таблица 1. 2- Протоколы пересылок для двух стратегий доступа в сеть.

Направление передачи данных

Синхронизированный доступ

Простой множественный доступ

К координатору

-ожидает сигнальный пакет

-синхронизация с сетью

-передача данных в определенный момент по протоколу CSMA/CA

-подтверждение приема

-передача данных в момент появлении данных по протоколу CSMA/CA

— подтверждение приема

От координатора

-сообщает наличие новых данных

-ожидание пакета данных, если есть новые, устр-во запрашивает данные в опред. интервал времени протоколу CSMA/CA

-подтверждение получения запроса

-хранение данных, пока нет запроса

-посылает запрос по протоколу CSMA/CA

-передает подтверждение получения запроса от устр.

-пересылка данных

Синхронизированный доступ позволяет координатору иметь автономное питание благодаря отсутствию случайных пересылок от оконечных устройств.

? Регистрация в сети в данном случае происходит следующим образом:

? оконечное устройство сразу после подачи питания ждет сигнала синхронизации от координатора существующей сети ZigBee (временной интервал ожидания сигнала 0,015…252 с);

? обмен первичной информацией с координатором и ожидание ответа;

? переход в состояние покоя, «пробуждение» в моменты, определяемые координатором сети ZigBee;

? по окончании сеанса связи с оконечным устройством координатор также переходит в состояние покоя.

Данный способ доступа предполагает незначительное увеличение стоимости времязадающих цепей в каждом из узлов сети. Более длительные интервалы состояния покоя предполагают наличие точных времязадающих цепей, а ранний переход в активное состояние для уверенного приема сигнального пакета увеличивает потребление электроэнергии принимающей стороной. Максимальное значение периода синхронизации (252с) стремлением ограничить предельную точность цепи времени. [2]

2. Использование беспроводной технологии Zigbee в пожарных систамах безопасности

2.1 Устройства для построения беспроводной сети

ZigBee является наиболее молодой и перспективной технологией для построения беспроводных сетей с небольшими объемами передаваемой информации. Протокол ZigBee изначально разрабатывался для объединения в сеть большого количества автономных устройств, например датчиков и выключателей с батарейным питанием. Стандарт 802. 15.4. оговаривает следующие параметры радиосети — диапазон частот, тип модуляции, структуру пакетов, правила формирования контрольной суммы, способы предотвращения коллизий и т. д. Все эти характеристики, в большей или меньшей степени, реализуются в микросхеме приемопередатчика (трансивера). Трансиверы, отвечающие стандарту 802. 15. 4, могут использоваться как самостоятельные устройства, если разработчику нужно организовать связь точка-точка или звезда. Для организации полноценной сети ZigBee необходимо добавить микроконтроллер, в который должен быть загружен набор управляющих программ, так называемый стек протоколов ZigBee. К управляющему контроллеру выдвигаются определенные требования — память программ должна быть не менее 64 кбайт, если устройство будет исполнять роль координатора, для оконечного устройства достаточно 4 кбайт программной памяти. [7]

Ряд компаний выпускает законченные модули ZigBee. Это небольшие платы (2…5 кв. см.), на которых установлен чип трансивера, управляющий микроконтроллер и необходимые дискретные элементы. В управляющий микроконтроллер, в зависимости от желания и возможности производителя закладывается либо полный стек протоколов ZigBee, либо иная программа, реализующая возможность простой связи между однотипными модулями. В последнем случае модули именуются ZigBee-готовыми (ZigBee-ready) или ZigBee-совместимыми (ZigBee compliant). Все модули очень просты в применении — они содержат широко распространенные интерфейсы (UART, SPI) и управляются с помощью небольшого набора несложных команд. Применяя такие модули, разработчик избавлен от работы с высокочастотными компонентами, т. к. на плате присутствует ВЧ трансивер, вся необходимая «обвязка» и антенна. Модули содержат цифровые и аналоговые входы, интерфейс RS-232 и, в некоторых случаях, свободную память для прикладного программного обеспечения. [6] Предлагаю рассмотреть продукцию ведущих производителей. (см. таблицу 2. 1)

Таблица 2.1 — Продукция ведущих производителей Zigbee устройств

Из выше перечисленных устройствах следует остановиться на продукциях известных производителей. Основными же являются продукции компаний Freescale, TI/Chipcon, Digi. Предлагаю рассмотреть технические характеристики и достоинства основных продуктов каждого производителя. [6]

Продукция компании Freescale

Freescale — одна из первых полупроводниковых компаний, которая начала заниматься беспроводной тематикой на 2,4 ГГц. Поэтому, рассмотрений всевозможных вариантов микросхем беспроводной связи стандарта 802. 15.4 ассортимент продукции этой компании был изучен в первую очередь Первыми микро- схемами этого стандарта были MC1319x - весьма удачные трансиверы, которые на протяжение многих лет успешно применяются в массовом производстве беспроводных устройств.

MC13191 и MC13192 — радиотрансиверы диапазона 2,4 ГГц, предназначенные для использования в системах беспроводной передачи данных стандарта IEEE 802. 15. 4/ZigBee, но могут быть использованы для организации любого радиоинтерфейса, не только ZigBee-совместимого.

Трансиверы имеют в своем составе малошумящий усилитель, усилитель мощности (до 4 dBm), встроенный стабилизатор напряжения, схемы кодирования / декодирования обеспечивают поддержку протоколов физического уровня (PHY) стандарта IEEE 802. 15.4. Для связи с внешним МК используется 4-х проводная шина SPI, семь портов ввода-вывода общего назначения и шина прерывания. Дополнительно имеется выход с программно-управляемого таймера, который может использоваться управляющим микроконтроллером в качестве внешнего генератора тактирования.

Трансиверы MC1319х работают с микроконтроллерами серий HCS08, HC9S12(X), DSC, но могут использоваться совместно с любым другим контроллером имеющим SPI интерфейс. 6]

Таблица 2.2 Характеристика трансиверов MC1319x

Параметр

МС13 191

МС13 192

Способ передачи

Пакетная

Пакетная, потоковая

Поддержка сетевых топологий

Звезда, точка-точка

Все возможные

Программное обеспечение

SMAC

SMAC, 802. 15. 4MAC

Диапазон частот, ГГц

2,405…2,485

Скорость передачи, кбит/сек

250

Модуляция

Q-QPSK

Число каналов

16 каналов с шагом 5 МГц

Выходная мощность, дБм

Настраиваемая программно −16…+4

Рабочая температура

-40єС …+85 єС

Продукция компании Texas Instruments (Chipcon)

Новый приемопередатчик CC2520 стандарта 802. 15. 4, компанией Texas Instruments, с полным основанием может быть отнесен к компонентам класса hi-rel. Он предназначен для сложных условий эксплуатации и работает в расширенном температурном диапазоне.

CC2520 представляет собой ZigBeeTM/IEEE 802. 15.4 трансивер второго поколения, специально спроектированный для радиочастотных приложений с частотой 2,4 ГГц. Трансивер позволяет создавать устройства индустриального класса благодаря способности работать в сложной помеховой обстановке, отличному энергетическому потенциалу радиолинии и работоспособности до температуры 125 С. В дополнение, CC2520 предоставляет расширенную аппаратную поддержку для обработки пакетов, буферизации данных, шифрования и аутентификации данных, оценки уровня зашумленности канала, индикации уровня радиосигнала и временной информации о пакетах. Эти возможности уменьшают нагрузку на управляющий микроконтроллер.

Особенности:

? Высокая стойкость к помехам на соседнем канале

? Отличный энергетический потенциал радиоканала -103 дБ

? Расширенный температурный диапазон −40… +125 С

? Аппаратная поддержка функций IEEE 802. 15.4 / MAC

? Режим совместимости интерфейса с СС2420

? Модуль аппаратного кодирования AES-128

Преимущества:

? Позволяет создать индустриальные решения в диапазоне 2,4 ГГц

? Способность работы в окружении устройств Bluetooth® и Wifi

? Аппаратные блоки снижают нагрузку на внешний микроконтроллер [6]

Таблица 2. 3- Характеристика трансивера CC2520

Параметр

Минимальное значение

Типичное

Максимальное

Условия эксплуатации

Диапазон частот, ГГц

2. 394

2. 4835

2. 507

Скорость передачи, кбит/сек

250

Рабочая температура

-40єС …+85 єС

Выходная мощность, дБм

-18

+5

Режим приема

250

Чувствительность приемника, дБм

-98

Ток потребления в режиме приема, мА

22

Продукция компании Digi

Радиочастотная продукция компании Digi (в прошлом MaxStream) хорошо известна мировым разработчикам благодаря радиочастотным модулям XBeeTM и XBee-PROTM. XBeeTM и XBee-PROTM — малогабаритные модули стандарта ZigBee/IEEE 802. 15. 4, предназначенные для построения промышленных сетей передачи данных. Модули прекрасно подходят для построения систем передачи 802. 15.4 с топологией «точка — точка» или «звезда». Управление модулями осуществляется через интерфейс UART с помощью АТ-команд. Модуль XBee-PROTM отличается от XBeeTM повышенной мощностью излучения и, соответственно, увеличенным радиусом действия.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой