ZigBee

2.2 Применение сенсорных сетей.

Обычно БСС применяется для сбора данных с устройств, оснащенных сенсорами: датчиком температуры, влажности, освещения, то есть мониторинга. Например, миниатюрные сенсоры могут быть использованы в медицине для наблюдения за пациентами. Устройства, которые пациент носит с собой, могут контролировать работу жизненно важных органов и в случае каких-то опасных ситуаций сообщать врачу.

Небольшие размеры устройств позволяют проводить не только «поверхностные» наблюдения за пациентом, но и исследовать внутренние органы человека. Так при проведении гастроскопии в государственных больницах, поликлиниках применяют специальные аппарат, с гастроскопической трубкой, но не все пациенты могут её проглотить. На рынке уже существуют устройства в виде таблеток для проведения таких исследований. Эти устройства с батарейным питанием имеют запас энергии, достаточный того, чтобы непрерывно работать в течение 24 часов и отправлять показания другому устройству, которое пациент носит с собой в течение этого времени. После этого врач может анализировать полученные результаты и поставить точный диагноз.

Сенсоры могут использоваться для автоматического включения освещения, когда человек входит в комнату, использоваться для управления каких-нибудь устройств (в системе «умный дом»).

Иногда требуется следить за подвижностью или разрушением каких-либо объектов, где трудно проложить кабели. Для этого опять же выгоднее применить сенсорные сети, так как датчики имеют автономный источник питания и они беспроводные.

Также технология беспроводных сенсорных сетей может быть использована для передачи звуковых данных в качестве домофонной системы, мультимедиа системы с низким энергопотреблением.

2 нОХЯЮМХЕ ОПХМЖХОХЮКЭМНИ ЯУЕЛШ СЯРПНИЯРБЮ СОПЮБКЕМХЪ НЯБЕЫЕМХЕЛ

б ОПХКНФЕМХХ 1 ХГНАПЮФЕМЮ ЯУЕЛЮ ЩКЕЙРПХВЕЯЙЮЪ ОПХМЖХОХЮКЭМЮЪ СЯРПНИЯРБЮ СОПЮБКЕМХЪ НЯБЕЫЕМХЕЛ. мЮ МЕИ ОПЕДЯРЮБКЕМН ЯРЮМДЮПРМНЕ БЙКЧВЕМХЕ ЛХЙПНЙНМРПНККЕПЮ ATmega128RFA1 ПЕЙНЛЕМДСЕЛНЕ ОПНХГБНДХРЕКЕЛ, ОХРЮМХЕ ЛХЙПНЙНМРПНККЕПЮ НЯСЫЕЯРБКЪЕРЯЪ ВЕПЕГ ЯРЮАХКХГЮРНП, МЮ БУНД ЙНРНПНЦН ЛНФМН ОНДЮБЮРЭ МЮОПЪФЕМХЪ Б ДХЮОЮГНМЕ 4,5-20 БНКЭР, ДКЪ МЕОНЯПЕДЯРБЕММНЦН СОПЮБКЕМХЪ НЯБЕЫЕМХЕЛ МЮ ЯУЕЛЕ БШОНКМЕМШ ДБЮ ЙКЧВЮ МЮ ОНКЕБШУ n-ЙЮМЮКЭМШУ РПЮМГХЯРНПЮУ. гЮРБНП ОЕПБНЦН РПЮМГХЯРНПЮ ЯНЕДХМЕМ Я БШБНДНЛ PE0 ОНПРЮ E Х АСДЕР СОПЮБКЪРЭЯЪ Б ПЕФХЛЕ БЙК/БШЙК. гЮРБНП БРНПНЦН РПЮМГХЯРНПЮ ЯНЕДХМЕМ Я БШБНДНЛ PE3 ОНПРЮ E, ЙНРНПШИ ЪБКЪЕРЯЪ БШБНДНЛ ЮООЮПЮРМНЦН ьхл ЙНМРПНККЕПЮ. вЕПЕГ МЕЦН АСДЕР НЯСЫЕЯРБКЪРЭЯЪ СОПЮБКЕМХЕ ЛНЫМНЯРЭЧ НЯБЕРХРЕКЭМНЦН ОПХАНПЮ.

Описание

ZigBee — стандарт для набора высокоуровневых протоколов связи, использующих небольшие, маломощные цифровые трансиверы, основанный на стандарте IEEE 802.15.4-2006 для беспроводных персональных сетей, таких как, например, беспроводные наушники, соединённые с мобильными телефонами посредством радиоволн коротковолнового диапазона. Технология определяется спецификацией ZigBee, разработанной с намерением быть проще и дешевле, чем остальные персональные сети, такие как Bluetooth. ZigBee предназначен для радиочастотных устройств, где необходима длительная работа от батареек и безопасность передачи данных по сети.

Альянс ZigBee является органом, обеспечивающим и публикующим стандарты ZigBee, он также публикует профили приложений, что позволяет производителям изначальной комплектации создавать совместимые продукты. Текущий список профилей приложений, опубликованных, или уже находящихся в работе:

• Домашняя автоматизация
• Рациональное использование энергии (ZigBee Smart Energy 1.0/2.0)
• Автоматизация коммерческого строительства
• Телекоммуникационные приложения
• Персональный, домашний и больничный уход
• Игрушки

Сотрудничество между IEEE 802.15.4 и ZigBee подобно тому, что было между IEEE 802.11 и альянсом Wi-Fi. Спецификация ZigBee 1.0 была ратифицирована 14 декабря 2004 и доступна для членов альянса ZigBee. 30 октября 2007 г., была размещена спецификация ZigBee 2007. О первом профиле приложения — «Домашняя автоматизация» ZigBee, было объявлено 2 ноября 2007. ZigBee работает в промышленных, научных и медицинских (ISM-диапазон) радиодиапазонах: 868 МГц в Европе, 915 МГц в США и в Австралии, и 2.4 ГГц в большинстве стран в мире (под большинством юрисдикций стран мира). Как правило, в продаже имеются чипы ZigBee, являющиеся объединёнными радио- и микроконтроллерами с размером Flash-памяти от 60К до 128К таких производителей, как Jennic JN5148, Freescale MC13213, Ember EM250, Texas Instruments CC2430, Samsung Electro-Mechanics ZBS240 и Atmel ATmega128RFA1. Радиомодуль также можно использовать отдельно с любым процессором и микроконтроллером. Как правило, производители радиомодулей предлагают также стек программного обеспечения ZigBee, хотя доступны и другие независимые стеки.

Так как ZigBee может активироваться (то есть переходить от спящего режима к активному) за 15 миллисекунд или меньше, задержка отклика устройства может быть очень низкой, особенно по сравнению с Bluetooth, для которого задержка, образующаяся при переходе от спящего режима к активному, обычно достигает трёх секунд. Так как ZigBee большую часть времени находится в спящем режиме, уровень потребления энергии может быть очень низким, благодаря чему достигается длительная работа от батарей.

Первый выпуск стека сейчас известен под названием ZigBee 2004. Второй выпуск стека называется ZigBee 2006, и, в основном, заменяет структуру MSG/KVP, использующуюся в ZigBee 2004 вместе с «библиотекой кластеров». Стек 2004 года сейчас более или менее вышел из употребления. Реализация ZigBee 2007 в настоящее время является текущей, она содержит два профиля стека, профиль стека № 1 (который называют просто ZigBee) для домашнего и мелкого коммерческого использования, и профиль стека № 2 (который называют ZigBee Pro). ZigBee Pro предлагает больше функций, таких как широковещание, маршрутизацию вида «многие-к-одному» и высокую безопасность с использованием симметричного ключа (SKKE), в то время как ZigBee (профиль стека № 1) занимает меньше места в оперативной и Flash-памяти. Оба профиля позволяют развернуть полномасштабную сеть с ячеистой топологией и работают со всеми профилями приложений ZigBee.

ZigBee 2007 полностью совместим с устройствами ZigBee 2006. Устройство ZigBee 2007 может подключаться и работать с сетью ZigBee 2006, и наоборот. В связи с наличием различий в опциях маршрутизации, устройства ZigBee Pro могут быть только конечными устройствами (ZEDs) сетей ZigBee 2006, и наоборот, устройства ZigBee 2006 и ZigBee 2007 могут быть только конечными устройствами в сети ZigBee Pro. При этом приложения, которые запускаются на устройствах, работают одинаково, независимо от реализации профиля стека.

История

• Сети, образованные по протоколу ZigBee, начали рассматриваться с 1998, когда многие установщики осознали, что протоколы WiFi и Bluetooth стали неподходящими для многих приложений. В частности, многие инженеры увидели необходимость в самоорганизуемых ad-hoc сетях.
• Стандарт IEEE 802.15.4 был создан в мае 2003.
• Летом 2003 главный поставщик ячеистых сетей Philips Semiconductors прекратил инвестиции. Однако Philips Lighting продолжил участие со стороны данной корпорации, которая осталась покровителем (промоутером) в составе совета директоров альянса ZigBee.
• О создании альянса ZigBee было объявлено в 2004. В следующем году число его членов удвоилось и выросло до более чем 100 компаний в 22 странах. К апрелю 2005 число участников достигло более 150 компаний и к декабрю 2005 до 200 компаний.
• Спецификации ZigBee были ратифицированы 14 декабря 2004.
• Альянс ZigBee объявляет о доступности для общественности Спецификации 1.0 13 июня 2005 года (известный сейчас как спецификация ZigBee 2004).
• Альянс ZigBee объявляет о завершении и немедленной готовности членов расширенной версии стандарта ZigBee сентября 2006, известной сейчас как спецификация ZigBee 2006.
• В течение последнего квартала 2007 года расширенная спецификация ZigBee — ZigBee Pro Feature Set была завершена.

Структура сети ZigBee 802.15.4

Беспроводные сети на базе стандарта IEEE 802.15.4 представляют собой альтернативу проводным соединениям в распределенных системах мониторинга и управления и отличаются более гибкой архитектурой, требуют меньших затрат при их установке и эксплуатации.

В 2001 году Институт инженеров электротехники и электроники IEEE разработал новый стандарт 802.15.4 семейства беспроводных персональных сетей WPAN. В 2002 году был организован альянс ZigBee. Альянс ZigBee — это консорциум поставщиков полупроводниковых компонентов, производителей готовых решений, а также конечных потребителей (всего более 90 компаний), который разрабатывает глобальную спецификацию программного стека протоколов ZigBee на базе стандарта IEEE 802.15.4 для надежных, с низкими энергозатратами беспроводных приложений с поддержкой различных сетевых топологий типа «звезда», «кластерное дерево», «многоячейковая сеть» .

Технология ZigBee заняла нишу радиоинтерфейсов для низкоскоростных приложений с крайне малым энергопотреблением, где использовались либо технологии с более высокими эксплутационными характеристиками и с высоким энергопотреблением, либо решения, базирующиеся на микросхемах радиотрансиверов различных производителей, не относящихся ни к одному из распространенных стандартов. Приведенные на рис. 1 стандарты (Bluetooth, WLAN) отлично подходят для передачи больших объемов информации (голоса, данных, видео) с высокой скоростью (от 1 до 200 Мбит/с) и с дальностью передачи от 10 до 100 метров. Устройства на их основе способны работать в автономном режиме (от батарей и аккумуляторов). Все это позволяет заменить проводные соединения в таких системах, как компьютерные и развлекательные системы, вычислительные сети. Однако существует огромное множество систем (разнообразные датчики, системы контроля и сбора информации и т. д.), обладающих особой спецификой (небольшие объемы передаваемой информации, малое энергопотребление, простота установки и обслуживания, большое количество узлов сети и т. п.), вследствие чего в такого рода приложениях невозможно со 100-процентой эффективностью использовать упомянутые технологии. Именно на реализацию подобных задач нацелен стандарт IEEE 802.15.4 (ZigBee) для низкоскоростных WPAN-сетей (рис. 1).

Рис. 1. Классификация основных беспроводных стандартов

Применение технологии ZigBee/802.15.4 позволяет разрабатывать беспроводные интерфейсы с минимальными затратами благодаря простоте схемотехники, минимальному количеству внешних пассивных элементов, использованию готового программного обеспечения стека малых объемов. Стандарт позволяет создавать сети с многоячейковой топологией, обслуживать таким образом очень большое число узлов и увеличивать дальность связи без дополнительных затрат на усилители мощности.

Стандарт IEEE 802.15.4 для беспроводных низкоскоростных персональных сетей (WPAN) определяет физический уровень PHY и уровень доступа к среде MAC

1 Настройка ZigBee-устройств

Запишем в каждый узел соответствующую конфигурацию. Все три устройства — USB-шлюз и две отладочные платы — были подключены к компьютеру и каждое было соответствующим образом сконфигурировано:

• для USB-шлюза использовалась ветка координатора («COO») из конфигурационного файла
• для модулей на отладочных платах — ветка спящих конечных устройств («SED») из конфигурационного файла

Несколько комментариев по поводу настройки спящих конечных устройств. Для того, чтобы минимизировать энергопотребление радиомодуля, необходимо отключить всю неиспользуемую периферию: светодиодную индикацию и питание датчика освещения. Кроме этого необходимо все неиспользуемые выводы сконфигурировать на вход с подтяжкой или выход. За настройку портов ввода/вывода отвечает несколько 32-разрядных регистров:

• регистр S13 вспомогательный регистр, позволяющий определить направление вывода (Hi-Z, вход с подтяжкой, push-pull выход, выход с открытым коллектором)
• регистр S16 настраивает определенный вывод в качестве входа (запись 0) или в качестве выхода (запись 1). Радимодуль имеет 3 порта A, B, C по 8 выводов. Запись настроек можно производить как записью отдельного бита, меняя каждый вывод по-отдельности, так и делать изменения сразу для всей группы. Регистр не является энергонезависимым, поэтому если необходимо постоянное применение определенной конфигурации, то её необходимо записать в регистр S17. Значение данного регистра автоматически переносится в регистр при подаче питания или при сбросе.
• регистр S18 задает логический уровень на выходе вывода. Если вывод настроен как выход, то запись 0/1 в определенный бит установит соответствующий логический уровень. Если вывод настроен как вход с подтяжкой, то запись 0/1 будет активировать подтяжку к питанию или к земле. Регистр S18 как и регистр S16 тоже не является энергонезависимым. Его начальное значение можно записать в регистр S19, значение из которого будет скопировано при сбросе.

Более подробную информацию по возможным настройкам портов ввода/вывода можно посмотреть в документации по AT-командам. В конфигурационном файле для спящих узлов записано значение, которое отключает всю ненужную для нашей задачи периферию за исключением вывода, использующегося для питания датчика температуры, и входа АЦП. Для того, чтобы задействовать вход АЦП необходимо в регистре S15 установить бит 13 в 1 (задействование альтернативной функциональности вывода PB5). На отладочной плате установлен датчик температуры LM61.

2 Организация передачи данных на центральный узел сбора

Для того, чтобы спящие конечные устройства автоматически присылали данные на центральное устройство, воспользуемся встроенной функцией, которая может быть вызвана по прерыванию или событию. В нашей задаче мы хотим получать информацию о температуре через определенные интервалы времени. Поэтому необходимо воспользоваться одним из встроенных таймеров, который и будет вызывать встроенную функцию. Пусть прерывание от таймера/счетчика 7 будет возникать каждые 10 секунд. Для задания порога срабатывания таймера/счетчика 7 используется регистр S37. Пороговое значение в секундах определяется по следующей формуле:

Номер вызываемой по прерыванию от таймера/счетчика 7 функции записывается в регистр S38. Необходимая нам функция имеет номер 0110, которая отправляет данные о состоянии всех портов ввода/выывода, напряжении питания и оцифрованные значения АЦП на Sink-узел. Для того, чтобы она автоматически перезапускала таймер, необходимо старший бит (S38F) в регистре S38 установить в 1. Итоговое значение, которое необходимо записать – 8110. Об этой возможности встроенной прошивки можно почитать в документации. Ниже дана краткая информация о том, что такое Sink-узел.

Sink-узлы

Каждое устройство в сети ZigBee имеет собственный уникальный короткий идентификатор (PANID). Координатор всегда имеет короткий адрес 0000 и очень часто именно его делают центральным узлом сбора данных. Однако, бывают случаи, когда координатором является устройство, не имеющее внешних интерфейсов (UART, SPI и т.д.) и требуется отправлять данный с датчиков на какой-то другой узел. Одно из решений – в собственном приложении, взаимодействующем с модулями ETRX357, вручную задать адрес устройства, которое будет собирать и обрабатывать поступающую информацию. Недостатки данного подхода:

• если используется короткий идентификатор при отправке адресных сообщений с данными:
  • устройство сбора данных может при определенных обстоятельствах покинуть сеть и при переподключении ему будет выдан новый идентификатор
  • короткий идентификатор выдается при подключении узла к сети. В связи с этим могут возникнуть сложности с настройкой узлов, которые должны передавать пакеты данных на узел сбора данных
• если используется длинный идентификатор при отправке адресных сообщений с данными:

Для того, чтобы упростить механизм отправки данных на определенные узлы в сети, в стандартной прошивке модулей ETRX357 имеется специальная надстройка — стать Sink-узлом — которую может задействовать любой роутер в сети. Чтобы сделать роутер Sink-узлом, 4 бит в регистре S10 необходимо установить в единицу. Во всех узлах, которые используют встроенные функции, отправляющие данные на Sink, или же желающие использовать специальную команду для отправки сообщений на Sink, необходимо установить 8 бит в регистре S10 или использовать команду AT+SSINK для осуществления поиска ближайшего Sink-узла. Sink-устройство периодически отправляет широковещательные сообщения в сеть и все узлы, получившие его, делают запись в своей адресной таблице. В случае большой сети, вводят несколько Sink-узлов, которые принимают данные от ближайших соседей. Устройства, отправляющие данные на Sink-узел, автоматически выбирают наиболее подходящий узел сбора данных, используя информацию о качестве связи. Это позволяет разгрузить устройства сбора данных, а также предотвратить сбои в получении данных, так как в случае выхода из строя одного из Sink-узлов сеть автоматически перестроит маршруты.

После этого можно отправлять данные на Sink с помощью команды AT+SCAST:

2 оПНЦПЮЛЛМЮЪ ОНДДЕПФЙЮ ПЮГПЮАНРЙХ АЕЯОПНБНДМШУ ZigBee ЯЕРЕИ

оНЛХЛН ЮООЮПЮРМНИ ВЮЯРХ, ОПХ ОНЯРПНЕМХХ АЕЯОПНБНДМНИ ЯЕРХ БЮФМЮ ВЮЯРЭ ОПНЦПЮЛЛМЮЪ, ОПНХГБНДХРЕКХ БШОСЯЙЮЧР МЕ ОПНЯРН ОПХЕЛНОЕПЕДЮРВХЙХ, ТХГХВЕЯЙХ ОНДДЕПФХБЮЧЫХЕ РПЕАСЕЛШЕ ВЮЯРНРМШЕ ДХЮОЮГНМШ, ТНПЛЮРШ ДЮММШУ, ЯЙНПНЯРХ ОЕПЕДЮВХ, МН Х ОПЕДНЯРЮБКЪЧР ЦНРНБШЕ ЯРЕЙХ ОПНРНЙНКНБ, ОНГБНКЪЧЫХЕ НПЦЮМХГНБШБЮРЭ ЯЕРХ ПЮГКХВМНИ РНОНКНЦХХ, НЯСЫЕЯРБКЪРЭ ЛЮПЬПСРХГЮЖХЧ, ОЕПЕДЮВС ДЮММШУ Х ЛМНЦНЕ ДПСЦНЕ.

мЮКХВХЕ ЦНРНБНЦН ЯРЕЙЮ ОПНРНЙНКНБ ОНГБНКЪЕР ПЮГПЮАНРВХЙЮЛ ЯНЯПЕДНРНВХРЭ БМХЛЮМХЕ ХЛЕММН МЮ ОПХЙКЮДМШУ ЯЕРЕБШУ ОПХКНФЕМХЪУ — ОПХЛЕПМН РЮЙ, ЙЮЙ ЩРН ОПНХЯУНДХР Я БЕА-ЯЕПБХЯЮЛХ Х ЙКХЕМР-ЯЕПБЕПМШЛХ ОПХКНФЕМХЪЛХ ДКЪ ОЕПЯНМЮКЭМШУ ЙНЛОЭЧРЕПНБ: ЯРЕЙ ЯЕРЕБШУ ОПНРНЙНКНБ БШОНКМЪЕР НЯМНБМСЧ ПЮАНРС.

яРЕЙ ОПНРНЙНКНБ BitCloud ОПЕДЯРЮБКЪЕР ЯНАНИ ОНКМНТСМЙЖХНМЮКЭМШИ ОПНЦПЮЛЛМШИ ЯРЕЙ ДКЪ БЯРПЮХБЮЕЛШУ ЯХЯРЕЛ, ОНГБНКЪЧЫХИ ЯНГДЮБЮРЭ МЮ ЕЦН НЯМНБЕ МЮДЕФМШЕ, ЛЮЯЬРЮАХПСЕЛШЕ Х АЕГНОЮЯМШЕ ОПХКНФЕМХЪ, ПЮАНРЮЧЫХЕ МЮ ЮООЮПЮРМНИ ОКЮРТНПЛЕ ТХПЛШ Atmel.

пХЯ. 2.4 нЯМНБМШЕ СПНБМХ ОПНЦПЮЛЛМНЦН ZigBee ЯРЕЙЮ BitCloud.

оНЛХЛН МЕОНЯПЕДЯРБЕММН ЯРЕЙЮ ОПНРНЙНКНБ ЙНЛОЮМХЪ Atmel РЮЙФЕ ОПЕДНЯРЮБКЪЕР ЦНРНБСЧ Й ПЮАНРЕ ОКЮРТНПЛС BitCloud Profile Suite ДКЪ АШЯРПНИ ПЮГПЮАНРЙХ ЯЕПРХТХЖХПНБЮММШУ ZigBee СЯРПНИЯРБ, НЯМНБЮММШУ МЮ ЯРЮМДЮПРЕ МЮ ЯРЕЙЕ ОПНРНЙНКНБ ZigBee PRO. мЮ ПХЯ. 2.5 ОПЕДЯРЮБКЕМЮ ДХЮЦПЮЛЛЮ ТСМЙЖХНМЮКЭМШУ БНГЛНФМНЯРЕИ ПЮГМШУ СПНБМЕИ ЯРЕЙЮ .

пХЯ. 2.5 тСМЙЖХНМЮКЭМШЕ БНГЛНФМНЯРХ СПНБМЕИ ЯРЕЙЮ ОПНРНЙНКНБ.

оНЯКЕ ЮМЮКХГЮ ПШМЙЮ ЙНЛОНМЕМРНБ ДКЪ АЕЯОПНБНДМШУ ЯЕРЕИ ЯРЮМДЮПРЮ 802.15.4 АШК БШАПЮМ ЛХЙПНЙНМРПНККЕП ATMEGA128RFA1, СДНБКЕРБНПЪЧЫХИ ЯКЕДСЧЫХЛ ЙПХРЕПХЪЛ:

— МХГЙНЕ ЩМЕПЦНОНРПЕАКЕМХЕ;

— ЛЮКШЕ ЦЮАЮПХРШ;

— ДНЯРЮРНВМЮЪ ЛНЫМНЯРЭ БШУНДМНЦН ЯХЦМЮКЮ.

мЮ ЕЦН НЯМНБЕ Х АСДЕР ОПНХГБНДХРЯЪ ПЮГПЮАНРЙЮ СГКНБ ЖЕКЕБНИ ЯЕРХ.

оПНТХКЭ ZigBee Home Automation НАЕЯОЕВХБЮЕР ОНДДЕПФЙС ЯКЕДСЧЫХУ СЯРПНИЯРБ:

— ДЮРВХЙ ОПХЯСРЯРБХЪ;

— СЯРПНИЯРБН СОПЮБКЕМХЪ НЯБЕЫЕМХЕЛ;

— СЯРПНИЯРБН СОПЮБКЕМХХ МЮЦПСГЙНИ;

— ОСКЭР СОПЮБКЕМХЪ ЯХЯРЕЛНИ.

рЮЙХЛ НАПЮГНЛ ЯХЯРЕЛЮ Б ЛХМХЛЮКЭМНЛ БЮПХЮМРЕ АСДЕР ЯНЯРНЪРЭ ХГ 4 СГКНБ БГЮХЛНДЕИЯРБСЧЫХУ ЛЕФДС ЯНАНИ ОН АЕЯОПНБНДМНЛС ЙЮМЮКС Х НАЕЯОЕВХБЮЧЫХУ СОПЮБКЕМХЕ НЯБЕЫЕМХЕЛ Х МЮЦПСГЙНИ Б ЩКЕЙРПХВЕЯЙНИ ЖЕОХ ФХКНЦН ОНЛЕЫЕМХЪ .

Датчик температуры и влажности воздуха Xiaomi WSDCGQ01LM

Это не единственный подобный датчик для шлюза Xiaomi, есть аналогичная модель под брендом Aqara, которая немного отличается формой – устройство Xiaomi круглое (∅36 × 11 мм, 10 г), а у Aqara оно в виде квадрата с сильно скруглёнными углами. Ну вдруг кого-то волнуют такие тонкости дизайна.

Корпус сделан из белого пластика, устойчивого к ультрафиолетовому свету. Снизу – отверстие для воздуха; сверху – кнопка; сзади под легко откручивающейся крышкой – батарейка типа CR2032. На задней крышке есть кольцо из двухстороннего скотча для крепления датчика к стене. Запасное кольцо поставляется в комплекте. Естественно, по возможности размещать датчик следует не на металлических и прочих легко нагревающихся поверхностях, в тени и так, чтобы водой его не заливало, хотя для него и заявлена защита от влаги. Суховатое описание, но тут и сказать-то больше нечего.

Датчик температуры и влажности воздуха Xiaomi

На сайте производителя указано, что используются сенсоры компании Sensirion AG. Датчик измеряет температуру с точностью до ± 0,3 °С, а влажность до ± 3%. Устройство можно использовать при температуре окружающей среды от -20 °С до +60 °C и относительной влажности от 0% до 100%. Из дополнительных возможностей устройство предлагает всего две. Во-первых, это показ графиков значений температуры и влажности за последние сутки, неделю или месяц. Во-вторых, это отправка уведомлений о плохой (с точки зрения разработчиков) погоде. Например, он заботливо предупредит вас о том, что слишком холодно. Правда, сделает это на китайском языке, что определённо снижает ценность таких уведомлений, потому что каждый раз лезть в переводчик – а весточки датчик присылает до нескольких раз за день – как-то лениво.

2. Стек протоколов ZigBee.

Стек ZigBee представляет собой иерархическую
модель, построенную по принципу
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
ZigBee .

Спецификация стека ZigBee (законы построения
сети) определяет, какими свойствами
должны обладать устройства, из которых
строится сеть, каким образом пакет
информации передается от одного узла
сети к другому, как новое устройство
подключается к сети и кто в сети является
главным, а кто подчиненным. Спецификация
стека ZigBee не является программой, это
только свод правил, на основании которого
необходимо разрабатывать программу
для конкретного микроконтроллера. Для
организации физической связи при
построении сетей  ZigBee используются
микросхемы приемопередатчиков стандарта
IEEE 802.15.4.

Стандарт IEEE 802.15.4-2003определяет
физические параметры передатчика для
построения сети передачи небольших
объемов данных. Это диапазоны частот —
868 МГц, 915 МГц, 2,4 ГГц; число радиочастотных
каналов 1-16; тип модуляции  — QPSK и BPSK.
Сюда также относится и, так называемый,
протокол доступа к среде (MAC- уровень),
который описывает структуру радиочастотной
посылки и определяет число адресуемых
устройств. Здесь также описываются
механизмы проверки и подтверждения
целостности принятых данных, процедуры
оценки качества канала и алгоритм
предотвращения коллизий (ограничение
на одновременную работу нескольких
передатчиков).

Формирование и
контроль пакетов данных, управление
потоками данных и т.д.

Безопасность
сети, трансляция сообщ., обработка
сетевых процедур, сетевой менеджмент,
маршрутизация, поддержка различных
топологий и д.д.

Безопасность
устройств,транс

ляция
сообщений,организация сервисов устройств
и т.д.

Рисунок: Архитектура стека ZigBee

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 2,4ГГЦ (16 каналов, 250кбит/с)

BPSK- двоичная фазовая
манипуляция для частот 915МГЦ(10 каналов,
40кбит/с) и 868МГц (1 канал,20Кбит/с).

Уровень PHY осуществляет:

• Активизацию/дезактивизацию
  приемопередатчика;

• Детектирование энергии принимаемого
  сигнала на рабочем канале;

• Выбор физического частотного канала;

• Индикацию качества связи при получении
  пакета данных

• Оценку свободного канала для реализации
  протокола множественного доступа к
  среде с контролем несущей и предотвращением
  коллизий (CSMA-CA).

Далее в структуре стека ZigBeeследует уровень доступа к среде МАС.

Характеристики MACуровня:

64- битная адресация внутри локальных
сетей (теоретически максимальное
количество устройств в сети 264)

Способы адресации:

1. Сетевой идентификатор (ID+IDустройства; топология типа «Звезда»);

2. 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 127
байт;

Уровни безопасности:

— Свободный доступ к сети

— Список контроля доступа

— таймеры определения задержек при
передаче и актуальность пакетов данных

— шифрование с помощью 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
  соединение «точка-точка», «звезда»,
  многоячейковой и кластерной топологии;

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

• Поддержка трех классов устройств;

• Пакетный/потоковый режим передачи.

Почему именно ZigBee

У многих возникнет вопрос — почему ZigBee? Название ZigBee образовано из двух слов: zigzag (зигзагообразная траектория движения) и bee (пчела). А причем здесь пчелы? Домашние пчелы живут в ульях роем, во главе которого стоит королева. Ее обслуживают несколько трутней и тысячи рабочих пчел. Выживание, развитие и будущее колонии пчел напрямую зависит от того, насколько непрерывно, без сбоев будет происходить обмен информацией между всеми членами колонии. Принцип, по которому информация передается между членами пчелиного сообщества, допустим, о местонахождении цветочной поляны, схож с тем, на котором основаны алгоритмы ZigBee.

Сети ZigBee, в отличие от других беспроводных сетей передачи данных, полностью удовлетворяют требования, а именно:

— благодаря ячеистой (mesh) топологии сети и использованию специальных алгоритмов маршрутизации сеть ZigBee обеспечивает самовосстановление и гарантированную доставку пакетов в случаях обрыва связи между отдельными узлами (появления препятствия), перегрузки или отказа какого-то элемента;

— спецификация ZigBee предусматривает криптографическую защиту данных, передаваемых по беспроводным каналам, и гибкую политику безопасности;

— устройства ZigBee отличаются низким электропотреблением, в особенности конечные устройства, для которых предусмотрен режим «сна», что позволяет этим устройствам работать до трех лет от одной обычной батарейки АА и даже ААА;

— сеть ZigBee — самоорганизующаяся, ее структура задается параметрами профиля стека конфигуратора и формируется автоматически путем присоединения (повторного присоединения) к сети образующих ее устройств, что обеспечивает простоту развертывания и легкость масштабирования путем простого присоединения дополнительных устройств;

— устройства ZigBee компактны и имеют относительно невысокую стоимость (рис. 1.1).

—

Рисунок 1.1 ZigBee-модуль PAN4555 со встроенным микроконтроллером от Panasonic

Связь в сети ZigBee осуществляется путем последовательной ретрансляции пакетов от узла источника до узла адресата. В сети ZigBee предусмотрено несколько альтернативных алгоритмов маршрутизации, выбор которых происходит автоматически.

Стандарт предусматривает возможность использования каналов в нескольких частотных диапазонах. Наибольшая скорость передачи и наилучшая помехоустойчивость достигается в диапазоне от 2,4 до 2,48 ГГц. В этом диапазоне предусмотрено 16 каналов по 5 МГц.

Цена, которую пришлось заплатить в сетях ZigBee за минимизацию энергопотребления, компактность и дешевизну — относительно низкая скорость передачи данных.

«Брутто» скорость (включая служебную информацию) составляет 250 кбит/c. Средняя скорость передачи полезных данных, в зависимости от загрузки сети и числа ретрансляций, составляет от 5 до 40 кбит/с.

Расстояние между рабочими станциями сети составляет десятки метров внутри помещений и сотни метров на открытом воздухе. За счет ретрансляций покрываемая сетью зона может быть весьма значительной: до нескольких тысяч квадратных метров в помещении и до нескольких гектар на открытом пространстве.

Более того, сеть ZigBee в любой момент может быть расширена добавлением новых элементов или наоборот разбита на несколько зон простым назначением соответствующего числа новых конфигураторов сети. Это бывает полезно для снижения нагрузки и соответственно повышения скорости передачи данных.

Применение сетей ZigBee в Российской Федерации в частотном диапазоне 2,405-2,485 ГГц не требует получения частотных разрешений и дополнительных согласований (Решение ГКРЧ при Мининформсвязи России от 07.05.2007 № 07-20-03-001).

Создание и регулирование стандарта

Первенство в дуэте IEEE 802.15.4 и ZigBee принадлежит именно стандарту Института инженеров электротехники и электроники (Institute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE). Формирование спецификации IEEE 802.15.4 началось в конце 90-х годов прошлого века в ответ на запросы рынка в специфическом средстве беспроводной связи в целях управления устройствами и связи с датчиками. По задумкам разработчиков, новый стандарт должен был обеспечить дальность соединения, сравнимую с WiFi, но при этом иметь меньшее энергопотребление. Для реализации выставленных требований пришлось пожертвовать скоростью передачи данных как наименее важным элементом в рамках данной задачи. В 2003 году была выпущена официальная спецификация, получившая статус стандарта IEEE.

Для поддержки и развития стандарта, а также обеспечения взаимной совместимости устройств в рамках IEEE 802.15.4 в 2002 году был образован «Альянс ZigBee» (ZigBee Alliance). Инициативу развития технологии поддержали многочисленные участники рынка, собрав команду «промоутеров» ZigBee. Высший уровень членства этих компаний в «Альянсе» позволяет не только производить собственные устройства с логотипом ZigBee, но и влиять на формирование обновлений спецификации, участвуя в многочисленных круглых столах и голосованиях «Альянса».

Существует два более низких уровня членства в «Альянсе ZigBee»: «участники» и «адепты», отличающиеся ежегодной стоимостью участия и предоставляемыми полномочиями. «Участники» имеют право вносить собственные правки в основополагающие документы, однако не имеют права за них голосовать (принимать решения на общих собраниях); кроме того, «участники» получают доступ к ранним, еще не одобренным версиям стандарта, а также могут выдвигать собственных кандидатов в технические комитеты и высказывать свое мнение в рамках рабочих групп. «Адепты», по сути, имеют право только использовать составленную альянсом спецификацию и, при соблюдении всех норм и требований процедуры сертификации, снабжать свои продукты логотипом ZigBee.

На данный момент альянс включает в себя представителей самых разнообразных отраслей: от производителей контроллеров беспроводной связи до компаний, обеспечивающих обслуживание и тестирование сетей. Вероятно, столь широкое представительство различных областей индустрии позволит ZigBee максимально приблизиться к итоговой цели: удовлетворению потребности рынка в стандартизованной специализированной радиосвязи.

На сегодняшний день последняя версия стандарта IEEE 802.15.4 датирована декабрем 2005 года; на его основе создана полная спецификация ZigBee 2006; последняя версия изменений к спецификации ZigBee датирована четвертым кварталом 2007 года (дата отражает время утверждения последнего комплекта изменений).

Заключение

Начать можно со стандартной присказки, что все упомянутые устройства в России официально не продаются и гарантией не покрываются, да и вообще рассчитаны исключительно на китайский рынок, на что указывают и тип вилки, и проблемы с переводом интерфейса на английский язык, и даже неискоренимая любовь к китайскому часовому поясу и китайскому же интернет-радио. Припомним заодно отсутствие нормальной документации и некоторую, скажем так, непривычность логики построения интерфейсов управления всем этим хозяйством. Ситуация с ценами так же типична – все устройства дороже безымянных китайских поделок, но дешевле продуктов компаний, которые давно занимаются прибавлением «ума» и безопасности жилищам.

Шлюз стоит около 1 700 рублей, датчики температуры/влажности и открытия дверей продаются где-то за 700 и 500 рублей соответственно, а за контроллер в виде кубика просят примерно 900 рублей. Датчик движения стоит около 700 рублей, цена на различные выключатели начинается примерно с этой же отметки, недавно анонсированные датчики дыма/газа Honeywell и карниз для штор стоят минимум 2 000 рублей. На этом список совместимых со шлюзом ZigBee-устройств заканчивается, если не считать розеток, которые из-за необходимости адаптера под европейский разъём попросту неинтересны. Так что внешних датчиков и контроллеров на самом деле не так уж много, и процесс добавления новых как-то не очень быстр.  В общем, шлюз и его подопечных можно порекомендовать истинным поклонникам бренда Xiaomi, которые всё глубже погружаются в его экосистему и готовы привязать себя к нему ещё сильнее. Если у вас и так много «умных» устройств Xiaomi, шлюз может стать лишь приятным дополнением к ним, так как управлять ими можно и со смартфона – была  даже мысль просто повесить на стену планшет с постоянно открытым Mi Home.

Почему так? По большому счёту шлюз полезен только в качестве базы для переключателей. Сигнализация в нём очень простая (и отключается элементарно), будильник работает в другом часовом поясе, автоматический ночник требует датчика движений, дверной звонок и так у всех есть, а отучить шлюз от китайского радио простому пользователю не под силу. А уж без автоматического включения света в туалете или подсобном помещении можно как-нибудь обойтись, заодно и лампочки с Wi-Fi покупать не придётся. Пожалуй, самым полезным приобретением стал лишь погодный датчик, да и тот используется безо всяких дополнительных сценариев. Впрочем, если говорить честно, то после приобретения шлюза отказываться от него уже не хочется. Но я-то уже увяз в системе Xiaomi, а вам оно надо?