Стандарти бездротового зв’язку

Серед найбільш відомих бездротових технологій можна виділити: Wi-Fi, Wi-Max, Bluetooth, Wireless USB і відносно нову технологію - ZigBee, яка спочатку розроблялася з орієнтацією на промислові застосування.

Малюнок 1 - Стандарти бездротового зв'язку

Кожна з цих технологій має свої унікальні характеристики (див. Рисунок 2), які визначають відповідні області застосування.

Спробуємо сформулювати вимоги, яким повинна задовольняти технологія зв'язку для її успішного застосування в промисловості. Припустимо, є якийсь промисловий об'єкт, що складається з декількох насосних електроприводів, пристрої збору інформації з різних технологічних датчиків, наприклад, датчиків тиску, температури, витрати, в тому числі встановлених віддалено, операторського пульта і диспетчерського пункту. Управління насосами проводиться з операторського пульта, а в диспетчерському пункті проводиться безперервний моніторинг системи.

Малюнок 2 - Основні характеристики популярних стандартів бездротового зв'язку

Очевидно, що оптимальним варіантом з точки зору простоти і зручності було б об'єднання всіх пристроїв, що беруть участь в обміні інформацією, в єдину інформаційну мережу, яка працює в одному стандарті. Оскільки на промисловому об'єкті можуть бути встановлені пристрої різної складності і, відповідно, вартості, то програмно-апаратний комплекс, що забезпечує доступ кожного пристрою в інформаційну мережу, повинен бути досить дешевим. Також технологія зв'язку повинна забезпечувати необхідну дальність і швидкість з'єднань. А якщо взяти до уваги те, що промислова установка може бути доповнена новими вузлами (наприклад, ще одним насосом або пристроєм збору інформації), то від технології зв'язку потрібна можливість масштабування. Ну і, звичайно ж, комунікаційна технологія повинна забезпечувати надійність і безпеку передачі інформації. Розглянутий випадок є типовим прикладом розподіленої системи управління, де кожен з вузлів, будучи інтелектуальним, виконує свою локальну задачу автоматизації, а зв'язки між вузлами є «слабкими» - в основному по мережі передаються команди оперативного управління і зміни установок регульованих змінних, повідомлення про стан обладнання і технологічного процесу. Кожен вузол, наприклад, на базі перетворювача частоти має власні канали зв'язку з технологічними датчиками, і необхідність в передачі великих потоків даних відсутня.

Аналіз бездротових технологій [1], [2], [3] показує, що високошвидкісні технології Wi-Fi, Wi-Max, Bluetooth, Wireless USB призначені в першу чергу для обслуговування комп'ютерної периферії і пристроїв мультимедіа. Вони оптимізовані для передачі великих обсягів інформації на високих швидкостях, працюють в основному по топології «точка-точка» або «зірка» та малопридатні для реалізації складних розгалужених промислових мереж з великою кількістю вузлів. Навпаки, технологія ZigBee має досить скромні показники швидкості передачі даних і відстані між вузлами, але має наступні важливими, з точки зору застосування в промисловості, перевагами.

1.Він орієнтована на переважне використання в системах розподіленого мульти-мікропроцесорного управління зі збором інформації з інтелектуальних датчиків, де питання мінімізації енергоспоживання і процесорних ресурсів є визначальними.

2.Предоставляет можливість організації самостійну конфігурацію мереж зі складною топологією, в яких маршрут повідомлення автоматично визначається не тільки числом справних або включених / виключених на поточний момент пристроїв (вузлів), але і якістю зв'язку між ними, яке автоматично визначається на апаратному рівні.

3.Обеспечівает масштабованість - автоматичне введення в роботу вузла або групи вузлів відразу після подачі живлення на вузол.

4.Гарантірует високу надійність мережі за рахунок вибору альтернативного маршруту передачі повідомлень при відключеннях / збої в окремих вузлах.

5.Поддержівает вбудовані апаратні механізми шифрування повідомлень AES-128, виключаючи можливість несанкціонованого доступу в мережу.

Організація мережі ZigBee

ZigBee - відносно новий стандарт бездротового зв'язку, який спочатку розроблявся як засіб для передачі невеликих обсягів інформації на малі відстані з мінімальним енергоспоживанням. Фактично цей стандарт описує правила роботи програмно-апаратного комплексу, що реалізує бездротове взаємодія пристроїв один з одним.

Стек протоколів ZigBee являє собою ієрархічну модель, побудовану за принципом семиуровневой моделі протоколів передачі даних у відкритих системах OSI (Open System Interconnection). Стек включає в себе рівні стандарту IEEE 802.15.4, що відповідають за реалізацію каналу зв'язку, і програмні мережеві рівні і рівні підтримки додатків, визначені специфікацією ZigBee [1]. Модель реалізації стандарту зв'язку ZigBee представлена ​​на малюнку 3.

Малюнок 3 - Багаторівнева модель стандарту зв'язку ZigBee

Стандарт IEEE 802.15.4 визначає два нижніх рівні стека: рівень доступу до середовища (MAC) і фізичний рівень передачі даних в середовищі поширення (PHY), тобто нижні рівні протоколу бездротової передачі даних [2]. Альянс визначає програмні рівні стека ZigBee від рівня каналу передачі даних (Data Link Control) до рівня профілів пристроїв (ZigBee Profiles). Прийом і передача даних по радіоканалу здійснюється на фізичному рівні PHY, який визначає робочий частотний діапазон, тип модуляції, максимальну швидкість, число каналів (таблиця 1). Рівень PHY здійснює активацію-дезактивацію приймача, детектування енергії сигналу на робочому каналі, вибір фізичного частотного каналу, індикацію якості зв'язку при отриманні пакету даних і оцінку вільного каналу. Важливо розуміти, що стандарт 802.15.4 - це фізичне радіо (мікросхема радіо-приймача), а ZigBee - це логічна мережа і програмний стек, що забезпечують функції безпеки і маршрутизації.

Рівень MAC забезпечує різні механізми доступу в мережу, підтримку мережевих топологій від «точка-точка» до «многоячейковая мережу», гарантований обмін даними (ACK, CRC), підтримує потокову і пакетну передачі даних.

Для запобігання небажаних взаємодій можливе використання тимчасового поділу на основі протоколу CSMA-CA (протокол множинного доступу до середовища з контролем несучої і запобіганням колізій).

Тимчасовий поділ ZigBee базується на використанні режиму синхронізації, при якому підлеглі мережеві пристрої, більшу частину часу знаходяться в «сплячому» стані, періодично «прокидаються» для прийому сигналу синхронізації від мережевого координатора, що дає їм змогу всередині локальної мережевої осередку знати, в який момент часу здійснювати передачу даних. Даний механізм, заснований на визначенні стану каналу зв'язку перед початком передачі, дозволяє істотно скоротити (але не усунути) зіткнення, викликані передачею даних одночасно кількома пристроями. Стандарт 802.15.4 грунтується на полудуплексной передачі даних (пристрій може або передавати, або приймати дані), що не дозволяє використовувати метод CSMA-CA для виявлення колізій - тільки для їх запобігання.

У специфікації стека передбачені три типи пристроїв: координатор, маршрутизатор і кінцевий пристрій. Координатор инициализирует мережу, управляє її вузлами, зберігає інформацію про налаштування кожного вузла, задає номер частотного каналу і ідентифікатор мережі PAN ID, а в процесі роботи може бути джерелом, приймачем і ретранслятором повідомлень. Маршрутизатор відповідає за вибір шляху доставки повідомлення, переданого по мережі від одного вузла до іншого, і в процесі роботи також може бути джерелом, приймачем або ретранслятором повідомлень. Якщо маршрутизатори мають відповідні можливості, вони можуть визначати оптимізовані маршрути до певної точки і зберігати їх для подальшого використання в таблицях маршрутизації. Термінал не бере участі в управлінні мережею та ретрансляції повідомлень, будучи тільки джерелом / приймачем повідомлень.

Малюнок 4 - Топології мереж ZigBee