ПРИМЕНЕНИЕ БЕСПРОВОДНЫХ СЕНСОРНЫХ СЕТЕЙ ОСНОВАННЫХ НА ТЕХНОЛОГИИ ZIGBEE В СФЕРЕ АВТОМАТИЗАЦИИ ЗДАНИЙ

Беспроводные сенсорные сети получили большое развитие в последнее время. Такие сети, состоящие из множества миниатюрных узлов, оснащенных маломощным приемо-передатчиком, микропроцессором и сенсором, могут связать воедино глобальные компьютерные сети и физический мир. Концепция беспроводных сенсорных сетей привлекает внимание многих ученых, исследовательских институтов и коммерческих организаций, что обеспечило большой поток научных работ по данной тематике.

Большой интерес к изучению таких систем обусловлен широкими возможностями применения сенсорных сетей. Беспроводные сенсорные сети, в частности, могут использоваться для предсказания отказа оборудования в аэрокосмических системах и автоматизации зданий. Из-за своей способности к самоорганизации, автономности и высокой отказоустойчивости такие сети активно применяются в системах безопасности и военных приложениях. Успешное применение беспроводных сенсорных сетей в медицине для мониторинга здоровья связано с разработкой биологических сенсоров совместимых интегральными схемами сенсорных узлов. Но наибольшее распространение беспроводные сенсорные сети получили в области мониторинга окружающей среды и живых существ.

В статье рассматриваются аспекты автоматизации с внедрением устройств построенных на технологии ZigBee.

Основными областями применения технологии ZigBee являются беспроводные сенсорные сети, автоматизация зданий («Умный дом» и «Интеллектуальное здание»), медицинское оборудование, системы промышленного мониторинга и управления, а также бытовая электроника и «периферия» персональных компьютеров.

Способность к самоорганизации и самовосстановлению, ячеистая (mesh-) топология, защищённость, высокая помехоустойчивость, низкое энергопотребление и отсутствие необходимости получения частотного разрешения делают ZigBee-сеть подходящей основой для беспроводной инфраструктуры систем позиционирования в режиме реального времени (RTLS).

ZigBee удовлетворяет потребность в недорогом, маломощном, дальнем, беспроводном сетевом протоколе передачи данных, оптимизированным для домашней автоматизации. Прежде чем обсуждать особенности протокола ZigBee, полезно понять, почему другие беспроводные сетевые технологии, такие как Wi-Fi и Bluetooth, не соответствуют этой конкретной комбинации требований.

Wi-Fi является очень надежным и повсеместным беспроводным стандартом локальной сети (WLAN), обеспечивающим поддержку передачи голоса, видео и данных в домах, офисах и на открытом пространстве. Для достижения пропускной способности более 100 мегабит в секунду (Mbps), последняя версия IEEE стандарта 802.11n использует несколько каналов и антенн в частотах 2,4 ГГц и 5 ГГц, в то время как предыдущие версии поддерживают скорость передачи данных от 11 до 54 Mbps, используя только 2,4 ГГц. Достижение высоких скоростей передачи данных на большие расстояния требует значительное количество энергии, и именно поэтому решения на базе Wi-Fi с батарейным питанием, как правило, ограничены устройствами, которые регулярно подзаряжаются и имеют специальные функции для минимизации энергопотребления (в том числе временное отключение). Это делает Wi-Fi менее пригодным для использования в сфере домашней автоматизации, когда многие из устройств прочно крепятся в местах где нет доступа к электричеству, питающихся от батарей, которые не нужно часто менять. В связи с этими ограничениями ведется разработка маломощного стандарта Wi-Fi.

Технология Bluetooth относится к беспроводным персональным сетям (WPAN), основным предназначением которой является возможность соединять вычислительные устройства (ноутбуки, планшеты, мобильные телефоны) с периферийными (устройства ввода, звуковые устройства, и т.д.) и питанием от автономных источников. Чтобы продлить срок службы батареи, большинство устройств Bluetooth ограничены дальностью в 10 метров c максимальной пропускной способностью до 3 Mbps, с поддержкой "спящего режима", которому может потребоваться несколько секунд для восстановления полной работоспособности . Конфигурация WPAN Bluetooth также поддерживает не более семи устройств, сконфигурированных в топологии звезда (где устройства могут общаться друг с другом только через основной узел). Такое сочетание функций делает Bluetooth полностью непригодными для мониторинга и управления энергией дома, где многочисленные устройства должны взаимодействовать друг с другом в реальном времени. Есть, конечно, разнообразие других беспроводных протоколов, таких как Z-Wave, EnOcean, но, в большинстве своем, они обладают недостатками в виде завышенной стоимости, закрытой архитектуры и т.д.

Так же, как Bluetooth, ZigBee относится к личным беспроводным сетям на основе IEEE 802.15 серии стандартов WPAN , но может объединять десятки тысяч устройств, покрывая зону действия в несколько километров. Протокол способен поддерживать пропускную способность (контроль, обработку ошибок и безопасность) до 250 Кбит, что более чем достаточно для управления приложениями.

Стандарт IEEE 802.15.4-2003 определяет два критических сетевых слоя: физический уровень (у1) и канальный уровень (у2). Термин "слой" происходит от 7-уровневой модели взаимодействия открытых систем (OSI), который был создан Международной организацией по стандартизации. Поверх основы на уровнях 1 и 2 ZigBee добавляет протокол сетевого уровня (у3), обеспечивающий автоматическое формирование, самовосстановление сетки межсетевого протокола, что делает ZigBee простой в развертывании и изменении домашней сети (HAN).

Основным преимуществом топологии сети (именно поэтому аналогичная используется в Интернете) является превосходная отказоустойчивость, основанная на способности каждого узла связываться с несколькими другими. Если какой-либо узел не отвечает, будет найден соседний с ним по альтернативному пути. Если есть только два устройства (как это имеет место во многих приложениях управления энергией дома сегодня), топология меняется на простую типа «точка-точка». В дополнение к своей роли в управлении энергией в доме, ZigBee является также основой для RF4CE - стандартом для дистанционного управления домашней развлекательной техники и других систем. Это обещает множество преимуществ по сравнению с существующими техническими решениями для дистанционного управления, включая расширение связей, повышение надежности работы, расширенные возможности и гибкость, совместимость, и ухода от барьера прямой видимости.

Протокол ZigBee изначально был создан в 2005 году и сопровождается некоммерческим объединением ZigBee Alliance ( www.zigbee.org ). Альянс организует комитеты, рабочие, исследовательские группы и группы с особыми интересами, которые ведут разработку набора протоколов. В дополнение к основному сетевому протоколу, есть несколько конкретных целей, которые преследует Альянс. Одна из тех областей, которая получила значительное внимание в последнее время, является разработка энергетического профиля, или SEP, для домашнего управления энергией.

Smart Energy Profile расширяет набор протоколов ZigBee для определения четырех дополнительных слоев: транспортный, сеансовый, уровень представлений, и прикладной уровень. Эта иерархия идентична той, при которой браузеры взаимодействуют с Web-серверами поверх Интернет-протокола (IP). SEP поддерживает полный спектр управленческих нужд, в том числе: получение сигналов от электросети, нагрузка команд управления, обмен текстовыми сообщениями для дисплеев, синхронизация времени, а также определяет положения безопасности для исключения повреждений, в том числе усиленное шифрование, автоматическую регистрацию сети и т.д.

Беспроводная автоматизированная система управления зданиями обладает многими преимуществами по сравнению с проводными системами. Монтаж беспроводной системы обычно обходится дешевле, и ее архитектура во многих случаях обладает большей совместимостью. Расширение и модернизация АСУЗ требует минимального беспокойства пользователей. Ввод беспроводных систем в эксплуатацию требует меньше времени, так как беспроводные сканирующие инструменты упрощают задачу обнаружения проблем и подтверждения установки. Кроме того, беспроводные технологии требуют меньшего объема сырьевых материалов, включая медь, и менее трудоемки при монтаже.

Литература:

1. Міночкін А.І., Романюк В.А., Жук О.В. Перспективи розвитку сенсорнихмереж // Зв‘язок. – 2008. – № 1. – С. 16 – 22.

2. Романюк В.А., Жук О.В., Сова О.Я. Система управління тактичними сенсорними мережами // Збірник наукових праць ВІТІ НТУУ “КПІ”. – 2008. – № 2. – С. 88 – 97

3. СТО НП «АВОК» 8.2–2008 «Комплекс систем интеллектуализации малоэтажных и коттеджных зданий». М. : ООО ИИП «АВОК-ПРЕСС», 2008.

4. H. Karl and A. Willig. Protocols and Architectures for Wireless Sensor Networks. John Wiley & Sons, May 2005

5. IEEE Std. 802.15.4–2006 (Revision of IEEE Std. 802.15.4–2003). – New York : IEEE, 2006.

6. IEEE Std 802.11–2007 (Revision of IEEE Std 802.11–1999). – New York : IEEE, 2006.