Современные информационные технологии/1.Компьютерная инженерия

Магистрант Токарев Е. В., к.т.н. Вихман В. В.

Новосибирский государственный технический университет, Россия

ZigBee как инструмент контроля в умном доме

Автор статьи рассматривает технологию ZigBee применительно к концепции умного дома.

Введение

В 2000 году IEEE начала разработку проекта IEEE 802.15.4 для беспроводных персональных сетей (WPAN). В результате стандарт, выпущенный в 2003 году и обновленный в начале 2006, стал известен как ZigBee 1.0. Название ассоциируется с поведением пчел, которые ориентируются в пространстве среди цветов - метафора взаимодействия устройств в сети.

Умный дом

Как и IEEE 802.11, иначе Wi-Fi, ZigBee является локальной сетевой технологией. Однако есть существенные различия. Wi-Fi использует действительно мощный канал потока данных, в то время как в ZigBee он непотребно мал. Wi-Fi использует единый центральный маршрутизатор, в то время как ZigBee представляет собой россыпь узлов, которые объединены в сеть.

Все технические характеристики при этом имеют прямое отношение к назначению. ZigBee соединяет выключатели света, а не цепляет к всемирной сети мультимедийный развлекательный центр, поэтому он может легко справляться со своей задачей с одной пятидесятой от скорости передачи данных Wi-Fi. Некоторые ZigBee-узлы будут расположены под полом и в других труднодоступных местах, поэтому, даже если они потребляют мало энергии, они должны иметь источник питания в формате батареи. Единая точка управления ZigBee может работать на паре щелочных батареек АА в течение многих лет.

Возможности ZigBee идут далеко за пределы выключателей. Например, датчики на окнах и дверях вашего дома могут без проводов сообщать несколько раз в минуту центральному контроллеру что "все хорошо". Датчики в каждой комнате могут идентифицировать человека, собрать данные о температуре, влажности и уровне света, а затем отправить их контроллеру для возможного корректирования стратегии отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (HVAC). Контроллер по первым битам определяет факт человеческого присутствия, и после этого принимает решение, поднять или опустить шторы, открыть или закрыть воздушные заслонки, или запустить систему HVAC с полной или пониженной мощностью.

Домашний питомец с радиочастотным идентификационным тегом попадет обратно в дом, в то время как бродячий кот нет. Датчики в огороде будут постоянно проверять влажность почвы и ее температуру, инсоляцию и температуру воздуха, запускать систему пожаротушения по мере необходимости.

ZigBee узел является многоканальным приемо-передающим устройством в виде микроконтроллера на одном кремниевом кристалле, упакованного в полиэтиленовый пакет размером с ноготь мизинца руки взрослого человека. ZigBee сеть автономна, при подключении второго устройства, оно ищет первое, которое, вероятно, будет первоначальным контрольным узлом сети. Третье устройство при установке, найдет зависимость от того, кто ближе, и так далее. По умолчанию, все устройства после первого должны быть авторизированы, прежде чем они могут использовать существующие устройства в качестве связи.

Аутентификация может происходить просто нажатием одной кнопки, или в более сложной форме, когда устройство имеет дисплей и клавиатуру. На практике, сеть настроена ожидать одобрения домовладельца, прежде чем добавить устройство. После того, как устройство было добавлено, сеть запрашивает его имя и функции.

ZigBee предназначен для взаимодействия устройств, которые большую часть своей жизни спят. Теоретической максимальной скорости передачи данных, всего 250 килобит в секунду, до сих пор достаточно для комфортного общения передатчика или приемника - типичный «разговор» между двумя устройствами обычно занимает несколько миллисекунд.

Используя ту же спектральную полосу, что и Wi-Fi, ZigBee был разработан многими из тех людей, связанными с другими IEEE-802-ми стандартами, такими как 802.11 (Wi-Fi) и 802.16 (WiMax). Разработчики радио-части стандарта искали самую надежную модуляцию, и в конечном итоге выбор пал на Quadrature PSK, ту же технику, что и НАСА, используемую последние два десятилетия, чтобы общаться с космическими аппаратами Voyager и Galileo, а также с марсоходами. Методика основана на идеи фазовой манипуляции (PSK), модуляции, в которой скачок фазы указывает на прием 1 или 0, причем скачок настолько резкий, что его можно обнаружить даже в суровых условиях.

Квадратичная PSK идет дальше. Вместо фазового перехода с 1 или 0, она может нести два бита информации: 00, 01, 10 или 11, что позволяет передавать в два раза больше информации за то же время. QPSK удивительно устойчива, но в качестве способа модуляции редко используются в недорогих системах из-за своей высокой сложности и стоимости.

После установки устройство получает 16-разрядный адрес, поэтому сеть ZigBee может иметь более 64 000 активных устройств. Этого, конечно, достаточно для вашего дома и сада.

Даже в сети с тысячами устройств, большинство датчиков будут спать на протяжении большей части времени функционирования сети, пробуждаясь только в случае автоматической отправки сообщений-отчетов или уведомления о событиях. Базовая технология пакетной радиосвязи гарантирует, что переданное сообщение будет успешно получено, независимо от того, насколько занят канал. Поскольку ZigBee может проверять канал более тысячи раз в секунду, она в состоянии защитить частотную полосу от перегрузок.

В отличие от многих существующих проводных и беспроводных систем, ZigBee был разработан с самого начала как надежная сеть. IEEE использует Advanced Encryption Standard, криптографию с открытым ключом. Данная защита распоряжается проверенными распределительными ключами безопасности и управляется решениями от коммерческих поставщиков, которые добавляют весь набор функций безопасности. Методика включает в себя не просто рассылку ключей через сеть, но и позволяет домовладельцам добавлять в доверенный журнал новые датчики и обновлять программное обеспечение сети.

ZigBee является не единственным вариантом для умного дома, но все же он лидер. X10, вероятно, основной конкурент, но он базируется на проволочной технологии с несколькими беспроводными выходами и имеет небольшое количество доступных адресов для идентификации каждого объекта - определенно недостаток, ведь это в целом ограничивает размер сети X10 до 16 устройств.

Еще есть Bluetooth, одна из самых популярных «маленьких» беспроводных технологий, которая, в теории, может быть разобрана для поддержки сотен устройств в типичных жилых условиях. К сожалению, Bluetooth никогда не был предназначен для поддержки малых, с батарейным питанием устройств, в течение многих лет их эксплуатации, поэтому модификации, необходимые для использования Bluetooth для управления домом требуют проектирование совершенно новой технологии.

Bluetooth также страдает от того же недостатка адресного пространства, что и X10 - в самом деле, все существующие беспроводные технологии, которые можно использовать для управления домом имеют это ограничение.

Заключение

В общем, ZigBee будет гораздо более функциональной, чем ее альтернативы. Например, датчик движения, когда кто-то входит в комнату, может запустить кондиционер и включить лампу, независимо от того, кто изготовил эти два устройства. В том же ключе, детекторы дыма могут включить свет и выключить устройство обработки воздуха, создавая тем самым условия для того, что бы человек покинул горящее здание. До сих пор комплексный контроль дома был сложным и дорогим.

ZigBee в конечном итоге сможет поговорить с домовладельцем, если он вне дома, путем подключения к выделенной интернет-линии или отправки текстовых сообщений на его мобильный телефон. Телефон будет средством для общения с ZigBee, что позволит напрямую взаимодействовать с домом, используя телефон в качестве гибкого и мощного пульта дистанционного управления.

Литература:

1. ZigBee Alliance, “ZigBee Specification,” Dec. 1, 2006.

2. Y. Hirakata, A. Nakamura, K. Ohno, and M. Itami, “Navigation system using ZigBee wireless sensor network for parking,” in Proceedings of the 12th International Conference on ITS Telecommunications (ITST ’12), pp. 605–609, 2012.

3. E. Wesoff, Ten Million Zigbee Smart Grid ICs Shipped by Ember. May 27, 2010.

4. M. Chan, D. Esteve, C. Escriba, and E. Campo (2008), “A review of smart homes—Present state and future challenges,” Computer Methods and Programs in Biomedicine, Vol. 91.

5. Daniel H. Wilson (October 1, 2009), “Smart House: Your So-Called Sci-Fi Life,” Popular Mechanics.