ZigBee – alternatywna sieć bezprzewodowa

Szczegółowa analiza dostępnych bezprzewodowych protokołów komunikacyjnych wyłania wiele potencjalnych rozwiązań – np. bezprzewodowy M-Bus, KNX-RF, Enocean (z własnym protokołem) oraz Z-Wave. Wszystkie pracują w paśmie częstotliwości 868 MHz. Jednak protokoły te różnią się od siebie i nie są wzajemnie kompatybilne – to znaczy urządzenia końcowe pochodzą od różnych producentów i nie są w stanie komunikować się ze sobą. Jedyne, co je łączy, to wymóg płatnego członkostwa w odpowiedniej organizacji. Jeśli zdecydujemy się na jeden z wyżej wymienionych standardów, nasze urządzenia będą kompatybilne tylko w jego zakresie. Oprócz powyższych quasi-standardów dostępne są rozwiązania własne pochodzące od różnych producentów półprzewodników. Chociaż są one bezpłatne, zapewniają interoperacyjność tylko między urządzeniami wykorzystującymi dany protokół. Można tu na przykład wymienić SimpliciTI firmy Texas Instruments. Rozwiązanie to pozwala na obsługę sieci o topologiach gwiazdy, punkt-punkt i drzewa klastrów za pomocą jednego routera. Klienci Texas Instruments, w szczególności ci z rynku europejskiego, mają duże doświadczenie w rozwijaniu rozwiązań RF w paśmie 868 MHz i są raczej sceptycznie nastawieni do pasma 2,4 GHz. Obydwa te pasma są pasmami ISM (Industrial Scientific Medical – przemysłowo-naukowo-medycznymi). Ograniczony zasięg transmisji i „przeciążenie” pasma 2,4 GHz, mieszczącego bezprzewodową sieć LAN, Bluetooth i transmisję mikrofalową, są raczej krytycznie odbierane przez deweloperów. Niemniej jednak na pasmo to warto zwrócić szczególną uwagę, gdyż w przeciwieństwie do pasm 868 MHz i 433 MHz (w Europie) i 915 MHz (w USA) cieszy się światowym uznaniem. W celu zapewnienia globalnej interoperacyjności dla pasma 2,4 GHz dostępny jest protokół ZigBee o profilach Home Automation (automatyka domowa), Smart Energy (inteligentna energia) i RF4CE dla pilotów zdalnego sterowania. Oczywiście specyfikacja protokołu ZigBee obsługuje także protokół w nadajniku - odbiorniku 868 MHz, gdzie jest on zaimplementowany w mikrosterowniku lub układzie SOC (System on Chip – tj. układzie scalonym zawierającym zarówno mikrosterownik, jak i nadajnik-odbiornik), jednak w tym przypadku wybór podzespołów jest nieco ograniczony. Firmy doceniają możliwość wyboru, a oferta nadajników-odbiorników i układów SOC na pasmo 2,4 GHz jest bardzo szeroka. Członkostwo w aliansie ZigBee jest również płatne. W najbardziej podstawowym przypadku członkostwa jednorazowa opłata wynosi 3500 USD w roku, w którym wyrób pojawia się na rynku. Aby rozwiać wszelkie wątpliwości zwolenników 868 MHz dotyczące zasięgu i wrażliwości na szumy w budynku zainstalowano sieć ZigBee o topologii gwiazdy. W tym przypadku nie wykorzystano podstawowej zalety sieci wewnętrznie zintegrowanej, tj. automatycznego przesyłania informacji ze źródła (np. czujnika temperatury) do punktu przeznaczenia (np. wentylatora) poprzez inne węzły sieci, gdyż routery (jak nazywa się węzły służące do przekazywania informacji) wymagają stałego zasilania sieciowego. Opis próby Koordynator: SmartRF05EB plus CC2530EB (patrz zdjęcie) Urządzenia końcowe: bateryjna płytka SOC_BB 1.1, zasilanie z dwóch baterii AA (patrz zdjęcie) Moc transmisyjna czujników: 4,5 dBm Charakterystyki czasowe: Co 10 sekund każdy czujnik transmituje zmierzoną wartość temperatury nad danym grzejnikiem do koordynatora, w którym dane są przetwarzane. Dane można również przesyłać przez ZigBee, GSM lub Internet. Rysunek 1: Koordynator © Texas Instruments Rysunek 2: Czujnik temperatury © Texas Instruments Rysunek 3: Sieć o topologii gwiazdy z 1 koordynatorem i 7 czujnikami temperatury jako urządzeniami końcowymi © Texas Instruments Opis budynku Stropy żelbetowe o grubości od 31 cm do 33 cm Grubość ścian: 13 cm Długość budynku: 11 m Szerokość budynku: 6 m Maksymalna liczba stropów między dwoma węzłami: 2 Wszystkie czujniki są umieszczone na kaloryferach (patrz zdjęcie). Ponieważ w budynku jest również zainstalowana sieć WLAN, konieczne było znalezienie wolnego kanału w paśmie 2,4 GHz. W tym celu użyto skanera firmy Metageek i programu Chanalyzer Lite. Wyniki przedstawiono poniżej. Można zauważyć, że przy częstotliwości 2420 MHz występuje przerwa w widmie. Dlatego całą sieć ustawiono na kanał 14 ZigBee. Podobną funkcję można było także zaimplementować w stosie protokołu, tak aby sieć automatycznie wyszukiwała wolny kanał. W tym kontekście powinniśmy także wspomnieć o zagadnieniu mobilności częstotliwości. Za pomocą tej funkcji, wbudowanej w protokół ZigBeePRO, cała sieć może przełączać się na inny kanał, jeśli w kanale pierwotnie wybranym nagle występują zakłócenia. Rysunek 4: Analiza aktywności bezprzewodowej w paśmie 2,4 GHz © Texas Instruments Całą komunikację bezprzewodową rejestrowano za pomocą analizatora sieci czujników (SNA – Sensor Network Analyzer) firmy Daintree. Jednocześnie z informacjami w poszczególnych węzłach analizator SW analizuje też topologię sieci. Jak widać na Rysunku 5 poniżej, koordynator (z zasilaniem sieciowym) zlokalizowano na parterze, a czujniki są rozmieszczone w całym budynku. Rysunek 5: Sieć bezprzewodowa w topologii gwiazdy. © Texas Instruments Inną ważną zaletą analizatora SW jest fakt, że może on mierzyć siłę każdego sygnału. W pokazanej konfiguracji testowej czujnik SNA umieszczono tuż za płytką koordynatora. Na Rysunku 6 widać, że zmierzona moc transmisji koordynatora o adresie 0x0000 wyniosła 4 dBm. Moc RF wszystkich węzłów, razem z koordynatorem, ustawiono na 4,5 dBm. Dowodzi to, że pomiary dla innych węzłów są pod każdym względem reprezentatywne. Najsłabszy zmierzony sygnał pochodził z czujnika na drugim piętrze (tj. dwie kondygnacje nad parterem) i wynosił –70 dBm. Oznacza to, że w stosunku do specyfikacji IEEE 802.15.4 określającej wartość czułości 85 dBm mamy jeszcze zapas 15 dB. Z danych technicznych zintegrowanego układu SOC (mikrosterownika i nadajnika-odbiornika w jednym układzie scalonym) typu CC2530 firmy TI wynika, że jego czułość wynosi typowo –97 dBm przy stopie błędów 1%. Zatem nie powinny wystąpić żadne problemy z zasięgiem transmisji. Zarejestrowane dane (Rysunek 6) wskazują, że węzły nadają co 10 sekund i że dane są przesyłane w postaci zaszyfrowanej. Rysunek 6: Zarejestrowana komunikacja w protokole ZigBeePRO © Texas Instruments W przypadku czujników decydującym czynnikiem jest żywotność baterii. Klienci zwykle spodziewają się, że czujnik będzie działać do 12 lat, a nawet dłużej. Wymagane jest zatem zastosowanie baterii o pojemności około 3 Ah, co można uzyskać stosując np. dwie baterie AA. W omawianym teście praktycznym żywotność należy zmierzyć obliczając najpierw całkę prądu po czasie. Wartość prądu mierzono pośrednio – tj. mierzono spadek napięcia na rezystorze 1 Ω włączonym szeregowo w linię zasilania. Dlatego na wykresie (Rysunek 7) 10 mV odpowiada 10 mA. Z wykresu widać, że przed i po wysłaniu danych węzeł czujnikowy potrzebuje jedynie ok. 1 µA w trybie niskiego poboru mocy 2 (przy uruchomionym zegarze czasu rzeczywistego i timerze). Opis przebiegu prądu: Rysunek 7: Przebieg prądu w węźle transmisyjnym © Texas Instruments © Texas Instruments Oprócz prądu pobieranego w czasie transmisji należy uwzględnić prąd pobierany w trybie uśpienia oraz straty mocy wskutek samorozładowania baterii (założono samorozładowanie 0,2% miesięcznie). a) Ładunek zużyty na jednorazową transmisję danych na poziomie 95,10 mAms wyrażony w mAh wynosi 95,10 mAms/1000/3600 mAh = 26,4•10-6 mAh. Jeżeli dane wysyła się co 10 sekund, obliczone zużycie ładunku wynosi © Texas Instruments = 6,84 mAh/miesiąc. b) Ładunek zużyty w ciągu miesiąca w trybie uśpienia wynosi 1 µA•30•24h = 0,72 mAh/miesiąc. c) Utrata ładunku wynosi 3000 mAh•0,2% = 4,8 mAh/miesiąc. Daje to całkowite łączne zużycie ładunku dla tego przykładu równe (6,84 + 0,72 + 4,8) mAh/miesiąc = 12,36 mAh/miesiąc. Jeśli założymy, że 80% ładunku baterii zużywa nadajnik, a 20% inne funkcje (np. wskaźniki LCD lub LED), żywotność baterii wyniesie 0,8•3000 mAh/12,36 mAh/miesiąc = 194 miesiące = 194/12 lat = 16 lat. Podsumowanie W artykule przedstawiono dwie podstawowe kwestie: 1) Możliwe jest użycie sieci ZigBee o topologii gwiazdy w budynku jednorodzinnym. Wówczas jest sens instalować czujniki pracujące z zasilaniem bateryjnym. 2) Żywotność baterii równa 11 lat jest całkowicie do zaakceptowania. Źródła: Calculator_version_0.9.xls (www.learnzigbee.com/calculators) Artykuł powstał dzięki uprzejmości firmy Texas Instruments. Autorem publikacji jest Hans-Günter Kremser. Hans-Günter Kremser pracuje w Texas Instruments w Monachium jako inżynier aplikacji analogowych. Po ukończeniu studiów informatycznych w Kolonii podjął pracę w EADS w Ulm jako inżynier ds. rozwoju, a następnie pracował w dwóch fabrykach półprzewodników w Monachium. Pracę w TI rozpoczął w czerwcu 2006 roku.