ZigBee безжични комуникационни мрежи

ЕлектроникаСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 6, 2005

Част 1 - стандарти и технологии, принцип на действие, параметри на специализираните ИС

Стефан Куцаров

В индустриалните предприятия непрекъснато се поставят все по-строги изисквания към автоматизирането на производствените процеси и контрола на условията за работа, което води до усложняване на системите за осигуряването им. Подобно е положението в съвременното жилище, където вече се налага идеята за създаване на обща система за контрол и управление на всички електродомакински уреди, на аудио- и видеоапаратурата и охранителните устройства. Класическото свързване на персоналния компютър с неговите периферни устройства и с други компютри изисква множество кабели и налага всеки от блоковете на една такава система да е неподвижен. Във всички тези случаи жичните връзки създават неудобства и са свързани със значителните разходи, особено големи при монтирането на системите в съществуващо помещение. Това налага търсенето на по-ефективни решения, каквито са безжичните локални мрежи (Wireless Local Area Network) WLAN. Техните първоначални приложения бяха главно в областта на компютрите, но съвременната насока на развитието им е и в индустриални предприятия, хотели, медицински заведения и жилища. Инсталират се лесно, а предимствата им се проявяват най-добре при голям брой на изграждащите ги устройства.

Сензорите, използвани за контролиране на производствени процеси, периодично измерват определена величина за кратко време, последвано от дълга пауза, а предаваните данни са с малък обем. Подобно е положението с изпълнителните механизми, например нагревател се включва за няколко ms и работи поне минути до постъпване на данни за изключването му. Същите краткотрайни задействания с дълги паузи са характерни за управлението на уредите и системите в жилищни и административни сгради, за работата на задействаните от човек периферни устройства на персонални компютри (клавиатури, мишки, ръчки за електронни игри) и за медицински уреди за контрол на жизнените функции на пациенти. Във всички тези случаи особено подходящи се оказват създадените през последните години безжични мрежи ZigBee, за които се очаква бързо развитие. В две последователни статии ще бъдат разгледани техните характерни особености и очертани приложенията им. Настоящата прави кратък преглед на WLAN, описва стандарта и технологията за реализация на мрежите ZigBee, принципът им на действие и основните параметри на специализираните интегрални схеми (ИС) за тяхната реализация. В следващия брой на списанието ще бъдат описани предлаганите на пазара ИС, модули, сензори и китове за работа в мрежата, както и примери за основните индустриални и битови приложения.

Безжични локални мрежи

В тях връзките се осъществяват обикновено на разстояния от един до няколко стотици метра, но има WLAN с максимален обхват до няколко километра. За осигуряване на масово приложение те работят в нелицензираните радиочестотни обхвати ISM (от Industrial, Medical, Scientific), а използваните приемници и предаватели принадлежат към категорията устройства с малък обхват (Short Range Devices) SRD. По принцип съвременните WLAN предават само цифрови данни, като в зависимост от максималната им скорост съществуват три групи технологии за реализация.

Първата група са високоскоростните технологии (High Throughput Technology) с максимална скорост не по-малка от 12 Mbps, дадени с номера 1-3 в табл. 1. Технологията HIPERLAN/2 е предназначена за предаване на данни, разговори и изображения в индустриални, административни и битови сгради, учебни заведения и изложбени зали. Чрез нея се реализират клетъчни WLAN с малък обхват, като се очаква масовото им разпространение. По определение широчината на канала на свръхшироколентовата технология (Ultra Wideband Technology) UWB трябва едновременно да е не по-малка от 20% от средната му честота и не по-малка от 500 MHz. Дадената в табл. 1 максимална скорост се очаква скоро да бъде достигната и надмината, а честотният обхват е утвърденият в САЩ. Основни приложения са за връзка на персонални компютри с всякакви периферни устройства, включително за разговори по Интернет, и на развлекателни апаратури като телевизионни приемници, звуковъзпроизвеждащи системи и цифрови фотоапарати. Технологията Wi-Fi (от Wireless Fidelity) е предназначена за мрежи, работещи по стандартите IEEE802.11, за които терминът Wi-Fi представлява същото, което е Ethernet за стандартите IEEE802.3. От табл. 1 се вижда, че съществуват две разновидности на технологията, като само тази по стандарта IEEE802.11a е високоскоростна. Тя разполага с честотна лента от 300 MHz с 15 канала и 52 носещи честоти във всеки от тях.

Втората група с номера 4-6 в табл. 1 са средноскоростните технологии (Medium Throughput Technology) със скорост между 1 и 11 Mbps. Най-общо те се използват за компютърни мрежи, индивидуални мрежи (Personal Area Network) PAN и за системи с публичен достъп (Public Access System) PAS. Тук влиза втората разновидност на Wi-Fi (според стандарта IEEE802.11b), която разполага с честотна лента 80 MНz и 14 канала в нея. Наименованието на домашната ВЧ технология (HomeRF Technology) показва нейното основно предназначение. Чрез прибавяне на подходящ блок (Connection Point) към персонален компютър (вграден към него или свързван външно към куплунга USB) се осигурява предаване на звук и изображения, на цифрови данни (както във всяка компютърна мрежа) и се осъществяват двупосочни разговори, например между два подвижни телефона или подвижен телефон и компютър.

Характерни особености на технологията са неголемият брой на свързваните устройства, възможността за съвместна работа с други видове мрежи и че част от функциите на мрежата могат да се осъществяват при изключен компютър. Наличието на близко разположени мрежи, например в апартаментите на една сграда, не пречи на съвместната им работа поради 24-разредния идентификатор на устройствата. Технологията Bluetooth е достатъчно известна, за да бъде представяна подробно. Тя се характеризира преди всичко с малката излъчвана мощност Ро от предавателите, което е причина за малкия обхват и е една от предпоставките за липса на нежелано влияние между близко разположени мрежи. Съществуват три класа – Class 1 е с Po = 100 mW и обхват 100 m, Class 2 има Po = 2,5 mW и обхват 20 m и Class 3 е с Ро = 1 mW и обхват 10 m. Технологията се използва за връзка между персонални компютри и периферните им устройства, в МР3 плейъри, цифрови фотоапарати, безжични слушалки на GSM апарати, медицински уреди, автомобили.

Нискоскоростните технологии (Low Data Rate Technology) са предназначени за предаване на данни със скорост до няколко стотици kbps за сметка на предимства като ниска цена и малка консумирана мощност на използваните устройства. За безжични телефони се използва технологията DECT (от Digital Enhanced Cordless Telecommunications), която използва мрежа с клетъчна структура (подобна на GSM мрежите) и безжичните телефони са с малък обхват. В домашните приложения телефоните са свързани към фиксираната телефонна мрежа посредством една централа (Base), докато за офис-приложения се използва частна (фирмена) телефонна централа (Private Branch Exchange, PBX). Към последната освен телефони могат да се свързват факсове и модеми. Технологията KONNEX, известна и като KNX Technology, е предназначена за управление на електронни устройства в индустриална и домашна среда, но позволява обмен и на комуникационни данни.




ЕКСКЛУЗИВНО

Top