Қалдықсыз өндірістік технологиялар
7
8
9
10
Аңдатпа
Берілген дипломдық жобада
ұсынылған тақырыпқа сәйкес Zigbee
технологиясын қолдану және радиосигналдардың таралуын бағалау
қарастырылған. ZigBee технологиясының 802.15.4 стандартының негiзiнде
желiнiң iске асыруын таңдау және негіздемесі, сонымен бiрге құрастыру және
технологияның түрлері, сымсыз желiлердiң жұмысының ерекшелiгi, теориясы,
қағидасы қарастырылды.
Сондай ақ құрылғыларының тұтынатын қуатын есептеу, ZigBee желісінің
қабылдаутарату трактісіндегі шуылды есептеу, еркін кеңістіктегі шығындарды
есептулер қарастырылды.
Техника-экономикалық бөлімде желiнi құруға бөлінетін капиталдық
шығындарына есептеу жүргізілген. Сонымен қатар, өміртiршiлiк қауiпсiздiгi және
еңбек қауіпсіздігінің мәселелері қарастырылды.
Аннотация
В данном дипломном проекте согласно теме было рассмотрено
использование технологии Zigbee и оценка распространении радиоволн.
Были сделаны работы по стандарту 802.15.4 технологии ZigBee для
осуществления создания сети6 а также были рассмотрены особенности работы
беспроводной сети и расчеты потерь в свободном пространстве.
Расчитаны также мощность потребления, шумы в тракте приёмпередача
сети ZigBee. рассчитаны значения уровня принимаемой мощности и затухания в
зависимости от расстояния, и от зоны распространения радиосигнала.
В технико- экономической части произведены расчеты по капитальному
расходу для создания сети. Также рассмотрены проблемы безопасности
жизнедеятельности и охраны труда.
11
Мазмұны
Кіріспе ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
1 802.15.4 стандартындағы zigbee технологиясы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
1.1 Zigbee желiсiн құрастыру өзектiлiгі ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ... ... ... .
1.2 WPAN желiлері және IEEE 802.15.4 стандарттары ... ... ... ... ... ... ... ... ..
1.3 Желiні құрастыру және оның жұмыс принципі ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
2 ZigBee сымсыз желісін деректерді жинау және жіберу жүйесінде қолда-
ну кезіндегі қиындықтар ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
2.1 Шынайы жағдайдағы радиосигналдардың таралуы ... ... ... ... ... ... ... ...
2.2 2,4 ГГц жиілікте ZigBee стандартының радиотолқындарының
таралуының ерекшеліктері ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
3 Есептеу бөлімі ... ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
3.1 ZigBee құрылғыларының тұтынатын қуатын есептеу ... ... ... ... ... ... ... .
3.2 ZigBee желісінің қабылдаутарату трактісіндегі шуылды есептеу ... ... .
3.3 Еркін кеңістіктегі шығындар ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
3.4 Екісәулелі модель ... ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
3.5 Сигналдың әрекет ету аймағын есептеу ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
4 Линияның жоғалуларын есептеу ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
5 Көлеңкелену моделі ... ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
6 Өміртірішілік қауіпсіздігі ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
6.1 Қауіпті және зиянды өндірістік факторларға анализ жасау ... ... ... ... ...
6.1.1 Жасанды жарықтандыруды есептеу ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
6.1.2 Кондиционерлеу жүйесін есептеу ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
6.2 Қоршаған ортаны қорғау ... ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
6.2.1 Қалдықсыз өндірістік технологиялар ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ..
7 Техника-экономикалық бөлімі ... ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
7.1 Бітіру жұмысының мәні және сипаттамалары ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ...
7.2 Өндірілген өнімнің бағасын есептеу ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .
7.3 Ғылыми-зерттеу жұмысының өзіндік құнын есептеу ... ... ... ... ... ... ... ..
7.3.1 ЕАҚ есептеу ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
7.3.2 Еңбекақы қорынан әлеуметтік салыққа аударманы есептеу ... ... ... ...
7.3.3 Амортизациялық аударма ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .
7.3.4 Коммуналдық төлемдерді қоса, аренда ақысын есептеу ... ... ... ... ... ..
7.3.5 Заттар шығыны, қорлар бөлім ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ...
7.4 Интеллектуалды еңбектің бағасы ... ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ... ... ... .
Қорытынды ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .
Қысқартылған атаулар тізімі ... ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
Әдебиеттер тізімі ... ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
А қосымшасы ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .
12
7
9
9
11
16
22
22
25
30
30
32
33
36
37
40
44
49
49
50
53
59
59
64
64
64
66
66
67
68
70
70
72
74
75
76
78
Кіріспе
Бүгінгі таңда аз радиуста жұмыс істейтінсымсыз желілер технологиясы,
автономды көп уақытта батареядан жұмыс жасайтын жалғыз сымсыз
тетехнологиясы болып табылады, осы технологияның көмегімен өндірістік
объекттердің мониторинг және бақылау тапсырмаларыншешуге болады. ZigBee
технологиясының негізінде коммуникациялық желілерді ұйымдастыра отырып
ақпаратты жинау,өңдеу және жіберудің шашыраңқы өзіұйымдастырылатын
жүйесін құруға болады. ZigBee деректерді жіберу сымсыз стандартының дамуы
берілген сымсыз протокол негізінде құрастырылған желіні пайдалануға
мүмкіндік берді.
Сымсыз желілер
пайда болғаннан
кейін,
сымды желілермен
салыстырғанда, өзінің көптеген артықшылықтарына байланысты
пайдаланушылар мен зерттеушілердің назарын аударып, қызықтырды. Қазіргі
кезде, "тұрмыста" радиоарна бойынша таралатын сымсыз байланыс
стандартының құрылғылады қосуы үшін Bluetooth-ды қолданамыз. Бірақ та,
бұл стандарттардың жиыны барлық "желілік тапсырмаларды" толықтай
шешуге жеткіліксіз. Сондықтан да біздің пайдаланушыларымыздың көптеген
сұрақтарына жауап ретінде "альтернативтік" спецификациялар пайда болады.
Солардың бірі - IEEE 802.15.4 және онымен байланысты ZigBee стандарты
болып табылады.
Қазіргі замандағы желілік телекоммуникациялық инфрақұрылымдарды
құрастыру және дамытудың негізгі технологтяларының бірі болып шағын
радиуста әсер ететін ZigBee құрылғыларын пайдалана отырып сымсыз рұқсат
алудың технологиялары болып саналады. Бір мезгілде өлшенетін
параметрлердің көп мөлшерін өңдеп жинау қажет облыстар ең перспективалы
облыстар болып табылады. Бұл облыстарға ZigBee технологиясын енгізу
әртүрлі шалғай құрылғылар мен қондырғылар арасындағы өзара әсер етуін
жеңілдетіп қана қоймай дәстүрлі сымды байланысты сымсыз байланысқа
ауыстыруға мүмкіндік береді.
Соңғы жылдары ғимараттың ішінде сымсыз байланысты пайдаланатын
желілер саны көбейді. Бірақта сигналдардың таралу жолындағы бөгеттерді
модельдеуде біршама қиындықтар туындайды, және де сигналдардың
көпсәулелі таралуымен көп мөлшердегі қайта шағылысумен байланысты.
Біріншіден таралуға қабырғалармен бөлмедегі заттар кері әсерін тигізеді.
Қабырғалар мен ағаштан, синтетикалық материалдардан, әйнектен жасалған
жабындар аздаған, кірпіштен және бетоннан жасалған тосқауылдар орташа,
темірбетоннан және фольгалық жылытқышы бар қабырғалар жоғары әсер етеді.
Метал қабырғалар мен жабындар байланыстың қашықтығына әсер теді, кей
жағдайда байланыстың жоғалып кетуі де мүмкін.
Екіншіден электромагниттік өрістің ғимарат ішіндегі (заттардан
бірнеше қайтара шағылысуы әсерінен)интерференциялық сипатты айқын
көрсетілген. Бұл құбылыс өрістің кернеулігі төмендеген кезде және толқын
13
поляризациясының жазықтығының өзгеруінде пайда болады. Ғимараттың көп
жерінде сигнал қабылдау қатты қиындыққа соғатын қатқылдықтармен (өлі
зоналармен) кездесуге болады. Мұндай жағдай тіпті қабылдауышпен таратқыш
бір-біріне тіке көріністе орналасса болуы мүмкін
Таралудың жолдарының ұзындығы, тақ санды жартылай толқындарға
эффективті бөлінген кезде, өлі зона пайда болады. Бірақта абсолютті өлі
зоналар айтарлықтай локальді және қабылдағышпен таратқыштың
антенналарының аздап орнын ауыстыру арқылы жоюға болады.
Бұл шара
сымсыз байланыс құрылғыларын ғимарат ішінде орналастыруды жоспарлаған
кезде өте қажет.
14
1 802.15.4 стандартындағы zigbee технологиясы
1.1 Zigbee желiсiн құрастыру өзектiлiгі
2001 жылы электротехника инженерлерінің институтына және IEEE
электроншларға сымсыз байланыстың WPAN желісінде жаңа стандарт
құрастыруын ұсынды және оған 802.15.4 деген ат берілсін деген. 2002 жылы
ZigBee альянсы құрылды. ZigBee одағы - коммерциялық емес өндірістік
консорциум жартылайөткізгіштер компоненттік рыногында, технологиялық
компанияларда, ОЕМ өндірушілері мен әлемдегі тұтынушылар арасында
компания лидерлер қатарына кіріп бой алды. ZigBee одағы ағымының
глобальдік специфекациясын жоғарғы үміттілік, рентабельдік, сымсыз
технологиясында энергия-экономиясы үшін IEEE 802.15.4 ақпараттық пакет
жіберуші механизмді қолдана отырып құрастырды.
Кез келген стандарт, сым арқылы ақпарат айырбастау интерфейсі немесе
сымсыз байланыс арқылы, өзінің айналасындағы тапсырмаларды шешу үшін
құрастырылған. Мысалыға, Wi-Fi, үлкен жылдамдыққа байланысты
ақпараттарды орташа қашықтықтарға жіберу; бейне және аудио ақпараттарды
жіберуге Wi-Fi сымсыз құрылғылардың корпаративтік желісіне және
Интернетке шығу рұқсаты үшін қолдануын хабарлаған. Bluetooth WiFi-ға
жылдамдығы жағынан ұтылады; ол үй кинотеатрының компоненттерінің
арасында бейне және аудио ағымдарын жіберуде ыңғайлы. Негізгі мақсаты,
ZigBee технологиясының көмегімен үлкен емес көлемдегі ақпараттарды орташа
қашықтықтарға жіберу. ZigBee технологиясының тағайындау ерекшелігі,
жіберіп қабылдайтын құрылғысы электротұтынуы аз мөлшерде болуы керек.
IEEE 802.15.4 және ZigBee сапалы ағымдағы аудио немесе анықтылығы жоғары
бейнені жіберуге болмайды, бірақ кез келген сферадағы басқарулар мен
мониторингінің күрделі схемаларын іске асыруға болады.
1.1 сурет - Сымсыз байланыс стандарттарының негізгі классификациясы
15
Одақтың негізгі мақсаты ZigBee-ң програмалық ағымдағы протоколдарын
бірыңғай спецификациясын өндіру, жұлдыз, кластерлі ағаш, көпұяшықты
желінің қауіпсіздік фукнциялары мен әртүрлі біріккен профильдарын, былай
айтқанда әртүрлі желідегі үлгіні қолдайды. ZigBee спецификациясы сымсыз
желідегі шешімдерді жүзеге асырып, глобальды стандартта бірыңғай негізін
салған, ақпаратты жіберу жылдамдығы 250 Кбитс, электротұтынуы аз,
ақпаратты қорғауды қамтамасыз етеді және жүйе сенімділігін қолдайды. Сайып
келгенде, ZigBee - бұл компанияның одағы, яғни, өңдеушілер 802.15.4.
стандартының деңгейлерінің үстінен қосымша желілі қабат бағдарламалық
қамтамасыз етуі қажет. Консорциумде қатысатын барлық белсенді мүшелері
ZigBee технологиясының барлық техникалық ақпараттарына толық құқығы бар
және ZigBee спецификациясына әсер ету мүмкіншіліктері бар. Ертеректе
ZigBee технологиясы радиоинтерфейстердің бос қалған қуысын құрылғыларды
және техникалық мінездемелері жоғарғы технологиямен қарызға алып
толтырды және оған сәйкес қымбат , немесе шешімнің , әртүрлі өндірушілердің
электрондық компоненттері жеке микросхемалардағы радиотрансиверде
базаланады, өз астында мықты стандартталған базасы жоқ.
Қарапайым тапсырмаларды шешу үшін немесе жеке протоколдарды құру
және ақпараттық ағымдарды персоналды сызсыз желілер үшін құру өндеушілер
амалсыздан көптеген шығындар жасауға мәжбүр болды, бұйымның ақырғы
құны мен дайын бұйымның рынокқа шығатын уақыты туралы білінді.
Нәтижесінде өнімге деген сұраныс пен рыноктың қызығушылығы жиі жоғала
бастады. ZigBee802.15.4 жалғыз стандартталған сымсыз байланыс
технологиясы болып табылады, басында мониторингінің келесі ұсыныстары
мен бақылауға көзделген болатын, кейін көрсеткіштердің белгіленген желілері,
азтұтыну жүйелеріне арналған сымсыз желілер жазылған күйде коммерциялық,
өндірістік және үй автоматикасында қолданыла бастады:
-
жарықтандырудың басқару жүйесі (өнеркәсіптер, муниципальдық
және үйлер үшін);
-
өндірістік, үй автоматикасы және басқару (жылыту, желдету және
ауаны тазарту, қосақы құрылғылар және жабдықтар);
-
тұтыну электроникасы (мультимедиякөңіл жадырататын жүйелер,
портативтік электроника), тұрмыстық техника (кір жуғыш машина, кофе
қайнатқыштар, салқындатқыштар, ауадағы сүзгілер және т.б.);
-
және т.б.)
-
дербес компьютерді жабдықтау (тышқан, клавиатура, джостиктар
дабыл және қауіпсіздік жүйелері, апаттық хабарлаулар, рұқсат
бақылау жүйелері, контактсыз кілттер, түтін, газ, қозғалыстар, жалынның,
температураның қысымның және т.б. көрсеткіштері;
-
емделушінің диагностикасын тексергенде қолданылатын дәрігерлік
құрылғы, спортшының қалөжағдай мониторингі, биодатчиктер;
16
-
шет басқарулар және технологиялық процестерді бақылау,
қозғалушы аппраттарды, станоктарды, өнеркәсіп жабдықтарын, тоңазытқыш
құрылғыларын басқару,, ақпараттарды дистанционды жинау;
-
логистика;
-
өнеркәсіптік
су-, газ-
және порттылардың активтерінің мониторингі,
және жылумен қамту жүйесінің мониторингі,
электроэнергиясын басқару және аспаптық бақылау жүйесі, тұрғын-
коммуналдық шаруашылық жүйе (ТКШ);
-
-
ақпарат алмасудың сымсыз құрылғысы, радиомодемдер, радиоберіліс;
автомобильдік электроника (шинадағы қысымды бақылау жүйесі,
айдап қашуға қарсылық жүйесі, идентификациялау және диагностика жүйесі)
және т.б.
ZigBee802.15.4-ң негізгі артықшылықтарының бірі болып орнатудың
оңайлығы және осындай құрылғыларға қызмет көрсете алуы саналады. Дербес
сымсыз жазу ZigBee спецификациясының ерекшелігі: сіз құрылғыны қораптан
аласыз, оған батареясын орнатып керекті пернесін басасыз. Содан кеін екі
құрылғыны пернені басқан күйдебір біріне жақындатып жасыл светодиот
жанғанша ұстайсыз. Осылайша екі құрылғының желіге қосылуы немесе тіркеу
жасалады, мысалы, жарық сондіргіштер арнайы лампаға. Бұл принципті
орындау ZigBee модульдерін жаңа аспаптарға және кішігірім ғимараттар (үй,
офис) жүйесіне, өнеркәсіпке ендіру ұсынылады (өнеркәсіптік зона, зауыттар).
1.2
WPAN желiлері және IEEE 802.15.4 стандарттары
Кең тарату бүгiнгi күнде сымсыз есептеуiш желiлерін құрастыруға
арналған стандарттардың келесi үш үй-iшiлерiн алды :
- IEEE 802.11 - Wireless Local Area Network (WLAN -- сымсыз жергілікті
есептеуіш желілері);
- IEEE 802.15 - Wireless Personal Area Network (WPAN -- сымсыз арнайы
есептеуіш желілері);
- IEEE 802.16 - Broadband Wireless Access (BWA -- сымсыз кең жолақты
рұқсат).
Бiздiң алдымызда тұрған мақсат сымсыз желiлердiң стандарттарының
әрбiреуіне толық талдаулар өткiзу болып табылмайды. Негiзгi бөлiмде WPAN-
желісіне, жеке алғанда - ZigBee желiсi және жаңа IEEE 802.15.4 стандартының
дербес сымсыз желiлерiнiң туыстарына көңіл бөлiнедi. Желілік стандарттардың
туыстары 802.11 және 802.16 тек салыстуда ғана қарастырылады.
Сымсыз дербес есептеуiш WPAN желiсi әдетте жергiлiктi жүйені әсердiң
аз радиус көлемінде ұсынылады, 15...20 метрден артық емес қашықтыққа және
дербес компьюлердiң арасындағы кабелдiк қосулардың алмастыруына
арналады, сонымен бiрге түрлi құрылымдар мен мультимедиа құрылымдарын
байланыстыруға арналған (ҚКП, принтерлер, факстер, сканерлер, жүйе және
17
тағы басқалар). Дегенмен кейбiр WPAN желiлерi - (ZigBee, Bluetooth) 100 м-ге
қашықтыққа дейiн жұмыс iстеуге қабiлеттi. IEEE 802.15.1 стандарты бiрiншi
болып есептiң мәлiметтерiн жүзеге асырылуға қабiлеттi болды. Стандарт
Bluetooth vl.x-ң спецификациясында негiзделедi және (MAC layer) ортаға
рұқсаттың деңгейін (PHY layer) және физикалық деңгейiн анықтайды. Келесi
адымдар 802.15стандартының
туыстарын кеңейту, 802.11 және 802.15
класстардың құрылымдарының өзара әрекеттесуін қамтамасыз ететiн
стандартты жасауы болды. Біраз уақыттан кейін WPAN желісіндегі
құрылымдардың жылдамдығы жеткіліксіз екендігі байқалды. Ондаған және
жүздеген Мбитс жылдамдығын өткiзу қабiлетi бар мәлiметтердiң сымсыз
каналын құруға мүмкiндiк беретiн стандарттың өндiруiндегi қажеттiк пайда
болды (IEEE 802.15.3). Аталған стандарттар жоғары (1-ден 200-ге Мбитс дейін)
жылдамдықпен (дауыс, мәлiметтер, видео) мәлiметтiң үлкен көлемдерiн
тартуда өте жақсы жіберуге жақын келеді. Олардың негiзiндегі құрылымдар
мәліметтерді 10-нан 100 м-ге дейінгі қашықтықта (батареялар және
аккумуляторлардан) оқшау режимінде жұмыс iстеуге қабiлетi бар. Бұл
стандарттар (компьютерлер, есептеуiш желiлер) күнде бiз iстеп жүрген
құрылымдардағы тораптық қосуларды алмастыруға мүмкiндiк бередi. Ұқсас
есептердi iске асыру үшiн шапшаңдығы төмен WPAN желiлер үшiн IEEE
802.15.4 (ZigBee) стандарты құрастырылған (1.2-суреттi қара).
Әсердiң қысқа радиустағы сымсыз желiлер өзара әрекеттесетiнi анық.
Әртүрлi сымсыз желiлердiң арасындағы шлюздың функция орындайтын
жабдықты жасауға жоспарланады. Егер қауiпсiздiк жүйесі ZigBee-ге
орналастырылған болса, қаскүнемді табу үшін, ол компьютерге хабарлау үшін
IEEE 802.11 желiсiмен жалғанады, ол өз кезегінде SMS арқылы қожайынның
ұялы телефонына жетеді немесее қауіпсіздік қызметіне қоңырау шалады. 802.15
стандарт туыстары және 802.11b стандарттарының салыстырмалы
мiнездемелерi 1.1-кестеде келтiрiлген.
18
1.1 к е с т е - 802.15 стандарт туыстары және 802.11b стандарттарының
салыстырмалы мiнездемелерi
Bluetooth және ZigBee технологиялары келтiрiлген мiнездемелерге
сүйенетін болсақ олардың ең жақын бәсекелестер екендігіне көз жеткізуге
болады. Сәйкесiнше шамамен үй және өнеркәсiптiк тағайындауында сымсыз
құрылымдар, қашықтықтан басқару жүйесі, компъютер құрылғысы және тағы
басқаларды қоса алғанда олардың қолданылатын облыстары ұқсас. Bluetooth
технологиясына қарағанда, ZigBee технологиясының айырмашылығы, оның
талаптарының бiрi энергиятұтынуы төмен қосымшалар үшiн жасалған.
Құрылымдардың белсендiлік мерзiмі ZigBee технологиясы бойынша iстелiнген
батареялардың ұзақ қызмет мерзiмiн қамтамасыз ету өте аз мөлшерде бола
алады. Wi-Fi және Bluetoothнiң микросхемалары кәсiпорындар және кеңсе
ғимараттарының масштабтарындағы iрi желiдегі түрлi құрылымдардың
негiзiнде ұйымдартыруға өте қымбат, 802.15.4ZigBee стандарты ең төменгi
шығындары бар сымсыз интерфейстер, сыртқы енжар элементтердiң ең төменгi
саны схемотехниканың оңайлығымен қамтамасыз етiлген, оған апарылған биiк
тиiмдiлiгi бар жадының көлемiн қолданана отырып ағымның программалық
қамтамасыз етуiмен өндеуге мүмкiндiк бередi (1.1-кестенi қара). Стандарт көп
ұяшықты топологиясы бар желiні құруға мүмкiндiк бередi, солай келе керемет
үлкен түйiндердiң сана қызмет көрсетеді және қуаттың күшейткiштерiндегі
байланыс қашықтығын қосымша шығындарсыз үлкейтеді.
ZigBee технологиясы Wi-Fi немесе Bluetooth сияқты мәлiметтiң үлкен
көлемдерiн таратуға арналмаған. Мысалы, энергиятұтынуы, бағасы және
сенiмдiлiгі бойынша биiк көрсеткiштер керек жағдайда, датчиктер
19 Стандарт
802.15.4 Zigbee
802.15.1
Bluetooth
802.11b Wi-Fi
Қосымша
Мониторинг, басқару
Дауыс,
мәліметтер
Мәліметтер,
бейне
Жиілік, ГГц
0.868
0.915
2.4
Артықшылықтары
Баға,энергияның
сақталуы, көлемі
Баға, дауыс
жіберу
Жылдамдық,
иілгіштік
Макс.жылдамдық
20
кбитс
40
кбитс
50
кбитс
1
мбитс
11
мбитс
Қашықтық, м
10-100, 1000
100
100
Сезімділік, дБм
(орташа).
-92
70
-76
Ағымның көлемі,
кБайт
4-32
250
1000
Қызмет жасау
уақыты, (батарея)
күн
100-1000
1-7
0,5-1
көрсетулерiнің көлемi он байттан сирек асатын мәліметтерге жоғарғы
жылдамдықтың қажеті жоқ. ZigBee құрылымдарының көпшiлiгi келесi
алгоритм бойынша жұмыс iстейдi : құрылым уақыт түгелдей дерлiктi ұйықтап
жатқан күйде қуат жинағының ұтымды тәртiбi қамтамасыз етеді. Жаңа
мәлiметтер немесе құрылымның кезектi байланыс сеансының уақытында iске
қосылады, мәлiметтер жылдам беріледі және төмендетiлген энергиятұтыну
тәртiбіне қайтадан өтедi. Сонымен бiрге бiр үлгiдегi уақытша тоқтаулар каналға
рұқсатқа алуға 15 мс, ұйықтап жатқан күйден белсендi өткелге өту 15 мс,
желiге жаңа құрылымның қосуға кеткен уақыт 30 мс-тi құрайды. Осылайша
батареялардың қызмет мерзiмiн 10 жылға дейiн созуға болады және ол
қосымшаның түрiне жұмыс циклының ұзақтығына байланысты, берілетін ток
мөлшері 15...30 мА құрауы мүмкін, ал ұйықтап жатқан күйде - 2 мА кем
болады. Нәтижеде, үн қосу бойынша тоқтаулар соншама аз, адам бөлмеге кiрiп
және ZigBee сымсыз байланысының қосқышын қосқан кезде жарық лезде пайда
болғанын тiптi байқамай калады. Бұл кезде Bluetooth желісіне қосылу уақыты 3
с құрайды.
Сымсыз жылдамдығы төмен дербес желiлер (WPAN) үшiн IEEE 802.15.4
стандарты MAC-ң ортасына рұқсат деңгейін және PHY-ң физикалық деңгейiн
анықтайды. PHY деңгейі радиосигналдың таратуын физикалық ортаға рұқсатты
қамтамасыз етедi: модуляцияның түрiн, жылдамдықты және басқа
параметрлерге тапсырыс беріледi, қабылдау және таратуды тiкелей жүзеге
асырады. MAC деңгейі құрылымдардың желiсiнен қосымша және
қорытындысын жүзеге асырады, мәліметтер топтамаларының жеткiзуiн
тексередi, мәлiметтердiң (есесiн қайтару) автоматты қабылдауды растауын
қамтамасыз етедi, рұқсат беру тетiктерiн тарату каналына жүзеге асырады, 128-
биттiк AES шифрлауды және тағы басқа функцияларды қолдайды. ZigBee
ағымының спецификациясы қосымшаға желілік деңгейді, қауiпсiздiк және
рұқсат алу деңгейлерiн анықтайды және 802.15.4 стандартының базасында
шешiмдермен бiрлесiп талқылауды қолдана отырып үйлесiмдi құрылымдарды
қамтамасыз етеді. PHY деңгейiнің кілтік функциясы энергияны бақылаудан
және байланыстың сапасынан және каналдарды талдаудан тұрады. Ортаға
рұқсат алу ISM (Industrial, Scientific and Medical) жиiлiк ауқымдары iске асады,
физикалық деңгейі 868915 МГц жиiлiктегi екiлiк фазалық манипуляциясын
(BPSK) және 2, 4 ГГЦтi жиiлiкте жылжуы бар квадраттық фазалық
манипуляциясын (O-OPSK) қолданады. Каналға рұқсат үшін сақтап қалуы мен
бақылауы бар көптiк рұқсатының тетiгiн және (CSMA-CA) коллизияны құрту
үшін қолданылады. Негiзделген тетiк таратуды бастаудың алдында байланыс
каналының күйiн анықтау, соқтығысуларды (бiрақ шеттетпеу) қысқартуға
айтарлықтай мүмкiндiк бередi, мәлiметтер бiр уақытта бiрнеше құрылымдармен
таратырылады. 802.15.4 стандартының CSMA-CA әдiсi тек қана коллизияны
анықтауға емес оларды жоюға мүмкiндiк береді (құрылым тарата алады немесе
мәлiметтер қабылдай алады), жартылай дуплекстi мәліметтерді таратудан
тұрады. Сигналдың тарату қашықтығы әдетте 30 ... .50 м-дi құрайды, дегенмен
20
қуат
күшейткiштері, шуыл күшейткіштері және үйлесiмдi антеннасы
қашықтығы 100 м-та жылдамдықтың сапасын жоғалпайды. Өткiзу қабiлетiліңгі
таңдаулы жиiлiгіне тiкелей тәуелдi болады. Максимал тарату жылдамдығы 250
Кбитс тең, (5 мгцтiң адымы бар 16 каналдары) 2, 4 ГГц аралығында жұмыс
істейді. Сәйкесiнше 868 МГц (1 канал) және 902-928 МГц жиiлiктерi үшiн
сәйкесiнше 20 Кбитс және 40 Кбитс тарату жылдамдығына тең (2 МГц-ң
адымында 10 канал бар).
ZigBee802.15.4-ң сымсыз құрылымдары рыноктың көп мөлшерін 2, 4
ГГц диапазонның шешiмдерi ұстап қалуға тырысады. Бұл алдыменмен мынаған
байланысты, Еуропада 868,3 МГц жиілігінде тек қана жалғыз каналға қол
жетеді, 915 МГц жиілігі тек қана АҚШ-та, Канадада, Кореяда және
Австралияда рұқсат етiлген. Нәтижесінде субгиггерцтік диапазондар OEM
өндірушілеріне потенциалды сүйкiмсiз болып табылады, бұл уақытта - 2, 4 ГГЦ
диапазоны бүкiл әлемденiң қолдануға рұқсат етiлген және келешек
құрылымдардың мiнездемелерiнiң анықтауында жүзеге асырылады. Дегенмен
келешекте коммерциялық тағайындау жүйелерiнде 802.15.4 стандартының әр
түрлi жиiлiктегі құрылымдарымен ZigBee құрылымын байланыстыру үшін,
шлюздердiң пайда болуы мүмкiн. InStatMDR агенттіктің мәліметтері бойынша
бес жыл ішінде 2004 жылдан бастап, тұтынудың көлемдерiнiң байланысында
субгигагерцтегі және 802.15.4 стандартының 2,4 ГГц-тегі трансиверлердің
қандайда бір түбегейлi өзгерiстері байқалмайды. 2,4
ГГц-тегі
микросхемалардың көлемi ZigBee802.15.4 құрылымдарының ортақ
нарығындағы 65...75% құрайды. 2,4 ГГц диапазонының бiршама кемшiлiктерi,
әр түрлi тектегі абоненттердің спектрiнде кейбiр толықтықты санауға болады
(Bluetooth құрылымы, 802.11b және 2, 4 ГГц жиiлiктерiндегi микротолқынды
пештер, сымсыз телефондар). Субгигагерц диапазондарын 2,4 ГГц
диапазонымен салыстырғанда артықшылығы кiшiрек толықтықта және басқа
тең шарттарда
мәліметтерді тарату кезінде қашықтықтың бiрнеше
зорайтылғаны болып табылады. Еуропадағы 868,3 МГц диапазоны таралған,
жақында дамытудағы қосымша мүдде алуы мүмкін, OEM өндiрушiлері
жағынан қызығушылық түсуі мүмкін. Еуропадағы стандарттар институты
(ETSI) телекоммуникациялар бойынша берілген диапазонда қосымша
каналдарды қолдану үшін рұқсат алу процессінде жүр, дегенмен процесс көп
жылдарға ұзап кете алады.
Аз қашықтықтағы байланыс үшін арналған датчиктердiң жиынына,
микроконтроллерге және радиожиiлiктік қабылдағыш-таратқышқа ие болатын
(немесе басқа мәлiметтер көзі), әрекеттiң аз радиусында істейтін сымсыз
желiлер (WPAN-Wireless Personal Area Network), құрылымдардың кеңiстiгінде
таралған жиыннан тұратын сымсыз жүйелерiнiң жаңа класы болып табылады.
Көптеген WPAN желілердің негiзгi міндеттеріне - өздiгiнен ұйымдасу
және эксплуатация шартарының өзгерістіріне бейiмделгiш болып келеді.
Сондықтан, орнату үшін керекті заттарды күшейту қажет: күйге келтіру және
ары қарай пайдалану және ұқсас желiні бақылап отыруы үшiн талап ететiн
21
күштер минималды. Бұдан басқа, түйiндердегі хабарлауларды
ретрансляциялайтын қабiлеттiлiгi бар, (бөгеттер немесе бөгеуiлдер, физикалық
бұзылу және тағы басқалардың пайда болуы) әр түрлi себептер бойынша жеке
түйiндердiң орнықтылығын және таратушының аз қуатының көмегімен
жүйенiң жамылғысын түбегейлi ауданын қамтамасыз етедi. Түйiндер сонымен
бiрге мәлiметтердiң жеткiзуiнiң ұтымды маршруттарын өз алдына анықтайды
және олар желiнiң топологиясы өзгергенде түзетедi.
Сымсыз түйiннiң аппаратты қамтамасыз етуi және iшiнде торлық өзара
әрекеттесудiң хаттамалары жүйенiң пайдалануын ұзақ мерзiмнiң қамтамасыз
етуге арналған энергия тұтынуы бойынша автономды көз қоректенуiнiң
қолдануында оптимизациялаған. Режимге байланысты, сымсыз желiнiң
түйiнiнiң жұмыс уақыты бiрнеше жылдарға жете алады.
WPAN желiсінің артықшылықтары - таралған жиынмен, талдаумен және
мәлiметтiң берiлуiмен сабақтас қолданбалы есептердiң кең шеңбердегі шешiмді
тиiмдi қолдана алады :
-
микроклиматты сүйемелдеуге арналған жабдықпен, температура
мониторингімен, ауаның шығынымен, адамдардың қатысуын барлау және
басқару т.б.;
- жарықпен басқару т.б.;
-
-
энергия жабдықтауымен басқару т.б.;
пәтердегі газ, су, электр энергиясының т.б. жиыныдардың
есептеуiштерiнiң көрсетулерi;
- өрт хабарлағышы.
1.3
Желiні құрастыру және оның жұмыс принципі
ZigBee ағыны әр түрлi желiнiң кескiндерiн қолдайды, соның iшiнде келесі
топологиялар: нүкте-нүкте, жұлдыз, кластер ағашы (иерархиялық) және
(1.5-шi сурет қара) көп ұяшықты желi. Ағынның желілік фукнциялары
белсенді каналдарды табу үшін желіні сканерлейді, белсенді каналдар арқылы
құрылғыны идентификациялайды, iске қосылмаған каналдарға желi құрастыру
және дербес сымсыз желілердің аймағында берілген желілерді біріктіреді,
құрылымдардың нақтылы профильлерiне сәйкес қолдалатын сервистерiн
айырып тануы, маршрутизацияны қазiргi желiмен бiрiктiру болып табылады.
Бұл құрылымдарға желiге автоматты кiрiп және олардың iшiнен шығуға
мүмкiндiк бередi, әрбiр түйiнге бiрнеше маршруттардың бар болуын арқасында
бiр нүктедегi жағымсыз зардаптарын шығарады.
22
1.3 сурет - Желiнiң топологиясының варианттары
Типке байланысты, әрбiр құрылымда нақтылы желілік функциялары
болады :
- координатор желiнi сканерлейді және желi жасауға арналған еркiн
каналдарды анықтайды;
-
егер белсендi каналдар жоқ болса немесе белсендi желiмен бiрiктiру
болмаса, (FFD) жол көрсетушi желiнi сканерлейді, белсендi каналдар табады
және қазiргi желiнiң құрамына енуге тырысады немесе координатордың
құқықтарында меншiктi дербес желiнi құрады. Егер бiрiктiрілген болса,
тұстасқан жергiлiктi жүйенi координатордың қазiргi желiсiне енiп, ережелерге
сәйкес жол көрсетушiнiң лауазымына жiберiледi және қазiргi желiнiң
координаторына жергiлiктi жүйе туралы барлық мәлiметтi алып бередi.
Жаңадан пайда болған жол көрсетушiнiң координаторынан синхронизацияның
сигналдық пакеттен келесi сигналдық пакеттердiң табылуға арналған желiнiң
уақытша параметрлерi туралы қажеттi мәлiметтi алады;
- RFD шеткi құрылымы бар желiге кiруге әрдайым тырысады.
Кластерлік ағаш топологиясы желiнi масштабтауын және аймақтық
жамылғынының кеңейтуiн, инфрақұрылымға қосымша шығындарды талап
етпей қамтамасыз етедi. Кластерлік ағаш түрiнiң желiсi бiрнеше қосымша
егулерден тұратын жұлдыз топологиясын және шектелген (RFD) функциялары
бар құрылымдарды өз құрамына қосады. ZigBee технологиясы жұлдыз және
кластерлік ағаш топологияларынан басқа тысқары желiлердiң құрастыруға
арналған көп ұяшықты қағиданы қолдайды. Мұндай топологиялардың
арқасында кез келген желілік түйiн желiдегi басқа құрылымдар үшiн жол
көрсетушiнiң функцияларын орындай алады. Егер (бетон немесе металлдық
бөгет тағы сол сияқтылар) бiр түйiннен келесі бір түйінге өткен кезде
сигналдың жолында бөгеуiл пайда болса, адресатқа деректердi беруге арналған
талғаулы маршрут сайланады. Неғұрлым желілік түйiндердің концентрациясы
тығызырақ шоғырланса қорғанылған, сенiмдi жүйеге алып келедi. Егер
23
түйiндер бiруі істен шықса, маршрут желiнiң басқа түйiндерi арқылы автоматты
түрде анықталады, нәтижесінде желi өз бетімен қалыптасады. Дегенмен
Автономды көп ұяшықты желiлерде қоректену көзінің қызмет мерзiмi азаяды,
синхрондалған рұқсаттың әдiсiнiң арқасында тарату кезінде каналдарды
анықтаудың күрделiлiгі үлкеедi және желілік түйiндермен мәліметтер
тасымалдау кезінде (миллисекундалардың ондығы) тоқтаулар болады.
Көп ұяшықты желiнiң барлық түйiндерi басқа түйiндерді табуға қабiлеттi
және бiрін-бiрi айырып тану кезінде пакеттердiң берiлуiнің ұтымды жолын,
айырбастың максимал жылдамдығын, қателердiң пайда болуын жиiлiктi және
тосу уақытын есептейді. Өлшеулi мәндер көршi түйiндерге берiледi, трафиктiң
берiлуiнің ұтымды жолы қолданылған сигналдардың қуатына сүйене
сайланады. Түйiндердiң табылуының процесстерi және жолдың таңдаулар
үнемi жүредi, сондықтан әрбiр түйiн көршiлердiң ағымдағы тiзiмiн қолдайды
және ең жақсы маршрут олардың орналасу өзгерiстерін жылдам есептей алады.
Егер қандай да бір түйiн (техникалық қызмет көрсету немесе басқа салдардан)
желiден шығарылған болса, көршi түйiндер өз кестелерiнiң кескiндерiн жылдам
өзгертеді және трафиктiң ағындарының маршруттарын қайтадан анықтайды.
Бұл өз қалпына келу және істен шығуды жеңу қасиеттері қатаң архитектурасы
бар желiні ұяшықты топологиясы бар желiден айтарлықтай айырады.
Деректердi берудiң транзакцияларының үш түрi бар болады. Солардың
бiрлерi торлық құрылым мәлiметтi алып берген координаторға деректердi
берумен кездесiп отыр. Екiншi транзакция торлық құрылымға координатордан
мәлiмет жiберумен байланған. Транзакциялардың үшiншi түрiне торлық
құрылымдардың арасындағы мәлiмет алмасу тiкелей жатады. Жұлдыз
топологияларда координатормен және торлық құрылымның аралығында болуы
мүмкiн ақпараттық айырбас тек қана екi транзакция, өйткенi тек қана
қолданылады. P2P топологияларда транзакциялардың барлық үш түрлерiнiң
iске асыруы болуы мүмкiн.
Айырбастардың әрбiр түрiнiң тетiгi шамшырақтардың берiлуiн желiнi
қолдайды ма, сонымен тәуелдi болады. Қолдауы бар PAN шамшырақтардың
желiлерi немесе синхронизациялар талап ететiн желiлердегiнi қолданылады,
немесе PCтың шеттегiсi үн қосуды аз тоқтау, сондай талап ететiн торлық
құрылымдарды қолдайды. Егер желi синхронизацияда немесе аз тоқтаулар
қажетсiнбесе, ол үйреншiктi айырбастарға арналған кадрлар қолданбауы
мүмкiн. Кез келген жағдайдадағы шамшырақтары дегенмен желiнiң қалпына
келтiруiне керек.
Торлық құрылым қашан кадрлардың қолдауы бар PAN-ң желiсiндегi
координаторына мәлiметтер тапсырғысы келедi, ол beacon кадрын
детекторлауға бастапқыда тырысады. Шамшырақ қашан бiлдiрген, құрылымды
супер кадрдың құрылымымен синхронизацияланады. Тиiстi уақыт, құрылымға
өз ақпараттық кадры, координаторға CSMA-CA-ң домен алгоритмы қолдана
алып бередi. Координатор опцион растауды кадрдың жiберуi табысты жеткiзудi
жолымен растай алады.
24
1.4 сурет - beacon шамшырақтарын қолдану арқылы PAN координа-
торына деректердi тасымалдау
Торлық құрылым қашан шамшырақтардың жалғызiлiктiнi PAN-ң
желiсiндегi мәлiметтерi тапсырғысы келедi, ол координаторға ақпараттық
кадрды CSMA-CA-ң домен схемасысыз қолдана жай ғана жiбередi.
Координатор опцион растауды кадрдың жiберуiнiң мәлiметтерiнiң табысты
жеткiзуiн растайды. Операциялар тiзбек осысы 1.5-сурет суреттеген.
1.5 сурет - PAN-ға координаторы бар коммуникациясы таңбаларсыз
Қашан координатор PAN шамшырақтардың қолдауымен желiдегi торлық
құрылымына мәлiметтер тапсырғысы келгенiн, неткен мәлiметтер жiберулердi
күтетiнiн ол торлық шамшырақ бойынша анықтайды. Құрылым қатынастың
жiберу күтетiн beacon-нің торлық шамшырақтарын мерзiмдi тыңдайды, және
егер болады мәлiметтердiң сұрау салуын Мас, CSMA-CA-ң домен тетiгiнiң
қолдануымен берiледi. (ACK) тиiстi кадрдың көмегiменiн мәлiметтердiң сұрау
салуын алуды раста координатор. Егер болуы мүмкiн, мәлiметтердiң кадры
күтетiн жiберулер CSMA-CA-ң домен тетiгiнiң қолдануымен жөнелтедi, онда
растау iлесе . Құрылым растауды кадрдың жiберуi мәлiметтердiң табысты алуы
жолымен растай алады. Транзакция бұлған бiтедi. Қатынас транзакциялар
табысты аяқтауда шамшырақта жазып алған күтетiн жiберулердi тiзiмнен
бошалайды. Суреттеп айтылған әсерлердiң тiзбегi 1.6-суретте көрсетілген.
25
1.6 сурет - PANны желiлердi деректердi беруi коммуникаторға маяк қол-
данушы
Координатор қашан шамшырақтардың жалғызiлiктiнi PAN-ң желiсiндегi
торлық құрылымы, ол мәлiметтер тапсырғысы келедi тиiстi құрылымға
арналған мәлiметтердi есте сақтайды және мәлiметтердiң сұрау салуын
орындайды. Торлық құрылым MAC-ң жiберуi координатормен байланысу
жолымен тетiк домен CSMA-CA-лерiнсiз қолдана отырып орната алады -
мәлiметтердiң сұрау салуды командасы, айырбастың жылдамдықпенi, тап
қалған қосымшамен. Координатор растауды 2~кадры арқылыны ақпараттық
сұрау салуды табысты алуды растайды. Егер ақпараттық кадр жiберуге қараса,
координатор мәлiметтердiң кадрын құрылымға CSMA-CA-ң домен тетiгiсiз
қолдана жiбередi. Егер мәлiметтердiң кадры, күтетiн жiберулер жоқ болса,
координатор бұл айғақ немесе мәлiметтердiң растауды пакет, келесi сұрау
салуына, немесе мәлiмет өрiсiнiң нөлдiк ұзындығы бар ақпараттық кадрында
бекiтедi. Егер керек болса, құрылым мәлiметтердiң кадрының табысты алуын
растайды. Осы схемаға арналған әсерлердiң тiзбегi 1.7- суреттелген.
1.7 сурет - координатордан PANның желiге телекоммуникация шамшы-
рақтарсыз
26
Қосудың сенiмдiлiгi CSMA-CA-ң хаттамасының қолдануының арқасында
жоғарылайды. Нүкте немесе жұлдыз-нүкте түрдiң қолданылатын тек қана
Қосуларына көптiк рұқсатының бос тұруын стратегия. Ол барлық емес
қосымшаларға жақындайды. Жағымсыз өзара әрекеттесудiң сақтап қалулары
үшiн қолдану болуы мүмкiн Жағымсыз өзара әрекеттесудiң сақтап қалулары
үшiн (TDMA) уақытша бөлiнуi бар көптiк рұқсаттың қолдану хаттамалары
болуы мүмкiн. ZigBee802.15.4 технология ұқсас TDMA-ң технологиясымен
қағида бойынша уақыт аралықтарына кепiлдiк бередi, бiрақ бөлiнудiң қолдану
мәлiметтерi синхронизация және кәдiмгi TDMA-лер салыстырғанда күрделiрек
және кем энергия тиiмдi алгоритм болып табылған уақытша бөлiнудiң тәртiбi,
рұқсатпен тек қана бiрлесiп талқылау болуы мүмкiн. Iшiнде жергiлiктi торлық
ұяшықтың құрылымдарына не бiлуге мүмкiндiк бергенiн, неткен уақыт
деректердi берудi жүзеге асырылатынын ZigBee-ң уақытша бөлiнуi уақытының
ұйықтап жатқан күй болатын көбiнеселерi
қол астындағы торлық
құрылымдардың жанында торлық координатордан синхронизацияның
сигналының қабылдауларына мерзiмдi төгiлетiн синхронизацияның тәртiбiнiң
қолдануында негiзделедi. Координатор каналдарды айырбаспен басқарып,
ерекшелейдi және 15 мс интервалмен шақырулары 252-ге жүзеге асырады.
Сигналдық пакеттердiң берiлуi өткiзу қабiлетiн анықтайды, әрбiрiне желiдегi
қайшылығы шығарған бiрдей ұзақтықтың 16 уақыт аралықтарының рұқсаттың
кезегiнiң күтуiн бiтегене және ерекшелеуiн қамтамасыз етедi.
1.8 сурет - ZigBee желiсiне синхронизацияланылған рұқсат
Желiнiң түйiндерiнiң әрбiрi үшiн рұқсаттың уақыт аралығымен CSMA-
CA-ң тетiгi координатормен, немесе арқылы да анықталады. Қажеттi
автономды қоректену көзiнен жұмыс iстегендеге торлық координатордың
энергия сақта тәртiптерiнiң iске асыруына орнатыла интервалдар.
Синхронизацияның сигналының күту күйi д кемшiлiк құрылым сигнал өткiзбеу
үшiн ертерек аздап төгiлдiре алатын ептеген уақытша айырмашылықтардың
бар болуы артынан энергия тұтынуды болмашы үлкеюге алып келедi.
Синхронизацияланылған рұқсаттың функциясы кластер ағашы және көп
ұяшықты желi ұлғаймалы топологиясы бар желiлер, сондайға қолданылады.
27
2 ZigBee сымсыз желісін деректерді жинау және жіберу жүйесінде
қолдану кезіндегі қиындықтар
2.1 Шынайы жағдайдағы радиосигналдардың таралуы
2,4-2,5 ГГц жиіліктерде электромагнитттік толқындардың таралуының
ерекшелігі болып интерференция, дифракция, шағылысу, сыну және шашылу
болып табылады. Осының нәтижесінде қабылдау нүктесінде толқын, әралуан
фазалы және толқындық векторының бағыты әралуан
толқындардың
суерпозициясы болып табылады. Толқындарды қосу конструктивті (сигнал
қабылдау нүктесінде күшті болғанда ) немесе деструктивті (сигнал әлсіреген
кезде- қатқыл эффектісі)интерференцияға әкеледі.
1) Шағылысу: бұл құбылыс электромагнитік толқын кез-келген бір
өлшемі толқын ұзындығына қарағанда үлкен болатын объектіге тірелген кезде
пайда болады. Бұл кезде сигнал қуаты қабырға типтес бөгеттен өткен кезде
әлсіреп, шағылысқан толқынды мүлдем басқа жолмен таратып жібере алады.
2) Дифракция: бұл құбылыс электромагниттік толқын тегіс емес сипатты
қисықтық радиус толқын ұзындығынан әлдеқайда аз болатын бетпен кездескен
кезде пайда болатын құбылыс. Бұл құбылыс толқынның бұрыштармен
шығыстарды айнала қозғалуына әкелуі мүмкін. Бұл эффект ғимарат ішіндегі
жағдайда өте пайдалы, себебі сигнал басқа жол арқылы өте алады.
3) Шашылу: электромагниттік толқынның жолында өлшемі жағынан
толқын ұзындығынан кіші болатын объектімен кездескен кезде болатын
құбылыс. Нәтижесінде сигнал шашырап, шағылысу эффектісіне тән шашыраған
сигнал әртүрлі жолмен қозғалатын эффект пайда болады. (Мысалға жапырақты
ағаштар).
4) Рефракция (сыну): электромагниттік сигнал сыну көрсеткіші бір
нүктеден екінші нүктеге баппен өзгеретін ортада таралған кезде болады;
көптеген жағдайда әртүрлі сыну көрсеткіші бар біртекті орталардың бөліну
шекарасындағы сәуле бағытының күрт өзгеруі сыну деп аталады. Сигнал
ауалы немесе сулы ортадан, ғимарат қабырғаларынан, әртүрлі бөгеттерден
өткен кезде сынады.
5) Доплер эффектісі, қозғалмалы объекттің орын ауыстыруында өз әсерін
тигізеді. Бұл эффекттер бір сигналдың көптік таралуына әкеледі, нәтижесінде
біз көпсәулелі эффект аламыз.
Деструктивті интерференциядан кейін бірнеше кері әсер пайда болады.
Біріншіден, қабылдау нүктесінде сигнал сезгіштіктің төменгі шегінен аз болуы
мүмкін, соның салдарынан байланыс жоғалуы мүмкін. Екіншіден қозғалмалы
қорек көзінен немесе қабылдағыштан қабылдау нүктесінде, әлсіз немесе күшті
сигналдың ауысуы, бірнеше бит ақпараттың жоғалуына немесе жіберу
жылдамдығының, кадрларды қателікпен қайтадан жіберуі салдарынан азаюына
әкелуі мүмкін. Үшіншіден толқындардың кешігу уақытының айырымы әртүрлі
28
жолмен жүрген символдың ұзақтығынан асып кетсе, хабарламалардағы көрші
символдар бір-бірінің үстіне қосылып, символаралық инерференция эффектісін
тудыруы мүмкін.
Радиотолқынның қуаты антеннадан қашықтаған сайын төмендейді. Қорек
көзінен қандайда біриқашықтыықта толқын қуатының тығыздығы Р(d) келесі
тәуелділікпен суреттеледі:
P(d) Pt(d0d)γ,
(2.1)
мұндағы d0 - деректерді жіберудің әрбір сымсыз протоколына тәжірибе
жүзінде анықталатын тұрақты;
γ= 2...6 параметрі антеннаның конструкциясына, жиіліктер
диапазонына, электромагниттік толқынның таралу жолындағы бөгеттерге
тәуелді.
Сымсыз желі құрылғыларында сфера түрінде болатын сенімді түрде
қабылдаудың шектелген зонасы болады. Егер станция сенімсіз қабылдау
қашықтығында орналасса, онда қоршаған ортаның аздаған өзгерісінен
хабарламалар жоғалып немесе жіберу жылдамдығы төмендеуі мүмкін.
Деректерді жіберу кезінде жіберіліп отырған сигналдың бүлінуінің басқа
салдары пайда болуы мүмкін: көрші каналдардың паразитті өзараәсері, доплер
эффектісі, статикалық электрдің разрядтары, жоғарывольтті(жоғарытоқты)
қондырғылардың жұмысы. Осылардың бәрі деректер пакеттерінің жойылуына,
қайтадан жіберуге жәнеде нәтижесінде деректерді жіберу каналындағы
кешігуге әкеп соғуы мүмкін. Қателіктер ағынының интенсивтілігі бөгеттер
көздерінің қуатына, модуляцияның типіне және таратқыштың қуатына тәуелді.
Деректерді жіберу каналындағы бөгеттің себеп-салдары болып тек деректердің
жоғалуы немесе жіберу жылдамдығының төмендеуі болып қана қоймай,
кеңістіктік қарама-қайшылық мәселесі болуыда мүмкін. Айтылып отырған
мәселеде, жүйеде қабылдау жайында хабарсыз жіберудің кеңбаяндамалық
режимі пайдаланылады, яғни барлық қабылдағыштар біруақытта барлығы
бірдей хабарлама алуға міндетті. Бірақта қателіктің кесірінен каналда
тұтынушылар қате деректерді алуы мүмкін. Егер айтылып отырған режим
бірнеше контроллерлердің бір технологиялық процесте синхонды жұмыс істеуі
үшін қолданылса, нәтижесінде қате деректерді алудан процестің
рассинхронизациясы болуы мүмкін, сондықтан қателік болмағаны жөн.
Сымсыз құрылғылар сигналды бір канал арқылы жіберіп қабылдай
алмайды. Қашықтықтан сәулелену қуатының тығыздығының тез төмендеуі
кесірінен. Өзіндік таратқыштың сигналы қабылдағыштыкінен анағұрлым
жоғары болып, оны басып тастайды. Сымсыз желілер байланысында
құрылғылар деректерді жіберу каналын, пайдалы хабарлама жіберу кезінде
тыңдай алмайды. Сондықтан коллизияны байқауға негізделген, желіге рұқсат
алу әдістерін қолдану мүмкін емес. Өзіндік таратқыш істемей тұрғанның өзінде
өзге тасымалдаушы станцияны аңғаруда қиындықтар туындайды.
29
IEE802.11 стандартында жасырылған түйін мәселесін RTS (Request to
Send) жіберуге рұқсат сұрау және бос СTS (Clear to Send) жауап алу арқылы
шешу ұсынылды. Станция деректерді жіберу сеансын RTS- ті жіберуге рұқсат
сұрау арқылы бастайды, албасқа станция бос CTS жауабын жібереді, өзіне
арналмаған RTS немесе CTS пакетін қабылдап алған кез-келген басқа станция,
күту жағдайында қалады. Бұл әдістің ең басты кемшілігі, рұқсат сұрау мен
жауап алу сигналдары құрылғылардың арасындағы деректер алмасуының
жылдамдығын нашарлатады, себебі деректер пакеттерінің көлемдері рұқсат
сұрау мен жауап алусигналдарымен салыстырмалы.
Жоғарыда айтылғанның бәрі сымсыз каналдар рұқсат алу әдісін
CSMACD типті каналға қолдана алмайтынын дәлелдейді. CSMACА (Carrier
Sense Multiple Access with Collision Avoidance) көптік рұқсатты бақыланатын
және коллизияны тоқтататын әдіс қолданылады. Айтылып отырған әдісте
коллизияның болмайды, себебі қабылдағыш әрқашан өзінің таратқышының
ссгналымен басылып қалатындығынан, коллизияның пайда болу мүмкіндігін
төмендету шаралары жүргізіледі.
CSMACА әдісінде байланыс каналын резервуарлау сигналдары
қолданылады, нәтижесінде коллизия ұзақ деректер пакеттерінің арасында емес,
қысқа резервуарлау сигналдарының арасында пайда болады. Жіберуді
бастайың деп жатқан станция желінің барлық қатысушыларына осы коллизия
жайлы хабарлайды, белгілі бір уақытрезервуарланады, тек барлық станциялар
резервуарлау сигналын қабылдағаннан кейін ғана деректерді жіберу басталады.
Қосымша ретінде канал босатылғаннан кейін коллизияның пайда болу
мүмкіндігін төмендету үшін кездейсоқ кешігу қолданылады.
Автоматизация жүйелерінің желілерінде сымсыз желілер сымды
желілерге қарағанда келесі артықшылықтарға қол жеткізуге мүмкіндік
тудырады:
а) датчиктерді орнатуға кететін шығындарды азайтуға;
б) кабельдерге профилактикалық жұмыстарды жүргізу қажеттілігі
туындамайды;
в)
кабельдерді тармақтарға бөлу үшін қымбат қондырғыларды
пайдаланудың қажеті жоқ;
г) жүйені жөндеуге, күту жұмыстарына деген шығындарды және кететін
уақыттың мөлшерін төмендетеді;
д) кабельдің жоқтығынан жүйенің құндық бағасын төмендетеді;
е) жүйедегі бұзылуларды іздеуді тездетуге мүмкіндік береді;
ж) жүйенің оңтайлы дамуын қамтамасыз етеді.
Өндірістік желілерге деген сұраныстарды қарастыра отырып, яғни релелік
қорғаныс және автоматика желілерге, сымсыз желілер сымды желілерге
қарағанда бірнеше сиппаттама бойынша кемшілігі бар:
а) хабарламаны жеткізу уақыты;
б) электромагниттік бөгеттердің сымсыз желілерге кері әсері;
в) байланыстың сенімділігі;
30
г) ретрансляторларды пайдаланбаса байланыс қашықтығының шектелуі;
д) каналды пайдалану коэффициентінің және бір уақытта жұмыс істеп
жатқан станциялардың санын көбейткен жағдайда, желінің өткізу мүмкіндігінің
төмендеуі;
е) қауіпсіздік.
СSMACA каналы үшін қолданылатын рұқсат алу механизмі алдын-ала
белгілі бір уақыт ішінде жеткізуді қамтамасыз етпейді, бұл мәселені сымды
желідегі сияқты коммутатордың көмегімен шешуге болмайды.
Байланыс сенімділігі, қорек көзінің батареясын дер кезінде ауыстырмаған
жағдайда байланыс түйіндерінің орналасу реті өзгеріп, немесе
радиотолқындардың өшуін, шағылысуын, сынуын, шашылуын өзімен бірге
алып келетін объекттер пайда болуы арқылы анықталады. Байланыс кенеттен
нашарлап немесе жоғалып кетуі мүмкін.
Сымсыз желілердің ең басты кемшілігі болып ақпараттың жоғалуы,
қолдан жасалған бөгеттерден қорғалмағандығы, жаудың білдіртпей
технологиялық процесті басқару мүмкіндігі болып ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
8
9
10
Аңдатпа
Берілген дипломдық жобада
ұсынылған тақырыпқа сәйкес Zigbee
технологиясын қолдану және радиосигналдардың таралуын бағалау
қарастырылған. ZigBee технологиясының 802.15.4 стандартының негiзiнде
желiнiң iске асыруын таңдау және негіздемесі, сонымен бiрге құрастыру және
технологияның түрлері, сымсыз желiлердiң жұмысының ерекшелiгi, теориясы,
қағидасы қарастырылды.
Сондай ақ құрылғыларының тұтынатын қуатын есептеу, ZigBee желісінің
қабылдаутарату трактісіндегі шуылды есептеу, еркін кеңістіктегі шығындарды
есептулер қарастырылды.
Техника-экономикалық бөлімде желiнi құруға бөлінетін капиталдық
шығындарына есептеу жүргізілген. Сонымен қатар, өміртiршiлiк қауiпсiздiгi және
еңбек қауіпсіздігінің мәселелері қарастырылды.
Аннотация
В данном дипломном проекте согласно теме было рассмотрено
использование технологии Zigbee и оценка распространении радиоволн.
Были сделаны работы по стандарту 802.15.4 технологии ZigBee для
осуществления создания сети6 а также были рассмотрены особенности работы
беспроводной сети и расчеты потерь в свободном пространстве.
Расчитаны также мощность потребления, шумы в тракте приёмпередача
сети ZigBee. рассчитаны значения уровня принимаемой мощности и затухания в
зависимости от расстояния, и от зоны распространения радиосигнала.
В технико- экономической части произведены расчеты по капитальному
расходу для создания сети. Также рассмотрены проблемы безопасности
жизнедеятельности и охраны труда.
11
Мазмұны
Кіріспе ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
1 802.15.4 стандартындағы zigbee технологиясы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
1.1 Zigbee желiсiн құрастыру өзектiлiгі ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ... ... ... .
1.2 WPAN желiлері және IEEE 802.15.4 стандарттары ... ... ... ... ... ... ... ... ..
1.3 Желiні құрастыру және оның жұмыс принципі ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
2 ZigBee сымсыз желісін деректерді жинау және жіберу жүйесінде қолда-
ну кезіндегі қиындықтар ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
2.1 Шынайы жағдайдағы радиосигналдардың таралуы ... ... ... ... ... ... ... ...
2.2 2,4 ГГц жиілікте ZigBee стандартының радиотолқындарының
таралуының ерекшеліктері ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
3 Есептеу бөлімі ... ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
3.1 ZigBee құрылғыларының тұтынатын қуатын есептеу ... ... ... ... ... ... ... .
3.2 ZigBee желісінің қабылдаутарату трактісіндегі шуылды есептеу ... ... .
3.3 Еркін кеңістіктегі шығындар ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
3.4 Екісәулелі модель ... ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
3.5 Сигналдың әрекет ету аймағын есептеу ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
4 Линияның жоғалуларын есептеу ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
5 Көлеңкелену моделі ... ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
6 Өміртірішілік қауіпсіздігі ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
6.1 Қауіпті және зиянды өндірістік факторларға анализ жасау ... ... ... ... ...
6.1.1 Жасанды жарықтандыруды есептеу ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
6.1.2 Кондиционерлеу жүйесін есептеу ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
6.2 Қоршаған ортаны қорғау ... ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
6.2.1 Қалдықсыз өндірістік технологиялар ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ..
7 Техника-экономикалық бөлімі ... ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
7.1 Бітіру жұмысының мәні және сипаттамалары ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ...
7.2 Өндірілген өнімнің бағасын есептеу ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .
7.3 Ғылыми-зерттеу жұмысының өзіндік құнын есептеу ... ... ... ... ... ... ... ..
7.3.1 ЕАҚ есептеу ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
7.3.2 Еңбекақы қорынан әлеуметтік салыққа аударманы есептеу ... ... ... ...
7.3.3 Амортизациялық аударма ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .
7.3.4 Коммуналдық төлемдерді қоса, аренда ақысын есептеу ... ... ... ... ... ..
7.3.5 Заттар шығыны, қорлар бөлім ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ...
7.4 Интеллектуалды еңбектің бағасы ... ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ... ... ... .
Қорытынды ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .
Қысқартылған атаулар тізімі ... ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
Әдебиеттер тізімі ... ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
А қосымшасы ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .
12
7
9
9
11
16
22
22
25
30
30
32
33
36
37
40
44
49
49
50
53
59
59
64
64
64
66
66
67
68
70
70
72
74
75
76
78
Кіріспе
Бүгінгі таңда аз радиуста жұмыс істейтінсымсыз желілер технологиясы,
автономды көп уақытта батареядан жұмыс жасайтын жалғыз сымсыз
тетехнологиясы болып табылады, осы технологияның көмегімен өндірістік
объекттердің мониторинг және бақылау тапсырмаларыншешуге болады. ZigBee
технологиясының негізінде коммуникациялық желілерді ұйымдастыра отырып
ақпаратты жинау,өңдеу және жіберудің шашыраңқы өзіұйымдастырылатын
жүйесін құруға болады. ZigBee деректерді жіберу сымсыз стандартының дамуы
берілген сымсыз протокол негізінде құрастырылған желіні пайдалануға
мүмкіндік берді.
Сымсыз желілер
пайда болғаннан
кейін,
сымды желілермен
салыстырғанда, өзінің көптеген артықшылықтарына байланысты
пайдаланушылар мен зерттеушілердің назарын аударып, қызықтырды. Қазіргі
кезде, "тұрмыста" радиоарна бойынша таралатын сымсыз байланыс
стандартының құрылғылады қосуы үшін Bluetooth-ды қолданамыз. Бірақ та,
бұл стандарттардың жиыны барлық "желілік тапсырмаларды" толықтай
шешуге жеткіліксіз. Сондықтан да біздің пайдаланушыларымыздың көптеген
сұрақтарына жауап ретінде "альтернативтік" спецификациялар пайда болады.
Солардың бірі - IEEE 802.15.4 және онымен байланысты ZigBee стандарты
болып табылады.
Қазіргі замандағы желілік телекоммуникациялық инфрақұрылымдарды
құрастыру және дамытудың негізгі технологтяларының бірі болып шағын
радиуста әсер ететін ZigBee құрылғыларын пайдалана отырып сымсыз рұқсат
алудың технологиялары болып саналады. Бір мезгілде өлшенетін
параметрлердің көп мөлшерін өңдеп жинау қажет облыстар ең перспективалы
облыстар болып табылады. Бұл облыстарға ZigBee технологиясын енгізу
әртүрлі шалғай құрылғылар мен қондырғылар арасындағы өзара әсер етуін
жеңілдетіп қана қоймай дәстүрлі сымды байланысты сымсыз байланысқа
ауыстыруға мүмкіндік береді.
Соңғы жылдары ғимараттың ішінде сымсыз байланысты пайдаланатын
желілер саны көбейді. Бірақта сигналдардың таралу жолындағы бөгеттерді
модельдеуде біршама қиындықтар туындайды, және де сигналдардың
көпсәулелі таралуымен көп мөлшердегі қайта шағылысумен байланысты.
Біріншіден таралуға қабырғалармен бөлмедегі заттар кері әсерін тигізеді.
Қабырғалар мен ағаштан, синтетикалық материалдардан, әйнектен жасалған
жабындар аздаған, кірпіштен және бетоннан жасалған тосқауылдар орташа,
темірбетоннан және фольгалық жылытқышы бар қабырғалар жоғары әсер етеді.
Метал қабырғалар мен жабындар байланыстың қашықтығына әсер теді, кей
жағдайда байланыстың жоғалып кетуі де мүмкін.
Екіншіден электромагниттік өрістің ғимарат ішіндегі (заттардан
бірнеше қайтара шағылысуы әсерінен)интерференциялық сипатты айқын
көрсетілген. Бұл құбылыс өрістің кернеулігі төмендеген кезде және толқын
13
поляризациясының жазықтығының өзгеруінде пайда болады. Ғимараттың көп
жерінде сигнал қабылдау қатты қиындыққа соғатын қатқылдықтармен (өлі
зоналармен) кездесуге болады. Мұндай жағдай тіпті қабылдауышпен таратқыш
бір-біріне тіке көріністе орналасса болуы мүмкін
Таралудың жолдарының ұзындығы, тақ санды жартылай толқындарға
эффективті бөлінген кезде, өлі зона пайда болады. Бірақта абсолютті өлі
зоналар айтарлықтай локальді және қабылдағышпен таратқыштың
антенналарының аздап орнын ауыстыру арқылы жоюға болады.
Бұл шара
сымсыз байланыс құрылғыларын ғимарат ішінде орналастыруды жоспарлаған
кезде өте қажет.
14
1 802.15.4 стандартындағы zigbee технологиясы
1.1 Zigbee желiсiн құрастыру өзектiлiгі
2001 жылы электротехника инженерлерінің институтына және IEEE
электроншларға сымсыз байланыстың WPAN желісінде жаңа стандарт
құрастыруын ұсынды және оған 802.15.4 деген ат берілсін деген. 2002 жылы
ZigBee альянсы құрылды. ZigBee одағы - коммерциялық емес өндірістік
консорциум жартылайөткізгіштер компоненттік рыногында, технологиялық
компанияларда, ОЕМ өндірушілері мен әлемдегі тұтынушылар арасында
компания лидерлер қатарына кіріп бой алды. ZigBee одағы ағымының
глобальдік специфекациясын жоғарғы үміттілік, рентабельдік, сымсыз
технологиясында энергия-экономиясы үшін IEEE 802.15.4 ақпараттық пакет
жіберуші механизмді қолдана отырып құрастырды.
Кез келген стандарт, сым арқылы ақпарат айырбастау интерфейсі немесе
сымсыз байланыс арқылы, өзінің айналасындағы тапсырмаларды шешу үшін
құрастырылған. Мысалыға, Wi-Fi, үлкен жылдамдыққа байланысты
ақпараттарды орташа қашықтықтарға жіберу; бейне және аудио ақпараттарды
жіберуге Wi-Fi сымсыз құрылғылардың корпаративтік желісіне және
Интернетке шығу рұқсаты үшін қолдануын хабарлаған. Bluetooth WiFi-ға
жылдамдығы жағынан ұтылады; ол үй кинотеатрының компоненттерінің
арасында бейне және аудио ағымдарын жіберуде ыңғайлы. Негізгі мақсаты,
ZigBee технологиясының көмегімен үлкен емес көлемдегі ақпараттарды орташа
қашықтықтарға жіберу. ZigBee технологиясының тағайындау ерекшелігі,
жіберіп қабылдайтын құрылғысы электротұтынуы аз мөлшерде болуы керек.
IEEE 802.15.4 және ZigBee сапалы ағымдағы аудио немесе анықтылығы жоғары
бейнені жіберуге болмайды, бірақ кез келген сферадағы басқарулар мен
мониторингінің күрделі схемаларын іске асыруға болады.
1.1 сурет - Сымсыз байланыс стандарттарының негізгі классификациясы
15
Одақтың негізгі мақсаты ZigBee-ң програмалық ағымдағы протоколдарын
бірыңғай спецификациясын өндіру, жұлдыз, кластерлі ағаш, көпұяшықты
желінің қауіпсіздік фукнциялары мен әртүрлі біріккен профильдарын, былай
айтқанда әртүрлі желідегі үлгіні қолдайды. ZigBee спецификациясы сымсыз
желідегі шешімдерді жүзеге асырып, глобальды стандартта бірыңғай негізін
салған, ақпаратты жіберу жылдамдығы 250 Кбитс, электротұтынуы аз,
ақпаратты қорғауды қамтамасыз етеді және жүйе сенімділігін қолдайды. Сайып
келгенде, ZigBee - бұл компанияның одағы, яғни, өңдеушілер 802.15.4.
стандартының деңгейлерінің үстінен қосымша желілі қабат бағдарламалық
қамтамасыз етуі қажет. Консорциумде қатысатын барлық белсенді мүшелері
ZigBee технологиясының барлық техникалық ақпараттарына толық құқығы бар
және ZigBee спецификациясына әсер ету мүмкіншіліктері бар. Ертеректе
ZigBee технологиясы радиоинтерфейстердің бос қалған қуысын құрылғыларды
және техникалық мінездемелері жоғарғы технологиямен қарызға алып
толтырды және оған сәйкес қымбат , немесе шешімнің , әртүрлі өндірушілердің
электрондық компоненттері жеке микросхемалардағы радиотрансиверде
базаланады, өз астында мықты стандартталған базасы жоқ.
Қарапайым тапсырмаларды шешу үшін немесе жеке протоколдарды құру
және ақпараттық ағымдарды персоналды сызсыз желілер үшін құру өндеушілер
амалсыздан көптеген шығындар жасауға мәжбүр болды, бұйымның ақырғы
құны мен дайын бұйымның рынокқа шығатын уақыты туралы білінді.
Нәтижесінде өнімге деген сұраныс пен рыноктың қызығушылығы жиі жоғала
бастады. ZigBee802.15.4 жалғыз стандартталған сымсыз байланыс
технологиясы болып табылады, басында мониторингінің келесі ұсыныстары
мен бақылауға көзделген болатын, кейін көрсеткіштердің белгіленген желілері,
азтұтыну жүйелеріне арналған сымсыз желілер жазылған күйде коммерциялық,
өндірістік және үй автоматикасында қолданыла бастады:
-
жарықтандырудың басқару жүйесі (өнеркәсіптер, муниципальдық
және үйлер үшін);
-
өндірістік, үй автоматикасы және басқару (жылыту, желдету және
ауаны тазарту, қосақы құрылғылар және жабдықтар);
-
тұтыну электроникасы (мультимедиякөңіл жадырататын жүйелер,
портативтік электроника), тұрмыстық техника (кір жуғыш машина, кофе
қайнатқыштар, салқындатқыштар, ауадағы сүзгілер және т.б.);
-
және т.б.)
-
дербес компьютерді жабдықтау (тышқан, клавиатура, джостиктар
дабыл және қауіпсіздік жүйелері, апаттық хабарлаулар, рұқсат
бақылау жүйелері, контактсыз кілттер, түтін, газ, қозғалыстар, жалынның,
температураның қысымның және т.б. көрсеткіштері;
-
емделушінің диагностикасын тексергенде қолданылатын дәрігерлік
құрылғы, спортшының қалөжағдай мониторингі, биодатчиктер;
16
-
шет басқарулар және технологиялық процестерді бақылау,
қозғалушы аппраттарды, станоктарды, өнеркәсіп жабдықтарын, тоңазытқыш
құрылғыларын басқару,, ақпараттарды дистанционды жинау;
-
логистика;
-
өнеркәсіптік
су-, газ-
және порттылардың активтерінің мониторингі,
және жылумен қамту жүйесінің мониторингі,
электроэнергиясын басқару және аспаптық бақылау жүйесі, тұрғын-
коммуналдық шаруашылық жүйе (ТКШ);
-
-
ақпарат алмасудың сымсыз құрылғысы, радиомодемдер, радиоберіліс;
автомобильдік электроника (шинадағы қысымды бақылау жүйесі,
айдап қашуға қарсылық жүйесі, идентификациялау және диагностика жүйесі)
және т.б.
ZigBee802.15.4-ң негізгі артықшылықтарының бірі болып орнатудың
оңайлығы және осындай құрылғыларға қызмет көрсете алуы саналады. Дербес
сымсыз жазу ZigBee спецификациясының ерекшелігі: сіз құрылғыны қораптан
аласыз, оған батареясын орнатып керекті пернесін басасыз. Содан кеін екі
құрылғыны пернені басқан күйдебір біріне жақындатып жасыл светодиот
жанғанша ұстайсыз. Осылайша екі құрылғының желіге қосылуы немесе тіркеу
жасалады, мысалы, жарық сондіргіштер арнайы лампаға. Бұл принципті
орындау ZigBee модульдерін жаңа аспаптарға және кішігірім ғимараттар (үй,
офис) жүйесіне, өнеркәсіпке ендіру ұсынылады (өнеркәсіптік зона, зауыттар).
1.2
WPAN желiлері және IEEE 802.15.4 стандарттары
Кең тарату бүгiнгi күнде сымсыз есептеуiш желiлерін құрастыруға
арналған стандарттардың келесi үш үй-iшiлерiн алды :
- IEEE 802.11 - Wireless Local Area Network (WLAN -- сымсыз жергілікті
есептеуіш желілері);
- IEEE 802.15 - Wireless Personal Area Network (WPAN -- сымсыз арнайы
есептеуіш желілері);
- IEEE 802.16 - Broadband Wireless Access (BWA -- сымсыз кең жолақты
рұқсат).
Бiздiң алдымызда тұрған мақсат сымсыз желiлердiң стандарттарының
әрбiреуіне толық талдаулар өткiзу болып табылмайды. Негiзгi бөлiмде WPAN-
желісіне, жеке алғанда - ZigBee желiсi және жаңа IEEE 802.15.4 стандартының
дербес сымсыз желiлерiнiң туыстарына көңіл бөлiнедi. Желілік стандарттардың
туыстары 802.11 және 802.16 тек салыстуда ғана қарастырылады.
Сымсыз дербес есептеуiш WPAN желiсi әдетте жергiлiктi жүйені әсердiң
аз радиус көлемінде ұсынылады, 15...20 метрден артық емес қашықтыққа және
дербес компьюлердiң арасындағы кабелдiк қосулардың алмастыруына
арналады, сонымен бiрге түрлi құрылымдар мен мультимедиа құрылымдарын
байланыстыруға арналған (ҚКП, принтерлер, факстер, сканерлер, жүйе және
17
тағы басқалар). Дегенмен кейбiр WPAN желiлерi - (ZigBee, Bluetooth) 100 м-ге
қашықтыққа дейiн жұмыс iстеуге қабiлеттi. IEEE 802.15.1 стандарты бiрiншi
болып есептiң мәлiметтерiн жүзеге асырылуға қабiлеттi болды. Стандарт
Bluetooth vl.x-ң спецификациясында негiзделедi және (MAC layer) ортаға
рұқсаттың деңгейін (PHY layer) және физикалық деңгейiн анықтайды. Келесi
адымдар 802.15стандартының
туыстарын кеңейту, 802.11 және 802.15
класстардың құрылымдарының өзара әрекеттесуін қамтамасыз ететiн
стандартты жасауы болды. Біраз уақыттан кейін WPAN желісіндегі
құрылымдардың жылдамдығы жеткіліксіз екендігі байқалды. Ондаған және
жүздеген Мбитс жылдамдығын өткiзу қабiлетi бар мәлiметтердiң сымсыз
каналын құруға мүмкiндiк беретiн стандарттың өндiруiндегi қажеттiк пайда
болды (IEEE 802.15.3). Аталған стандарттар жоғары (1-ден 200-ге Мбитс дейін)
жылдамдықпен (дауыс, мәлiметтер, видео) мәлiметтiң үлкен көлемдерiн
тартуда өте жақсы жіберуге жақын келеді. Олардың негiзiндегі құрылымдар
мәліметтерді 10-нан 100 м-ге дейінгі қашықтықта (батареялар және
аккумуляторлардан) оқшау режимінде жұмыс iстеуге қабiлетi бар. Бұл
стандарттар (компьютерлер, есептеуiш желiлер) күнде бiз iстеп жүрген
құрылымдардағы тораптық қосуларды алмастыруға мүмкiндiк бередi. Ұқсас
есептердi iске асыру үшiн шапшаңдығы төмен WPAN желiлер үшiн IEEE
802.15.4 (ZigBee) стандарты құрастырылған (1.2-суреттi қара).
Әсердiң қысқа радиустағы сымсыз желiлер өзара әрекеттесетiнi анық.
Әртүрлi сымсыз желiлердiң арасындағы шлюздың функция орындайтын
жабдықты жасауға жоспарланады. Егер қауiпсiздiк жүйесі ZigBee-ге
орналастырылған болса, қаскүнемді табу үшін, ол компьютерге хабарлау үшін
IEEE 802.11 желiсiмен жалғанады, ол өз кезегінде SMS арқылы қожайынның
ұялы телефонына жетеді немесее қауіпсіздік қызметіне қоңырау шалады. 802.15
стандарт туыстары және 802.11b стандарттарының салыстырмалы
мiнездемелерi 1.1-кестеде келтiрiлген.
18
1.1 к е с т е - 802.15 стандарт туыстары және 802.11b стандарттарының
салыстырмалы мiнездемелерi
Bluetooth және ZigBee технологиялары келтiрiлген мiнездемелерге
сүйенетін болсақ олардың ең жақын бәсекелестер екендігіне көз жеткізуге
болады. Сәйкесiнше шамамен үй және өнеркәсiптiк тағайындауында сымсыз
құрылымдар, қашықтықтан басқару жүйесі, компъютер құрылғысы және тағы
басқаларды қоса алғанда олардың қолданылатын облыстары ұқсас. Bluetooth
технологиясына қарағанда, ZigBee технологиясының айырмашылығы, оның
талаптарының бiрi энергиятұтынуы төмен қосымшалар үшiн жасалған.
Құрылымдардың белсендiлік мерзiмі ZigBee технологиясы бойынша iстелiнген
батареялардың ұзақ қызмет мерзiмiн қамтамасыз ету өте аз мөлшерде бола
алады. Wi-Fi және Bluetoothнiң микросхемалары кәсiпорындар және кеңсе
ғимараттарының масштабтарындағы iрi желiдегі түрлi құрылымдардың
негiзiнде ұйымдартыруға өте қымбат, 802.15.4ZigBee стандарты ең төменгi
шығындары бар сымсыз интерфейстер, сыртқы енжар элементтердiң ең төменгi
саны схемотехниканың оңайлығымен қамтамасыз етiлген, оған апарылған биiк
тиiмдiлiгi бар жадының көлемiн қолданана отырып ағымның программалық
қамтамасыз етуiмен өндеуге мүмкiндiк бередi (1.1-кестенi қара). Стандарт көп
ұяшықты топологиясы бар желiні құруға мүмкiндiк бередi, солай келе керемет
үлкен түйiндердiң сана қызмет көрсетеді және қуаттың күшейткiштерiндегі
байланыс қашықтығын қосымша шығындарсыз үлкейтеді.
ZigBee технологиясы Wi-Fi немесе Bluetooth сияқты мәлiметтiң үлкен
көлемдерiн таратуға арналмаған. Мысалы, энергиятұтынуы, бағасы және
сенiмдiлiгі бойынша биiк көрсеткiштер керек жағдайда, датчиктер
19 Стандарт
802.15.4 Zigbee
802.15.1
Bluetooth
802.11b Wi-Fi
Қосымша
Мониторинг, басқару
Дауыс,
мәліметтер
Мәліметтер,
бейне
Жиілік, ГГц
0.868
0.915
2.4
Артықшылықтары
Баға,энергияның
сақталуы, көлемі
Баға, дауыс
жіберу
Жылдамдық,
иілгіштік
Макс.жылдамдық
20
кбитс
40
кбитс
50
кбитс
1
мбитс
11
мбитс
Қашықтық, м
10-100, 1000
100
100
Сезімділік, дБм
(орташа).
-92
70
-76
Ағымның көлемі,
кБайт
4-32
250
1000
Қызмет жасау
уақыты, (батарея)
күн
100-1000
1-7
0,5-1
көрсетулерiнің көлемi он байттан сирек асатын мәліметтерге жоғарғы
жылдамдықтың қажеті жоқ. ZigBee құрылымдарының көпшiлiгi келесi
алгоритм бойынша жұмыс iстейдi : құрылым уақыт түгелдей дерлiктi ұйықтап
жатқан күйде қуат жинағының ұтымды тәртiбi қамтамасыз етеді. Жаңа
мәлiметтер немесе құрылымның кезектi байланыс сеансының уақытында iске
қосылады, мәлiметтер жылдам беріледі және төмендетiлген энергиятұтыну
тәртiбіне қайтадан өтедi. Сонымен бiрге бiр үлгiдегi уақытша тоқтаулар каналға
рұқсатқа алуға 15 мс, ұйықтап жатқан күйден белсендi өткелге өту 15 мс,
желiге жаңа құрылымның қосуға кеткен уақыт 30 мс-тi құрайды. Осылайша
батареялардың қызмет мерзiмiн 10 жылға дейiн созуға болады және ол
қосымшаның түрiне жұмыс циклының ұзақтығына байланысты, берілетін ток
мөлшері 15...30 мА құрауы мүмкін, ал ұйықтап жатқан күйде - 2 мА кем
болады. Нәтижеде, үн қосу бойынша тоқтаулар соншама аз, адам бөлмеге кiрiп
және ZigBee сымсыз байланысының қосқышын қосқан кезде жарық лезде пайда
болғанын тiптi байқамай калады. Бұл кезде Bluetooth желісіне қосылу уақыты 3
с құрайды.
Сымсыз жылдамдығы төмен дербес желiлер (WPAN) үшiн IEEE 802.15.4
стандарты MAC-ң ортасына рұқсат деңгейін және PHY-ң физикалық деңгейiн
анықтайды. PHY деңгейі радиосигналдың таратуын физикалық ортаға рұқсатты
қамтамасыз етедi: модуляцияның түрiн, жылдамдықты және басқа
параметрлерге тапсырыс беріледi, қабылдау және таратуды тiкелей жүзеге
асырады. MAC деңгейі құрылымдардың желiсiнен қосымша және
қорытындысын жүзеге асырады, мәліметтер топтамаларының жеткiзуiн
тексередi, мәлiметтердiң (есесiн қайтару) автоматты қабылдауды растауын
қамтамасыз етедi, рұқсат беру тетiктерiн тарату каналына жүзеге асырады, 128-
биттiк AES шифрлауды және тағы басқа функцияларды қолдайды. ZigBee
ағымының спецификациясы қосымшаға желілік деңгейді, қауiпсiздiк және
рұқсат алу деңгейлерiн анықтайды және 802.15.4 стандартының базасында
шешiмдермен бiрлесiп талқылауды қолдана отырып үйлесiмдi құрылымдарды
қамтамасыз етеді. PHY деңгейiнің кілтік функциясы энергияны бақылаудан
және байланыстың сапасынан және каналдарды талдаудан тұрады. Ортаға
рұқсат алу ISM (Industrial, Scientific and Medical) жиiлiк ауқымдары iске асады,
физикалық деңгейі 868915 МГц жиiлiктегi екiлiк фазалық манипуляциясын
(BPSK) және 2, 4 ГГЦтi жиiлiкте жылжуы бар квадраттық фазалық
манипуляциясын (O-OPSK) қолданады. Каналға рұқсат үшін сақтап қалуы мен
бақылауы бар көптiк рұқсатының тетiгiн және (CSMA-CA) коллизияны құрту
үшін қолданылады. Негiзделген тетiк таратуды бастаудың алдында байланыс
каналының күйiн анықтау, соқтығысуларды (бiрақ шеттетпеу) қысқартуға
айтарлықтай мүмкiндiк бередi, мәлiметтер бiр уақытта бiрнеше құрылымдармен
таратырылады. 802.15.4 стандартының CSMA-CA әдiсi тек қана коллизияны
анықтауға емес оларды жоюға мүмкiндiк береді (құрылым тарата алады немесе
мәлiметтер қабылдай алады), жартылай дуплекстi мәліметтерді таратудан
тұрады. Сигналдың тарату қашықтығы әдетте 30 ... .50 м-дi құрайды, дегенмен
20
қуат
күшейткiштері, шуыл күшейткіштері және үйлесiмдi антеннасы
қашықтығы 100 м-та жылдамдықтың сапасын жоғалпайды. Өткiзу қабiлетiліңгі
таңдаулы жиiлiгіне тiкелей тәуелдi болады. Максимал тарату жылдамдығы 250
Кбитс тең, (5 мгцтiң адымы бар 16 каналдары) 2, 4 ГГц аралығында жұмыс
істейді. Сәйкесiнше 868 МГц (1 канал) және 902-928 МГц жиiлiктерi үшiн
сәйкесiнше 20 Кбитс және 40 Кбитс тарату жылдамдығына тең (2 МГц-ң
адымында 10 канал бар).
ZigBee802.15.4-ң сымсыз құрылымдары рыноктың көп мөлшерін 2, 4
ГГц диапазонның шешiмдерi ұстап қалуға тырысады. Бұл алдыменмен мынаған
байланысты, Еуропада 868,3 МГц жиілігінде тек қана жалғыз каналға қол
жетеді, 915 МГц жиілігі тек қана АҚШ-та, Канадада, Кореяда және
Австралияда рұқсат етiлген. Нәтижесінде субгиггерцтік диапазондар OEM
өндірушілеріне потенциалды сүйкiмсiз болып табылады, бұл уақытта - 2, 4 ГГЦ
диапазоны бүкiл әлемденiң қолдануға рұқсат етiлген және келешек
құрылымдардың мiнездемелерiнiң анықтауында жүзеге асырылады. Дегенмен
келешекте коммерциялық тағайындау жүйелерiнде 802.15.4 стандартының әр
түрлi жиiлiктегі құрылымдарымен ZigBee құрылымын байланыстыру үшін,
шлюздердiң пайда болуы мүмкiн. InStatMDR агенттіктің мәліметтері бойынша
бес жыл ішінде 2004 жылдан бастап, тұтынудың көлемдерiнiң байланысында
субгигагерцтегі және 802.15.4 стандартының 2,4 ГГц-тегі трансиверлердің
қандайда бір түбегейлi өзгерiстері байқалмайды. 2,4
ГГц-тегі
микросхемалардың көлемi ZigBee802.15.4 құрылымдарының ортақ
нарығындағы 65...75% құрайды. 2,4 ГГц диапазонының бiршама кемшiлiктерi,
әр түрлi тектегі абоненттердің спектрiнде кейбiр толықтықты санауға болады
(Bluetooth құрылымы, 802.11b және 2, 4 ГГц жиiлiктерiндегi микротолқынды
пештер, сымсыз телефондар). Субгигагерц диапазондарын 2,4 ГГц
диапазонымен салыстырғанда артықшылығы кiшiрек толықтықта және басқа
тең шарттарда
мәліметтерді тарату кезінде қашықтықтың бiрнеше
зорайтылғаны болып табылады. Еуропадағы 868,3 МГц диапазоны таралған,
жақында дамытудағы қосымша мүдде алуы мүмкін, OEM өндiрушiлері
жағынан қызығушылық түсуі мүмкін. Еуропадағы стандарттар институты
(ETSI) телекоммуникациялар бойынша берілген диапазонда қосымша
каналдарды қолдану үшін рұқсат алу процессінде жүр, дегенмен процесс көп
жылдарға ұзап кете алады.
Аз қашықтықтағы байланыс үшін арналған датчиктердiң жиынына,
микроконтроллерге және радиожиiлiктік қабылдағыш-таратқышқа ие болатын
(немесе басқа мәлiметтер көзі), әрекеттiң аз радиусында істейтін сымсыз
желiлер (WPAN-Wireless Personal Area Network), құрылымдардың кеңiстiгінде
таралған жиыннан тұратын сымсыз жүйелерiнiң жаңа класы болып табылады.
Көптеген WPAN желілердің негiзгi міндеттеріне - өздiгiнен ұйымдасу
және эксплуатация шартарының өзгерістіріне бейiмделгiш болып келеді.
Сондықтан, орнату үшін керекті заттарды күшейту қажет: күйге келтіру және
ары қарай пайдалану және ұқсас желiні бақылап отыруы үшiн талап ететiн
21
күштер минималды. Бұдан басқа, түйiндердегі хабарлауларды
ретрансляциялайтын қабiлеттiлiгi бар, (бөгеттер немесе бөгеуiлдер, физикалық
бұзылу және тағы басқалардың пайда болуы) әр түрлi себептер бойынша жеке
түйiндердiң орнықтылығын және таратушының аз қуатының көмегімен
жүйенiң жамылғысын түбегейлi ауданын қамтамасыз етедi. Түйiндер сонымен
бiрге мәлiметтердiң жеткiзуiнiң ұтымды маршруттарын өз алдына анықтайды
және олар желiнiң топологиясы өзгергенде түзетедi.
Сымсыз түйiннiң аппаратты қамтамасыз етуi және iшiнде торлық өзара
әрекеттесудiң хаттамалары жүйенiң пайдалануын ұзақ мерзiмнiң қамтамасыз
етуге арналған энергия тұтынуы бойынша автономды көз қоректенуiнiң
қолдануында оптимизациялаған. Режимге байланысты, сымсыз желiнiң
түйiнiнiң жұмыс уақыты бiрнеше жылдарға жете алады.
WPAN желiсінің артықшылықтары - таралған жиынмен, талдаумен және
мәлiметтiң берiлуiмен сабақтас қолданбалы есептердiң кең шеңбердегі шешiмді
тиiмдi қолдана алады :
-
микроклиматты сүйемелдеуге арналған жабдықпен, температура
мониторингімен, ауаның шығынымен, адамдардың қатысуын барлау және
басқару т.б.;
- жарықпен басқару т.б.;
-
-
энергия жабдықтауымен басқару т.б.;
пәтердегі газ, су, электр энергиясының т.б. жиыныдардың
есептеуiштерiнiң көрсетулерi;
- өрт хабарлағышы.
1.3
Желiні құрастыру және оның жұмыс принципі
ZigBee ағыны әр түрлi желiнiң кескiндерiн қолдайды, соның iшiнде келесі
топологиялар: нүкте-нүкте, жұлдыз, кластер ағашы (иерархиялық) және
(1.5-шi сурет қара) көп ұяшықты желi. Ағынның желілік фукнциялары
белсенді каналдарды табу үшін желіні сканерлейді, белсенді каналдар арқылы
құрылғыны идентификациялайды, iске қосылмаған каналдарға желi құрастыру
және дербес сымсыз желілердің аймағында берілген желілерді біріктіреді,
құрылымдардың нақтылы профильлерiне сәйкес қолдалатын сервистерiн
айырып тануы, маршрутизацияны қазiргi желiмен бiрiктiру болып табылады.
Бұл құрылымдарға желiге автоматты кiрiп және олардың iшiнен шығуға
мүмкiндiк бередi, әрбiр түйiнге бiрнеше маршруттардың бар болуын арқасында
бiр нүктедегi жағымсыз зардаптарын шығарады.
22
1.3 сурет - Желiнiң топологиясының варианттары
Типке байланысты, әрбiр құрылымда нақтылы желілік функциялары
болады :
- координатор желiнi сканерлейді және желi жасауға арналған еркiн
каналдарды анықтайды;
-
егер белсендi каналдар жоқ болса немесе белсендi желiмен бiрiктiру
болмаса, (FFD) жол көрсетушi желiнi сканерлейді, белсендi каналдар табады
және қазiргi желiнiң құрамына енуге тырысады немесе координатордың
құқықтарында меншiктi дербес желiнi құрады. Егер бiрiктiрілген болса,
тұстасқан жергiлiктi жүйенi координатордың қазiргi желiсiне енiп, ережелерге
сәйкес жол көрсетушiнiң лауазымына жiберiледi және қазiргi желiнiң
координаторына жергiлiктi жүйе туралы барлық мәлiметтi алып бередi.
Жаңадан пайда болған жол көрсетушiнiң координаторынан синхронизацияның
сигналдық пакеттен келесi сигналдық пакеттердiң табылуға арналған желiнiң
уақытша параметрлерi туралы қажеттi мәлiметтi алады;
- RFD шеткi құрылымы бар желiге кiруге әрдайым тырысады.
Кластерлік ағаш топологиясы желiнi масштабтауын және аймақтық
жамылғынының кеңейтуiн, инфрақұрылымға қосымша шығындарды талап
етпей қамтамасыз етедi. Кластерлік ағаш түрiнiң желiсi бiрнеше қосымша
егулерден тұратын жұлдыз топологиясын және шектелген (RFD) функциялары
бар құрылымдарды өз құрамына қосады. ZigBee технологиясы жұлдыз және
кластерлік ағаш топологияларынан басқа тысқары желiлердiң құрастыруға
арналған көп ұяшықты қағиданы қолдайды. Мұндай топологиялардың
арқасында кез келген желілік түйiн желiдегi басқа құрылымдар үшiн жол
көрсетушiнiң функцияларын орындай алады. Егер (бетон немесе металлдық
бөгет тағы сол сияқтылар) бiр түйiннен келесі бір түйінге өткен кезде
сигналдың жолында бөгеуiл пайда болса, адресатқа деректердi беруге арналған
талғаулы маршрут сайланады. Неғұрлым желілік түйiндердің концентрациясы
тығызырақ шоғырланса қорғанылған, сенiмдi жүйеге алып келедi. Егер
23
түйiндер бiруі істен шықса, маршрут желiнiң басқа түйiндерi арқылы автоматты
түрде анықталады, нәтижесінде желi өз бетімен қалыптасады. Дегенмен
Автономды көп ұяшықты желiлерде қоректену көзінің қызмет мерзiмi азаяды,
синхрондалған рұқсаттың әдiсiнiң арқасында тарату кезінде каналдарды
анықтаудың күрделiлiгі үлкеедi және желілік түйiндермен мәліметтер
тасымалдау кезінде (миллисекундалардың ондығы) тоқтаулар болады.
Көп ұяшықты желiнiң барлық түйiндерi басқа түйiндерді табуға қабiлеттi
және бiрін-бiрi айырып тану кезінде пакеттердiң берiлуiнің ұтымды жолын,
айырбастың максимал жылдамдығын, қателердiң пайда болуын жиiлiктi және
тосу уақытын есептейді. Өлшеулi мәндер көршi түйiндерге берiледi, трафиктiң
берiлуiнің ұтымды жолы қолданылған сигналдардың қуатына сүйене
сайланады. Түйiндердiң табылуының процесстерi және жолдың таңдаулар
үнемi жүредi, сондықтан әрбiр түйiн көршiлердiң ағымдағы тiзiмiн қолдайды
және ең жақсы маршрут олардың орналасу өзгерiстерін жылдам есептей алады.
Егер қандай да бір түйiн (техникалық қызмет көрсету немесе басқа салдардан)
желiден шығарылған болса, көршi түйiндер өз кестелерiнiң кескiндерiн жылдам
өзгертеді және трафиктiң ағындарының маршруттарын қайтадан анықтайды.
Бұл өз қалпына келу және істен шығуды жеңу қасиеттері қатаң архитектурасы
бар желiні ұяшықты топологиясы бар желiден айтарлықтай айырады.
Деректердi берудiң транзакцияларының үш түрi бар болады. Солардың
бiрлерi торлық құрылым мәлiметтi алып берген координаторға деректердi
берумен кездесiп отыр. Екiншi транзакция торлық құрылымға координатордан
мәлiмет жiберумен байланған. Транзакциялардың үшiншi түрiне торлық
құрылымдардың арасындағы мәлiмет алмасу тiкелей жатады. Жұлдыз
топологияларда координатормен және торлық құрылымның аралығында болуы
мүмкiн ақпараттық айырбас тек қана екi транзакция, өйткенi тек қана
қолданылады. P2P топологияларда транзакциялардың барлық үш түрлерiнiң
iске асыруы болуы мүмкiн.
Айырбастардың әрбiр түрiнiң тетiгi шамшырақтардың берiлуiн желiнi
қолдайды ма, сонымен тәуелдi болады. Қолдауы бар PAN шамшырақтардың
желiлерi немесе синхронизациялар талап ететiн желiлердегiнi қолданылады,
немесе PCтың шеттегiсi үн қосуды аз тоқтау, сондай талап ететiн торлық
құрылымдарды қолдайды. Егер желi синхронизацияда немесе аз тоқтаулар
қажетсiнбесе, ол үйреншiктi айырбастарға арналған кадрлар қолданбауы
мүмкiн. Кез келген жағдайдадағы шамшырақтары дегенмен желiнiң қалпына
келтiруiне керек.
Торлық құрылым қашан кадрлардың қолдауы бар PAN-ң желiсiндегi
координаторына мәлiметтер тапсырғысы келедi, ол beacon кадрын
детекторлауға бастапқыда тырысады. Шамшырақ қашан бiлдiрген, құрылымды
супер кадрдың құрылымымен синхронизацияланады. Тиiстi уақыт, құрылымға
өз ақпараттық кадры, координаторға CSMA-CA-ң домен алгоритмы қолдана
алып бередi. Координатор опцион растауды кадрдың жiберуi табысты жеткiзудi
жолымен растай алады.
24
1.4 сурет - beacon шамшырақтарын қолдану арқылы PAN координа-
торына деректердi тасымалдау
Торлық құрылым қашан шамшырақтардың жалғызiлiктiнi PAN-ң
желiсiндегi мәлiметтерi тапсырғысы келедi, ол координаторға ақпараттық
кадрды CSMA-CA-ң домен схемасысыз қолдана жай ғана жiбередi.
Координатор опцион растауды кадрдың жiберуiнiң мәлiметтерiнiң табысты
жеткiзуiн растайды. Операциялар тiзбек осысы 1.5-сурет суреттеген.
1.5 сурет - PAN-ға координаторы бар коммуникациясы таңбаларсыз
Қашан координатор PAN шамшырақтардың қолдауымен желiдегi торлық
құрылымына мәлiметтер тапсырғысы келгенiн, неткен мәлiметтер жiберулердi
күтетiнiн ол торлық шамшырақ бойынша анықтайды. Құрылым қатынастың
жiберу күтетiн beacon-нің торлық шамшырақтарын мерзiмдi тыңдайды, және
егер болады мәлiметтердiң сұрау салуын Мас, CSMA-CA-ң домен тетiгiнiң
қолдануымен берiледi. (ACK) тиiстi кадрдың көмегiменiн мәлiметтердiң сұрау
салуын алуды раста координатор. Егер болуы мүмкiн, мәлiметтердiң кадры
күтетiн жiберулер CSMA-CA-ң домен тетiгiнiң қолдануымен жөнелтедi, онда
растау iлесе . Құрылым растауды кадрдың жiберуi мәлiметтердiң табысты алуы
жолымен растай алады. Транзакция бұлған бiтедi. Қатынас транзакциялар
табысты аяқтауда шамшырақта жазып алған күтетiн жiберулердi тiзiмнен
бошалайды. Суреттеп айтылған әсерлердiң тiзбегi 1.6-суретте көрсетілген.
25
1.6 сурет - PANны желiлердi деректердi беруi коммуникаторға маяк қол-
данушы
Координатор қашан шамшырақтардың жалғызiлiктiнi PAN-ң желiсiндегi
торлық құрылымы, ол мәлiметтер тапсырғысы келедi тиiстi құрылымға
арналған мәлiметтердi есте сақтайды және мәлiметтердiң сұрау салуын
орындайды. Торлық құрылым MAC-ң жiберуi координатормен байланысу
жолымен тетiк домен CSMA-CA-лерiнсiз қолдана отырып орната алады -
мәлiметтердiң сұрау салуды командасы, айырбастың жылдамдықпенi, тап
қалған қосымшамен. Координатор растауды 2~кадры арқылыны ақпараттық
сұрау салуды табысты алуды растайды. Егер ақпараттық кадр жiберуге қараса,
координатор мәлiметтердiң кадрын құрылымға CSMA-CA-ң домен тетiгiсiз
қолдана жiбередi. Егер мәлiметтердiң кадры, күтетiн жiберулер жоқ болса,
координатор бұл айғақ немесе мәлiметтердiң растауды пакет, келесi сұрау
салуына, немесе мәлiмет өрiсiнiң нөлдiк ұзындығы бар ақпараттық кадрында
бекiтедi. Егер керек болса, құрылым мәлiметтердiң кадрының табысты алуын
растайды. Осы схемаға арналған әсерлердiң тiзбегi 1.7- суреттелген.
1.7 сурет - координатордан PANның желiге телекоммуникация шамшы-
рақтарсыз
26
Қосудың сенiмдiлiгi CSMA-CA-ң хаттамасының қолдануының арқасында
жоғарылайды. Нүкте немесе жұлдыз-нүкте түрдiң қолданылатын тек қана
Қосуларына көптiк рұқсатының бос тұруын стратегия. Ол барлық емес
қосымшаларға жақындайды. Жағымсыз өзара әрекеттесудiң сақтап қалулары
үшiн қолдану болуы мүмкiн Жағымсыз өзара әрекеттесудiң сақтап қалулары
үшiн (TDMA) уақытша бөлiнуi бар көптiк рұқсаттың қолдану хаттамалары
болуы мүмкiн. ZigBee802.15.4 технология ұқсас TDMA-ң технологиясымен
қағида бойынша уақыт аралықтарына кепiлдiк бередi, бiрақ бөлiнудiң қолдану
мәлiметтерi синхронизация және кәдiмгi TDMA-лер салыстырғанда күрделiрек
және кем энергия тиiмдi алгоритм болып табылған уақытша бөлiнудiң тәртiбi,
рұқсатпен тек қана бiрлесiп талқылау болуы мүмкiн. Iшiнде жергiлiктi торлық
ұяшықтың құрылымдарына не бiлуге мүмкiндiк бергенiн, неткен уақыт
деректердi берудi жүзеге асырылатынын ZigBee-ң уақытша бөлiнуi уақытының
ұйықтап жатқан күй болатын көбiнеселерi
қол астындағы торлық
құрылымдардың жанында торлық координатордан синхронизацияның
сигналының қабылдауларына мерзiмдi төгiлетiн синхронизацияның тәртiбiнiң
қолдануында негiзделедi. Координатор каналдарды айырбаспен басқарып,
ерекшелейдi және 15 мс интервалмен шақырулары 252-ге жүзеге асырады.
Сигналдық пакеттердiң берiлуi өткiзу қабiлетiн анықтайды, әрбiрiне желiдегi
қайшылығы шығарған бiрдей ұзақтықтың 16 уақыт аралықтарының рұқсаттың
кезегiнiң күтуiн бiтегене және ерекшелеуiн қамтамасыз етедi.
1.8 сурет - ZigBee желiсiне синхронизацияланылған рұқсат
Желiнiң түйiндерiнiң әрбiрi үшiн рұқсаттың уақыт аралығымен CSMA-
CA-ң тетiгi координатормен, немесе арқылы да анықталады. Қажеттi
автономды қоректену көзiнен жұмыс iстегендеге торлық координатордың
энергия сақта тәртiптерiнiң iске асыруына орнатыла интервалдар.
Синхронизацияның сигналының күту күйi д кемшiлiк құрылым сигнал өткiзбеу
үшiн ертерек аздап төгiлдiре алатын ептеген уақытша айырмашылықтардың
бар болуы артынан энергия тұтынуды болмашы үлкеюге алып келедi.
Синхронизацияланылған рұқсаттың функциясы кластер ағашы және көп
ұяшықты желi ұлғаймалы топологиясы бар желiлер, сондайға қолданылады.
27
2 ZigBee сымсыз желісін деректерді жинау және жіберу жүйесінде
қолдану кезіндегі қиындықтар
2.1 Шынайы жағдайдағы радиосигналдардың таралуы
2,4-2,5 ГГц жиіліктерде электромагнитттік толқындардың таралуының
ерекшелігі болып интерференция, дифракция, шағылысу, сыну және шашылу
болып табылады. Осының нәтижесінде қабылдау нүктесінде толқын, әралуан
фазалы және толқындық векторының бағыты әралуан
толқындардың
суерпозициясы болып табылады. Толқындарды қосу конструктивті (сигнал
қабылдау нүктесінде күшті болғанда ) немесе деструктивті (сигнал әлсіреген
кезде- қатқыл эффектісі)интерференцияға әкеледі.
1) Шағылысу: бұл құбылыс электромагнитік толқын кез-келген бір
өлшемі толқын ұзындығына қарағанда үлкен болатын объектіге тірелген кезде
пайда болады. Бұл кезде сигнал қуаты қабырға типтес бөгеттен өткен кезде
әлсіреп, шағылысқан толқынды мүлдем басқа жолмен таратып жібере алады.
2) Дифракция: бұл құбылыс электромагниттік толқын тегіс емес сипатты
қисықтық радиус толқын ұзындығынан әлдеқайда аз болатын бетпен кездескен
кезде пайда болатын құбылыс. Бұл құбылыс толқынның бұрыштармен
шығыстарды айнала қозғалуына әкелуі мүмкін. Бұл эффект ғимарат ішіндегі
жағдайда өте пайдалы, себебі сигнал басқа жол арқылы өте алады.
3) Шашылу: электромагниттік толқынның жолында өлшемі жағынан
толқын ұзындығынан кіші болатын объектімен кездескен кезде болатын
құбылыс. Нәтижесінде сигнал шашырап, шағылысу эффектісіне тән шашыраған
сигнал әртүрлі жолмен қозғалатын эффект пайда болады. (Мысалға жапырақты
ағаштар).
4) Рефракция (сыну): электромагниттік сигнал сыну көрсеткіші бір
нүктеден екінші нүктеге баппен өзгеретін ортада таралған кезде болады;
көптеген жағдайда әртүрлі сыну көрсеткіші бар біртекті орталардың бөліну
шекарасындағы сәуле бағытының күрт өзгеруі сыну деп аталады. Сигнал
ауалы немесе сулы ортадан, ғимарат қабырғаларынан, әртүрлі бөгеттерден
өткен кезде сынады.
5) Доплер эффектісі, қозғалмалы объекттің орын ауыстыруында өз әсерін
тигізеді. Бұл эффекттер бір сигналдың көптік таралуына әкеледі, нәтижесінде
біз көпсәулелі эффект аламыз.
Деструктивті интерференциядан кейін бірнеше кері әсер пайда болады.
Біріншіден, қабылдау нүктесінде сигнал сезгіштіктің төменгі шегінен аз болуы
мүмкін, соның салдарынан байланыс жоғалуы мүмкін. Екіншіден қозғалмалы
қорек көзінен немесе қабылдағыштан қабылдау нүктесінде, әлсіз немесе күшті
сигналдың ауысуы, бірнеше бит ақпараттың жоғалуына немесе жіберу
жылдамдығының, кадрларды қателікпен қайтадан жіберуі салдарынан азаюына
әкелуі мүмкін. Үшіншіден толқындардың кешігу уақытының айырымы әртүрлі
28
жолмен жүрген символдың ұзақтығынан асып кетсе, хабарламалардағы көрші
символдар бір-бірінің үстіне қосылып, символаралық инерференция эффектісін
тудыруы мүмкін.
Радиотолқынның қуаты антеннадан қашықтаған сайын төмендейді. Қорек
көзінен қандайда біриқашықтыықта толқын қуатының тығыздығы Р(d) келесі
тәуелділікпен суреттеледі:
P(d) Pt(d0d)γ,
(2.1)
мұндағы d0 - деректерді жіберудің әрбір сымсыз протоколына тәжірибе
жүзінде анықталатын тұрақты;
γ= 2...6 параметрі антеннаның конструкциясына, жиіліктер
диапазонына, электромагниттік толқынның таралу жолындағы бөгеттерге
тәуелді.
Сымсыз желі құрылғыларында сфера түрінде болатын сенімді түрде
қабылдаудың шектелген зонасы болады. Егер станция сенімсіз қабылдау
қашықтығында орналасса, онда қоршаған ортаның аздаған өзгерісінен
хабарламалар жоғалып немесе жіберу жылдамдығы төмендеуі мүмкін.
Деректерді жіберу кезінде жіберіліп отырған сигналдың бүлінуінің басқа
салдары пайда болуы мүмкін: көрші каналдардың паразитті өзараәсері, доплер
эффектісі, статикалық электрдің разрядтары, жоғарывольтті(жоғарытоқты)
қондырғылардың жұмысы. Осылардың бәрі деректер пакеттерінің жойылуына,
қайтадан жіберуге жәнеде нәтижесінде деректерді жіберу каналындағы
кешігуге әкеп соғуы мүмкін. Қателіктер ағынының интенсивтілігі бөгеттер
көздерінің қуатына, модуляцияның типіне және таратқыштың қуатына тәуелді.
Деректерді жіберу каналындағы бөгеттің себеп-салдары болып тек деректердің
жоғалуы немесе жіберу жылдамдығының төмендеуі болып қана қоймай,
кеңістіктік қарама-қайшылық мәселесі болуыда мүмкін. Айтылып отырған
мәселеде, жүйеде қабылдау жайында хабарсыз жіберудің кеңбаяндамалық
режимі пайдаланылады, яғни барлық қабылдағыштар біруақытта барлығы
бірдей хабарлама алуға міндетті. Бірақта қателіктің кесірінен каналда
тұтынушылар қате деректерді алуы мүмкін. Егер айтылып отырған режим
бірнеше контроллерлердің бір технологиялық процесте синхонды жұмыс істеуі
үшін қолданылса, нәтижесінде қате деректерді алудан процестің
рассинхронизациясы болуы мүмкін, сондықтан қателік болмағаны жөн.
Сымсыз құрылғылар сигналды бір канал арқылы жіберіп қабылдай
алмайды. Қашықтықтан сәулелену қуатының тығыздығының тез төмендеуі
кесірінен. Өзіндік таратқыштың сигналы қабылдағыштыкінен анағұрлым
жоғары болып, оны басып тастайды. Сымсыз желілер байланысында
құрылғылар деректерді жіберу каналын, пайдалы хабарлама жіберу кезінде
тыңдай алмайды. Сондықтан коллизияны байқауға негізделген, желіге рұқсат
алу әдістерін қолдану мүмкін емес. Өзіндік таратқыш істемей тұрғанның өзінде
өзге тасымалдаушы станцияны аңғаруда қиындықтар туындайды.
29
IEE802.11 стандартында жасырылған түйін мәселесін RTS (Request to
Send) жіберуге рұқсат сұрау және бос СTS (Clear to Send) жауап алу арқылы
шешу ұсынылды. Станция деректерді жіберу сеансын RTS- ті жіберуге рұқсат
сұрау арқылы бастайды, албасқа станция бос CTS жауабын жібереді, өзіне
арналмаған RTS немесе CTS пакетін қабылдап алған кез-келген басқа станция,
күту жағдайында қалады. Бұл әдістің ең басты кемшілігі, рұқсат сұрау мен
жауап алу сигналдары құрылғылардың арасындағы деректер алмасуының
жылдамдығын нашарлатады, себебі деректер пакеттерінің көлемдері рұқсат
сұрау мен жауап алусигналдарымен салыстырмалы.
Жоғарыда айтылғанның бәрі сымсыз каналдар рұқсат алу әдісін
CSMACD типті каналға қолдана алмайтынын дәлелдейді. CSMACА (Carrier
Sense Multiple Access with Collision Avoidance) көптік рұқсатты бақыланатын
және коллизияны тоқтататын әдіс қолданылады. Айтылып отырған әдісте
коллизияның болмайды, себебі қабылдағыш әрқашан өзінің таратқышының
ссгналымен басылып қалатындығынан, коллизияның пайда болу мүмкіндігін
төмендету шаралары жүргізіледі.
CSMACА әдісінде байланыс каналын резервуарлау сигналдары
қолданылады, нәтижесінде коллизия ұзақ деректер пакеттерінің арасында емес,
қысқа резервуарлау сигналдарының арасында пайда болады. Жіберуді
бастайың деп жатқан станция желінің барлық қатысушыларына осы коллизия
жайлы хабарлайды, белгілі бір уақытрезервуарланады, тек барлық станциялар
резервуарлау сигналын қабылдағаннан кейін ғана деректерді жіберу басталады.
Қосымша ретінде канал босатылғаннан кейін коллизияның пайда болу
мүмкіндігін төмендету үшін кездейсоқ кешігу қолданылады.
Автоматизация жүйелерінің желілерінде сымсыз желілер сымды
желілерге қарағанда келесі артықшылықтарға қол жеткізуге мүмкіндік
тудырады:
а) датчиктерді орнатуға кететін шығындарды азайтуға;
б) кабельдерге профилактикалық жұмыстарды жүргізу қажеттілігі
туындамайды;
в)
кабельдерді тармақтарға бөлу үшін қымбат қондырғыларды
пайдаланудың қажеті жоқ;
г) жүйені жөндеуге, күту жұмыстарына деген шығындарды және кететін
уақыттың мөлшерін төмендетеді;
д) кабельдің жоқтығынан жүйенің құндық бағасын төмендетеді;
е) жүйедегі бұзылуларды іздеуді тездетуге мүмкіндік береді;
ж) жүйенің оңтайлы дамуын қамтамасыз етеді.
Өндірістік желілерге деген сұраныстарды қарастыра отырып, яғни релелік
қорғаныс және автоматика желілерге, сымсыз желілер сымды желілерге
қарағанда бірнеше сиппаттама бойынша кемшілігі бар:
а) хабарламаны жеткізу уақыты;
б) электромагниттік бөгеттердің сымсыз желілерге кері әсері;
в) байланыстың сенімділігі;
30
г) ретрансляторларды пайдаланбаса байланыс қашықтығының шектелуі;
д) каналды пайдалану коэффициентінің және бір уақытта жұмыс істеп
жатқан станциялардың санын көбейткен жағдайда, желінің өткізу мүмкіндігінің
төмендеуі;
е) қауіпсіздік.
СSMACA каналы үшін қолданылатын рұқсат алу механизмі алдын-ала
белгілі бір уақыт ішінде жеткізуді қамтамасыз етпейді, бұл мәселені сымды
желідегі сияқты коммутатордың көмегімен шешуге болмайды.
Байланыс сенімділігі, қорек көзінің батареясын дер кезінде ауыстырмаған
жағдайда байланыс түйіндерінің орналасу реті өзгеріп, немесе
радиотолқындардың өшуін, шағылысуын, сынуын, шашылуын өзімен бірге
алып келетін объекттер пайда болуы арқылы анықталады. Байланыс кенеттен
нашарлап немесе жоғалып кетуі мүмкін.
Сымсыз желілердің ең басты кемшілігі болып ақпараттың жоғалуы,
қолдан жасалған бөгеттерден қорғалмағандығы, жаудың білдіртпей
технологиялық процесті басқару мүмкіндігі болып ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
Ұқсас жұмыстар
Пәндер
- Іс жүргізу
- Автоматтандыру, Техника
- Алғашқы әскери дайындық
- Астрономия
- Ауыл шаруашылығы
- Банк ісі
- Бизнесті бағалау
- Биология
- Бухгалтерлік іс
- Валеология
- Ветеринария
- География
- Геология, Геофизика, Геодезия
- Дін
- Ет, сүт, шарап өнімдері
- Жалпы тарих
- Жер кадастрі, Жылжымайтын мүлік
- Журналистика
- Информатика
- Кеден ісі
- Маркетинг
- Математика, Геометрия
- Медицина
- Мемлекеттік басқару
- Менеджмент
- Мұнай, Газ
- Мұрағат ісі
- Мәдениеттану
- ОБЖ (Основы безопасности жизнедеятельности)
- Педагогика
- Полиграфия
- Психология
- Салық
- Саясаттану
- Сақтандыру
- Сертификаттау, стандарттау
- Социология, Демография
- Спорт
- Статистика
- Тілтану, Филология
- Тарихи тұлғалар
- Тау-кен ісі
- Транспорт
- Туризм
- Физика
- Философия
- Халықаралық қатынастар
- Химия
- Экология, Қоршаған ортаны қорғау
- Экономика
- Экономикалық география
- Электротехника
- Қазақстан тарихы
- Қаржы
- Құрылыс
- Құқық, Криминалистика
- Әдебиет
- Өнер, музыка
- Өнеркәсіп, Өндіріс
Қазақ тілінде жазылған рефераттар, курстық жұмыстар, дипломдық жұмыстар бойынша біздің қор #1 болып табылады.
Ақпарат
Қосымша
Email: info@stud.kz