Сымсыз желілерді кеңейту технологиялары
МАЗМҰНЫ
НОРМАТИВТІК СІЛТЕМЕЛЕР 6
... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ..
АНЫҚТАМАЛАР, ҚЫСҚАРТУЛАР МЕН БЕЛГІЛЕУЛЕР ... ... ... ... ... .. 6
КІРІСПЕ 7
... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ...
... ... ... ... ... ... ... ... .. ...
1 Сымсыз желілерді ұйымдастыру хаттамаларының салыстырмалы 8
сипаттамалары
... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ...
... ... ... ... ... ... ...
1.1 Сымсыз желілерді кеңейту технологиялары ... ... ... ... ... ... ... .. 8
1.2 Сымсыз желілерді іске асырудың қиындықтары 9
... ... ... ... ... ... ... ... .. .
1.3 ZigBee артықшылықтары 11
... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ...
... .
1.4 ZigBee желісінің топологиясы 13
... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ...
1.5 IEEE 802.15.4 стандартының ерекшелігі ... ... ... ... ... ... ... ... ... 16
1.6 ZigBee сымсыз жүйесін қолдану 20
... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ...
1.7 Деректерді таратудың сымсыз ZigBee технологиясы ... ... ... ... ... . 22
1.8 Желілік технологиялар 29
... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ...
... ...
1.9 Физикалық деңгейі 32
... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ...
... ... ... ...
1.10 Деректерді тарату 35
... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ...
... ... ... ...
2 Жүйе сипаттамасы 37
... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ...
... ... ... ... ...
2.1 Жүйе компоненттері 37
... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ...
... ... ...
2.2 Жүйенің құрылымдық сұлбасы 38
... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ..
2.3 Желіні құру 39
... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ...
... ... ... ... ... ... ...
2.4 Деректер мен командалар беру 40
... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ..
3 Есептеу бөлімі 43
... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ...
... ... ... ... ... ... ..
3.1 Labview арқылы температураны бақылау 43
... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... .
3.2 Бағдарлама жобасы 43
... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ...
... ... ... ..
3.3 Дабылдың қамту аймағын есептеу ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 53
3.4 Шуды есептеу 57
... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ...
... ... ... ... ... ...
ҚОРЫТЫНДЫ 61
... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ...
... ... ... ... ... ... ...
ПАЙДАЛАНЫЛҒАН ӘДЕБИЕТТЕР ТІЗІМІ 62
... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... .
АНЫҚТАМАЛАР, ҚЫСҚАРТУЛАР МЕН БЕЛГІЛЕУЛЕР
ZigBee - IEEE 802.15.4 стандартының азқуатты радиотаратқыштарын
пайдаланатын желілік хаттамалардың жоғары деңгейінің жиынтығы
ZigBee желісі – бөлінген, өздігінен ұйымдастырылатын бір-бірімен
радиоарна арқылы байланысқан көптеген сенсорлы датчиктер мен жетекші
құрылғылардан тұратын желі.
IEEE 802.15 стандарты - отбасы желілік құрылғылары аз радиуста жұмыс
істеуімен ерекшеленетін жергілікті сымсыз желілерді ұйымдастыруға арналған
(Wireless Personal Area Networks, WPANs).
WPAN технологиясының кең тараған түрі Bluetooth деп аталады.
OSI (Open System Interconnection)
ISM (Industrial, Scientific and Medical)
VLAN – Virtual Local Area Network
IP – Internet Protocol
WLAN – Wireless Local Area Network
КІРІСПЕ
Шешілетін ғылыми мәселенің жағдайын бағалау. Қазіргі таңда сымсыз
технологиялар біздің өмірімізде өте маңызды орын алады. Ғаламторға қосылу
үшін біз Wi-Fi, 3G және 4G сияқты технологияларды, ал дауыс перифериясын
алу үшін Bluetooth, DECT пайдалану және GSM-телефонияны қолданамыз. Сымды
технологияларды сымсыз технологиялармен алмастыру арқылы, алдымен,
жылдамдықты арттыру мен кеңейтуді жеңілдетуге, қайта құрылым мен қайта
ұйымдастыру, желінің ауқымдылығына, сонымен қатар, кабель тартуға кететін
шығындарды үнемдеуге қол жеткіздік. Осыған қоса, сымсыз байланыс
технологиясы кабель жатпау керек жерлерде оңтайлы кеңейтуге қол жеткізуге
мүмкіндік береді, мысалы, құрылымдық ерекшеліктеріне байланысты қауіпсіздік
ережелерін сақтау үшін ғимаратты жалға алушы одан бас тартқан кезде сымсыз
технологияларды пайдалану өте ыңғайлы.
Тақырыптың өзектілігі. Әрине, сымсыз технологиялардың өзіндік
кемшіліктері бар, бірақ олар қазіргі заман талабына сай технологиялық
стандарттардың дамуына байланысты біртіндеп жойылып жатыр.
Технологиялардың өсу жылдамдығына және адамдардың өмір сүру
стандарттарының жоғарылауына байланысты адамдардың үйдің ыңғайлы болуына
сұранысы да жоғарылауда. Осыған сәйкес ақылды үйлер пайда болды және олар
желі прогрессіне байланысты қарқынды дамуда.
Зерттеу объектісі. Ақылды үй - жаңазаманғы компьютер технологиялары,
басқару технологиялары және ақпараттық технологиялардың қосындысы болып
табылады. Ақылды үй технологияларының дамуы сымды және сымсыз сатыларды
бастан кешірді. Кабелдің жетіспеуіне және оның ауқымдылығы аз болуына
байланысты сымсыз технологиялар ақылды үйлер үшін орны толмас желі болмақ.
ZigBee ақпаратты аз қашықтыққа таратуға арналған жақында ойлап табылған
коммуникациялық технология болып табылады. Оның көптеген аз қашықтықтық,
бағасының арзандығы және жылдамдығының аздығы сияқты өзіне тән
ерекшеліктері бар. ZigBee технологиясы пайдаланушыларды ыңғайлы мобильді
желімен қамтамсыз ете отырып, үйді басқаруға өте ыңғайлы болып келеді.
ZigBee технологиясы және оның қосымшаларының сипаттамаларының
артықшылықтары осы дипломдық жобада ақылды үйдің мысалында келтірілген.
Жұмыстың мақсаты мен міндеттері. Бұл жобада келтірілген ZigBee
технологиясына негізделген ақылды үй жүйесі сымдарды қажет етпейді және
тікелей үйдің ішінде орнатылады. Бұл жүйе үйді бақылау және терминалдық
түйіндерді басқаруды пайдаланушы менеджмент платформасы арқылы жүзеге
асырады. Осыған қоса, бұл ақылды үй жүйесінде әрбір сенсорлы терминал
түйіні үйдің ішінде болып жатқан температура, ылғалдылық, жарық мөлшері,
қауіпсіздік жүйесі сияқты процесстер жайлы ақпаратты жинақтай алады және
әрбір басқарушы терминалдық түйін үйдегі кез-келген жарық, ауа
кондиционері, электрлік перде, оятқыш сияқты құрылғылармен байланыса алады.
1 Сымсыз желілерді ұйымдастыру хаттамаларының салыстырмалы сипаттамалары
1.1 Сымсыз желілерді кеңейту технологиялары
Сымсыз желілерді кеңейту процесін түсіну оңайырақ болу үшін оларды
үшке бөліп қарастырамыз:
- жеке сымсыз желі (WPAN);
- аумақтық немесе жергілікті сымсыз желі (WLAN);
- ауқымды сымсыз желі (WWAN).
Бүгінгі таңда жоғарыда аталған үш қызметтің әрқайсысының негізінде
жатқан технология қайталанбас болып табылады, сонымен қатар, ол жіксіз
интеграцияланған желінің құрамына кірмейді. Мысалы, ғаламторға ғаламтор-
провайдер арқылы қосылған ЖК пайдаланушы тікелей өзі орналасқан аумақтағы
мекеменің жергілікті желісіне қосыла алмайды. Бұл мысал бұл екі қызметтің
әр түрлі екенін көрсетеді, олардың аппарттық сұраныстары да әр түрлі.
WPAN Технологиясы. WPAN жүйесі сымдарды алмастыруда көптеген дамуды
бастан кешірді. Мында бірнеше мысал келтірілген:
- сымсыз пернетақта;
- PDA жеке компьютермен байланыстыру;
- радиотелефон (базадағы сымсыз байланыс және жылжымалы аппараттық трубка).
WPAN алғашқы тағайындауына байланысты жалпы жағдайда аз
қуаттытаратқыштарды пайдаланады және сол арқылы шектелген кеңістікті
жабады. WPAN технологиясының кең тараған түрі Bluetooth деп аталады.
Bluetooth - бастапқыда инфрақызыл байланысты алмастыру үшін ойлап табылған
ақпаратты таратуда қолданылатын аз қуатты сымсыз жүйе. Оның негізгі
техникалық сипаттамалары:
- ақпаратты тарату жылдамдығы 732 Kbps немесе одан азырақ;
- тарату қашықтығы - метрден аз емес;
- роуминг жүйесінде жұмыс істей алмайды, бірақ бір Bluetooth-дан екіншісіне
өткенде байланысты сақтап қалады [1].
WLAN технологиясы. Бұл жүйе WLAN мүмкіндіктерін жүзеге асыруға
арналған, кейбір жағдайларда дәстүрлі кабельдік линияларды алмастыруда
қолданылады. Көптеген мекемелер мен үйдегі пайдаланушылар сымды жергілікті
желілерді алмастыру үшін Wi-Fi қолданады. Wi-Fi технологиясы үй ішілік және
офистік желіде қолданылумен қатар көпшіліктің ғаламторға қосылуына
мүмкіндік береді. Оның стандарты IEEE 802.11b (802.11b) – жақсартылған
алдыңғы 2-Мбит 802.11нұсқасы болып табылады. Оның негізгі сипаттамалары:
- ақпаратты тарату максималды жылдамдығы - 54МБитс;
- қолданылатын жиілік - 2,4 ... 5 ГГц;
- аймақты қамтуы - 100 метрге дейін.
Wi-Fi – бүгінде ең кең тараған сымсыз жергілікті желі. Жүйенің өзі аз
қашықтықта жұмыс істейтін жүйенің бөлігі болып табылады, әдетте, ондаған
метр радиус аумағын қамтиды және желіге қатынауды қамтамасыз ету үшін
лицензисы жоқ жиіліктер диапазонын пайдаланады. Пайдаланушылар жеке желіге
Wi-Fi арқылы қосыла алады. Егер WiMAX технологиясын мобилді телефонмен
салыстырсақ, онда Wi-Fi көбінесе стационарлық тұрақты сымсыз телефонға
ұқсайды.
WWAN технологиясы. Сымсыз телефон байланыс қызметін қамтамасыз ететін
компаниялар дауыс пен ақпаратты тарату үшін технологиялардың көптеген түрін
пайдаланады. Ұялы телефон желісінің кең тараған Екінші буыны (G2): GSM,
CDMA, TDMA технологиялары. Қазіргі портативті компьютерлерде кіріктірілген
WWAN адаптерлері (мысалы, HSDPA) бар. Ғаламдық сымсыз желі болғандықтан ол
бір немесе бірнеше мемлекетті қамти алады. Бұндай желілердің құрамы базалық
станциялардың санымен және тапсырыскер құрылғыларымен анықталады, сонымен
қатар, WWAN желілердің қамту аймағы ұяшықтардан тұрады. Бір базалық
станцияның қамту аймағы шеңбер құрайды, ол өз кезегінде алты басқа
шеңберлермен көршілес орналасады. Бұл орналасу оптимальді болып табылады,
инженерлер оны аралардан үйреніп алған. Екінші буын туралы сөз қозғаған
кезде алдымен GSM жөнінде айтқан дұрыс болады. GSM – арналарды бөлуі TDMA
принципі арқылы жүзеге асатын мобильді ұялы байланыстың ғаламдық стандарты.
Бұл әдіс бойынша радиожиіліктерді пайдалануда бір жиіліктік слотта бірнеше
абонент болу мүмкін, ал әр түрлі абоненттер ақпаратты тарату үшін әр түрлі
уақыттық слотты пайдаланады. Соған орай GSM стандартты ұялы желіде тек қана
сандық дауыс емес, сонымен қатар, сандық ақпарат таратылады [2].
1.2 Сымсыз желілерді іске асырудың қиындықтары
Сымсыз желіні кеңейту барысында есте сақтау керек бірнеше негізгі
мезеттер бар: сымсыз өндіріс нақты даму бағытында болғандықтан әр жүйе
бүгінгі таңда маңызды болып келетін өндірістің жеке бағыттарында
қолданылатын және кішігірім өмірлік циклге арналған желіні сканерлеу
процессінде; сымсыз технологияның әр типі мен формасы нақты
пайдаланушыларға немесе аймақты қамтуына байланысты бейімделеді. Қазіргі
кезде WPAN, WLAN және WWAN сияқты жүйелер бір-бірімен тікелей байланыса
алмайды (жоғарыдағы мысалда айтып кеткендей). Жүйенің әр түрі өзіндік
ерекшеліктер мен шектеулерге ие. Бүгінгі таңда потенциалды сымсыз желілер
мен кабелді жүйені алмастыру жөнінде көптеген дауласулар болып жатыр. Жаңа
заманда кабелді инфраструктурадан бас тартуға көптеген себептер бар. Соған
қарамастан, байланысты кабелді жүйе арқылы жүзеге асыру сенімдірек және
ақпаратты таратуда мәліметтердің таралу жылдамдығының жоғары болуына
толықтай кепілдік береді (мысалы, 1 Ggbs), сымсыз технологиялармен
салыстырғанда қазіргі жаңа кабелді желі арқылы жоғары қызмет көрсету
деңгейін қамтамсыз етуге болады.
Сымсыз технологияларда басқа да шектеулер бар:
- қызмет көрсету сапасын анықтайтын ағым жоқ, сондықтан дауыс пен бейнені
(IEEE 802.11e жұмыс тобы 802.11 QoS стандартымен анықталады) жіберу мүмкін
емес;
- радио диапазон кедергілері кепілдендірілген байданысты қамтамасыз етуді
қиындатады;
- құрылғының жұмысқа жарамды мерзімі аз [3].
Соған қарамастан, сымсыз желіні пайдаланушылардың орны толмас
артықшылығы бар, ол – ұтқырлық. Бүгінгі таңдағы сымсыз желілер өте ыңғайлы
және қолданыстағы дәстүрлі кабелді желіге жақсы қосымша болып табылады.
Ұтқырлықты алғашқы артықшылық деп есептесек, онда бір рет қолданлатын
кешенді кеңейту қырағылыққа жатпайды. Бірақ мұндай сымсыз кампус жүйесі
сияқты ауқымды жүйелерді өрістету кейбір қиындықтар тудырады, ол мобильді
құрылғыларға арналған IP-мекен-жай. Жалпы алғанда, стандартты желілер
кіріктірілген, сондықтан сіз жай ғана компьютерді желіден ажырата алмайсыз,
желіге қосылу үшін басқа ғимаратқа өтіңіз, осы желінің бөлігі ретінде
қабылданатын сіздің IP-мекен-жайыңызды күтеміз. Сірә, сіздің мекен-жай
басқа желіге тиесілі болады. Конфигурациялау протоколы (DHCP) Хост арқылы
осы мәселені шешуге болады, бірақ әлі де DHCP-сервер ішкі желімен байланысы
бар телефонды тағайындау керек. DHCP-сервер ұйымын пайдаланып мобильді
құрылғыларға арналған IP- мекен-жайын мәселесін шешудің екі жолы бар.
Бірінші - ғимараттар кешенінде (бұл жағдайда - кампус) VLAN ұйымдастыруға
қабілетті маршрутизаторлар орнату болып табылады және барлық ұялы
құрылғыларды қамтитын, осылайша аймақтағы IP-адрес жұмысына мүмкіндік
беретін бір арнайы тізбек ұйымдастыру. Екінші амал - Mobile IP хаттамасын
пайдалану. Сымсыз желі жүзеге асыру кезінде басқа құрылғылардан келетін
кедергілері бірдей жиілік ауқымын пайдаланатынын есте сақтау керек. Қызмет
стандарты 802.11b г Bluetooth, радиотелефондар және көптеген басқа сымсыз
құрылғылар сияқты бірдей диапазонды пайдаланады. Сымсыз желіні
пайдаланушылар берілген қызмет жүйесінің сапасы жоғары болады деп күте
отырып осының барлығын ескеріп, қабылдау керек. Сонымен қатар, барлық
802.11x стандартты сымсыз құрылғылар бір-бірімен жұптасқан болу керек. Екі
немесе одан да көп кіру нүктесі бір-бірімен келісімде жұмыс істеу керек.
Қазір 802.11bg стандартында 11 арна бар, нүктк-нүкте байланысы 3 арнаны
пайдаланады және қалған қолданылбаған арналар әр нүктенін арасында
қолданылады. Жалпы алғанда барлық 11 арна бір интегралданған сымсыз желімен
пайдаланылуы мүмкін. Сымсыз қызмет көрсету жүйесін жақсарту мақсатында
көптеген университеттер басқарусыз пайдаланылатын сымсыз құрылғыларды
жиілік диапазонынан алып тастайтын қатаң орталықтандырылған басқару
жүргізеді.
1.3 ZigBee артықшылықтары
ZigBee технологиясы қиын шу болған жағдайларда жұмыс істеуді ескере
отырып іске асырылды. Кедергілермен күресу үшін келесі принциптер мен
механизмдер қолданылады, яғни, жіберілетін сигнал спектрінің кеңейтілуі,
қақтығысулардың алдын алатын процедуралар, ақпаратты тарату арнасының
параметрлерін өлшеу, деректер тұтастығы, расталған және қайта жіберілген
деректер дестелерді қалыптастырады. Бастапқы екілік сигнал спектрін кеңейту
үшін олар кейдейсоқ реттіліктерге айналдырылу керек, берілген жағдайда, шу
сияқты сигнал хабар. Спектрді кеңейту әдісі берілетін сигналға (DSSS)
таржолақты кедергілермен тиімді күресуге мүмкіндік береді. Ақпаратты жіберу
процесін бастар алдында құрылғы арнаның бос екендігін тексереді, арнаның
бос емес екендігіне көз жеткізгеннен кейін іс-әрекетті қайтадан қайталайды.
Бұл принцип екі немесе бірнеше жіберуші құрылғылардан біруақытта хабарың
таралуына жол бермейді. Егер ақпарат жіберілмесе, қабылдаушы берілген
дестенің сомалық санын (CRC – циклдық артықшылық) тексеру арқылы қатені
анықтайды. Егер желідегі қандай да бір түйін кедергілерге немесе физикалық
ауытқушылыққа байланысты жұмысын атқара алмаса, ақпарат қабылдаушыға қалған
екі түйін арқылы жеткізіледі.
Wi-Fi мен Bluetooth екеуі де қысқа диапазонға ие болғандықтан және
екеуі де салыстырмалы түрде қуатты көп тұтынатын болғандықтан эксперттер
көп уақыт бойы олардың тиімсіздігі жайлы мәселені қозғап келеді [4].
ZigBee құрылғысы және аспап толығымен мәліметтерді 80-90 метрден артық
ара қашықтыққа таратпайды, бірақ ол Wi-Fi мен Bluetooth құрылғыларының
трафик арнасы үшін туннель қызметін атқара алады. Қуат жағына келетін
болсақ, теориялық тұрғыдан, ZigBee құрылғысы бірнеше ай немесе тіпті
бірнеше жыл жұмыс істеу үшін бір батарея жеткілікті болады.
Бұл стандарттың басқа да артықшылықтарын айтып өте кету керек, оларға
кең ауқымдылық, авариялар жағдайында өздігінен қалпына келуі және оңай
орнатылатындығы жатады. Бір желіде 64-биттік адресацияны пайдаланған кезде
60 мың ZigBee құрылғысы біріктіріле алады. Ақырында, ZigBee таратқышының
өндірісте массалық шығарылуына байланысты, теорияда, бағасы Wi-Fi мен
Bluetooth-ға қарағанда әлдеқайда төмен болады.
Сонымен қатар:
- төмен қуаттұтынушылық;
- өнімнің арзандығы;
- желіні әр түрлі топологияларда ұйымдастыру мүмкінділігі жоғары (IEEE
адресация кезінде түйіндер саны 264 және жергілікті адресация болғанда 216
болады), радиосигналды қосымша күшейтусіз байланыс қашықтығын ұзарту;
- желі шешімдерінің жоғары сенімділігі және жүйенің маршрутизация
процедураларын қолдану арқылы өздігінен қалпына келуі;
- қауіпсіздік жүйесінің көпдеңгейлілігі (яғни мүмкіндік басқармасы
кестесінің пайдаланылуы және іске асырылуы, AES кодтау алгоритмі және
қосымша деңгейінде өзіндік алгоритмдер);
- орнату және қызмет көрсету ыңғайлылығы.
ZigBee желісінің ұйымдастырылуы. ZigBee (IEEE, 802.15.4 стандарты) -
бұл сымсыз байланыстың төмен жылдамдықты жеке желілерінің стандарты - Low
Rate Wireless Personal Area Network (LR-WPAN). Оған шамамен 27 арна үш
эфирлі диапазонында бекітіледі. Барлық әлем бойынша 2,4 ГГц жиілікте (16
арна), АҚШ үшін қосымша 915 МГц (10 арна) және дәл осындай 868 МГц Еуропа
үшін (бір арна). Құрылғылардың арасындағы ақпаратты тарату жылдамдығы бос
емес арналардың санына байланысты және
256 кбитс пен 20 кбитс аралығында ауысуы мүмкін. Ортаға қол жеткізу
мүмкіндігі ISM (Industrial, Scientific and Medical) жиілік диапазонында
жүзеге асады, физикалық деңгей 868915 МГц жиілігінде екілік фазалық
манипуляцияны (BPSK) және 2,4 ГГц жиілігінде ауысымы бар квадраттық фазалық
манипуляцияны пайдаланады. Ортаға қол жеткізу үшін коллизияның алдын алатын
және тасушыны басқаратын бірнеше мүмкіндікті механизм (CSMA-
CA)пайдаланылады. Берілген механизм ақпаратты жіберер алдында байланыс
арнасының жағдайын анықтауға негізделген, сонымен қатар бірнеше құрылғыдан
бір уақытта ақпарат тарл,андықтан болатын соқтығысулардың санын азайтуға
мүмкіндік береді. IEEE 802.15.4 стандарты жартыдуплексті ақпарат таратуға
негізделіп құрылған, ол CSMA-CA әдісін тек қана коллизияның алдын алады
бірақ анықтамайды. Zigbee датчиктер желісі жұмысының сипаттамасы мен
принципін анықтайды. Құрылғы иерархиялық желі құрайды, және бұл иерархияны
ZigBee координаторы басқарады. Маршруттар иерархияны ескереді, тіпті
ақпарат ағынының оптимизациясы да болуы мүмкін [5].
Сурет 1.1. Zigbee желісін ұйымдастыру
мұндағы ZC –Zigbee координаторы;
R –Zigbee маршрутизаторы; E – Zigbee соңғы құрылғысы.
Желіні ұйымдастырудың негізгі параметрлері:
- Zigbee координаторы, оның негізгі мақсаты желіні анықтау және оған
оптималді параметрлерді орнату болып табылады;
- Zigbee маршрутизаторлары Zigbee координаторы арқылы немесе басқа желіге
кіріп тұрған маршрутизаторлар арқылы желіге қосылуды ұйымдастырады;
- соңғы құрылғылар кез келген Zigbee маршрутизаторымен немесе Zigbee
координаторымен байланыса алады;
- әдепкі хабар трафик иерархиясының бөлімдерінің бойымен таратылады;
- өзінде қажетті мүмкіндіктері болғандықтан, маршрутизаторлар белгілі бір
түйінге оптималды жолды анықтай алады және оларды маршрутизация кестесінде
келесіде пайдалану үшін сақтайды.
1.4 ZigBee желісінің топологиясы
ZigBee стегі желінің әр түрлі конфигурацияларын қолдайды және
құрылғылардың іске асырылуы мен ұйымдастырылуын мынадай топологиялар арқылы
жүзеге асырады: нүкте-нүкте, жұлдыз, кластерлі ағаш және көпұяшықты
желі. Стектің желілік функциялары активті арналарды анықтау,
идентификация,яғни активті арналардағы құрылғыны анықтау үшін, іске
қосылмаған активті емес арналарда желіні құру процесі және жеке аймақтағы
сымсыз желіде қолданыстағы желіні біріктіру үшін желіні сканерлеуді жүзеге
асыра алады. Қолдайтын сервистерді анықтау құрылғының белгілі профилі мен
маршрутизацияның функцияларымен сәйкес жүзеге асырылады. Осылайша, құрылғы
автоматты түрде жағымсыз салдарларды әр түйінге басқа маршруттардың бар
екендігін ескере отырып жоя бір нүктедегі істен шығу желіге кіріп-шыға
алады. 1.2 - суретте ZigBee желісі топологиясының бірнеше нұсқасы
келтірілген [6].
Сурет 1.2. Желi топологиясының нұсқалары
Freescale Semiconductor компаниясы IEEE 802.15.4 стандарт базасына
негізделген әр түрлі қиындықтағы сымсыз байланыс желілерінің іске
асырылуының аяқталған шешімін алғашқы болып ұсынды. Компания тауарының
номенклатурасы ISM (Industrial, Scientific and Medical) 2,5 ГГц
диапазонында жұмыс істейтін радиотрансиверлі МС141922 микросхемаларды, 16-
биттік арнайы MC8S06GBСT микроконтроллерлер, кез-келген топологияның
–қарапайым нүкте-нүкте мен жұлдыз байланыс типтерінен бастап кластерлі
ағаш және көпұяшықты желі сияқты қиын топологияларға дейін сымсыз
интерфейсін жүзеге асыруға арналған бағдарламалық жасақтама
ұсынады.Бұлардың барлығы ZigBee стегіне негізделген және ол дайын сымсыз
шешімдерді 802.15.4 ZigBee бір өндірушінің компоненттерімен құрастыруға
мүмкіндік береді.
Freescale Semiconductor компаниясының радиомодемді сызғышы МС14191
және МС14192 таратқыш пен қабылдағыш екі микросхемасынан
тұрады.Радиомодемдер 802.15.4 (МС14192) стандартына сәйкес келетін MACPHY
деңгейде 2,5 ГГц жиілігінде жұмыс істейді және ақпараттарды тарату
жылдамдығы 255 кбитс дейін болуын қамтамасыз етеді. Микросхемалар кез-
келген радиоинтерфейс ұйымдастырылуында жүзеге асырылу мүмкіндігі бар
әмбебап және бірегей RF-таратқыш-қабылдағыш болып табылады. Ақпарат алмасу
үшін екі режимді пайдалануға болады: дестелік және ағындық ақпарат алмасу.
ZigBee 802.15.4 желісінің құрылымы. IEEE 802.15.4 негізделген сымсыз
желілер кеңейтілген жүйелерде сымды байланыстың орнына қолданылады.
Мониторинг пен бақылау, иілгіш архитектура сымды желінің орнатылыуы мен
эксплуатациясынан өзгеше.
2001 жылы Электротехника және электроника инженериясының институты
IEEE WPAN желісінің жеке сымсыз отбасына жататын жаңа
802.15.4 стандартын шығарды. 2002 жылы ZigBee Альянсы құрылды. ZigBee
Альянсы жартылайөткізгіштік заттарды 100-ден асиам компанияға жеткізуші,
дайын шешімдердің өндіріушісі сонымен қатар ғаламдық ZigBee стегі болып
табылады. Бағдарламалық жасақтаманың сертификация протоколы 802.15.4 IEEE
негізделген және жоғары сенімділік пен аз қуат тұтынатын нүкте- нүкте,
жұлдыз, кластерлі ағаш сияқты әр түрлі торпологияларға нгізделген
сымсыз қосымшаларға арналған.
ZigBee технологиясы жоғары қуат пен дамыған эксплуатационндық
сипаттамаларды пайдаланатын төмен жылдамдықтағы және аз қуатты қосымшалар
үшін немесе бір де бір жалпы стандартқа жатпайтын әр түрлі өндірушілердің
радиомөлдір чиптеріне негізделген радиоинтерфейсті тауаша болып табылады.
Төмендегі 1.3 - суретте келтірілген сымсыз желі стандарттары (Bluetooth,
WLAN) үлкен көлемдегі ақпаратты (дауыс,бейне, мәліметтер) жоғары
жылдамдықпен (2-ден 220 Мбитс-қа дейін) 8-ден 110 метрге дейінгі үлкен ара
қашықтықтарға таратуға жақсы сәйкес келеді. Құрылғы батарея немесе
аккумулятор негізінде жұмыс істейді. Осының барлығы компьютер желісіндегі,
ойын-сауық жүйелеріндегі сымды байланысты сымсыз байланыспен алмастыруға
мүмкіндік береді. Соған қарамастан, басқа да ерекше, бірегей сипаттамалары
бар (жіберілетін аз көлемдегі ақпарат, аз қуаттұтыну, қызмет көрсету мен
орнатудың жеңілдігі, желілік түйіндердің көптүрлілігі және т.б.) көптеген
жүйелер бар (әр түрлі датчиктер, мәліметтерді жинау мен басқару жүйесі),
нәтижесінде бұл технологияларды пайдалану тиімділігі 100%-ға жетеді. Осы
сияқты мәселелерді шешу IEEE 2802.15.4 (ZigBee) технологиясы WPAN төмен
жылдамдықты желілерге бағытталған [7].
Сурет 1.3. Негізгі сымсыз байланыс стандарттарының
классификациясы
ZigBee802.15.4 технологиясының пайдаланылуы ең төменгі құн бойынша
сымсыз интерфейстерді дамытуға мүмкіндік береді. Бұның барлығы
сұлбатехниканың жеңілдігі мен сыртқы пассивті элементтердің минималды
санына байланысты, сонымен қатар дайын бұның барлығы аз көлемді стекті
бағдарламалық жасақтамалар. Берілген стандарт көпұяшықты топологиялы желіні
ұйымдастыруға мүмкіндік береді, түйіндердің өте үлкен санына қызмет
жасайды, соның арқасында қосымша шығынсыз және аз қуатты пайдалану арқылы
байланыс қашықтығының ұзын болуын қамтамасыз етеді.
Сымсыз төмен жылдамдықты жеке желіліерге (WPAN) арналған IEEE
802.15.4 стандарты PHY физикалық деңгейін және MAC ортасына ену
рұқсатының деңгейін анықтайды.
1.5 IEEE 802.15.4 стандартының ерекшелігі
ZigBee-стектің ерекшелігі желі деңгейінің көмегімен, сонымен қатар
қауіпсіздік деңгейі мен қосымшаға ену рұқсаты арқылы анықталады. Ол 802.15
база стандартына негізделе отырып құрылғылардың сәйкестігін қамтамсыз етуге
көмектеседі.
Кесте 1.1. IEEE 802.15.4 стандартының негізгі сипаттамалары
Стандарт 802.15.4 ZigBee™
Жиілік 868 МГц 915 МГц 2,4 ГГц
Арна саны қадам 102 МГц 102 МГц 165 МГц
Таралу аумағы Европа Америка Барлық әлем
Модуляцияның макс. жылдамдығы 20 кбитс, 40 кбитс, 250 кбитс,
BPSK BPSK O-QPSK
Ном. шығыс қуаты 0 dBm (1 0 dBm (1 0 dBm (1
мВт) мВт) мВт)
Қашықтық 10-100 м 10-100 м 10-100 м
Сезімталдығы 92dBm 92dBm 85dBm
Стек өлшемі 4-32 кбайт 4-32 кбайт 4-32 кбайт
Батареяның қызмет көрсету ұзақтығы 100 -1000 100 -1000 100 -1000
және одан және одан және одан
жоғары жоғары жоғары
күндер күндер күндер
Желі өлшемі 65536 65536 65536
(16-биттік (16-биттік (16-биттік
адрестер), адрестер), адрестер),
264 264 264
(64-биттік (64-биттік (64-биттік
адрестер) адрестер) адрестер)
Сымсыз қосымшалар мен интерфейстерге арналған ZigBee технологиясының
жаһандық ерекшелігі 802.15.4 бірыңғай стандартына негізделген. Алғашқыда
қосымшалардың мониторингі пен бақылауына негізделген бұл технология қазіргі
кезде датчиктерден кеңейтілген желі құруға, арзан, энергияны аз тұтынатын
сымсыз ақпараттық сымсыз желілерді кеңейтуге мүмкіндігі бар. Бұл жүйелер
коммерциялық мақсаттармен қатар өндірістік және үй автоматикасында
пайдаланылады.
802.15.4ZigBee стандартының басты артықшылығы бұндай жүйелердің онай
және ыңғайлы орнатылуы мен қызмет көрсетуге мүмкіндігі болып табылады.
ZigBee спецификациясының ерекшеліктеріне байланысты оған сымсыз жеке
желілерді сканерлеуге рұқсат етіледі. Осылайша, құрылғының жәшіктен алынып,
батареяның қай жерге қойылатынын және батырманы басу сияқты қарапайым іс-
әрекеттер жасалады. Батырманы басып, ұзағырақ светодиодтың жасыл шамы
жанғанша ұстап тұру қажет. Осының арқасында, екі құрылғының, мысалы, жарық
сөндіргіщ пен шамның арасында желілік байланыс орнатылады. Бұл қағиданы
іске асыру мен жобалау, яғни ZigBee модулдерін қазіргі таңдағы барлық жаңа
үйдегі немесе офистегі жүйелерге орнвтуға болады. Осының негізінде, әр
түрлі өндірушілер жасаған өнімнен сәйкес құрылғыларды бірыңғай желіге
біріктіруге мүмкіндік бар[8].
Үлкен кәсіпорындарға жаңа технологияларды енгізудің басты критерийі
бір құрылғының соңғы бағасы тиімді болуында.
Сурет 1.4. ZigBee хаттамасының құрылымы
Бұндай қосымшалардың бағасы өте маңызды және жоғары, сол үшін
кәсіпорын мәселесіне келгенде тіпті теңгенің жүзден бір бөлігінің алатын
орны өте зор. Соған қарамастан, ZigBee соңғы бағасын төмендету үшін
қолданыстағы және жаңа нарықтың санын мүмкіндігінше дамытып, сонымен қатар
өндіруші компаниялардың электронды компоненттерінің қойылымын барынша
жоғарылату керек. Тұрмыстық техника нарығындағы құрылғылардың көптүрлілігі
бірлік миллиардтармен өлшенуі оған мүмкіндік береді.
ZigBee протоколының стегі жеті деңгейлі OSI (Open System
Interconnection) ашық жүйесінде ақпараттарды тарату қағидасына сәйкес
иерархиялық модель болып табылады. Стек құрамына ZigBee спецификациясымен
белгіленетін байланыс арнасын орнатуға жауап беретін, бағдарламалық
желілік, қосымшаларды қолдайтын IEEE 802.15.4 стандартының деңгейлері
кіреді.
Сымсыз желіні ZigBee-стекті пайдаланбай-ақ жүзеге асыруға болады. Кез-
келген меншікті стек MAC деңгейі мен 802.15.4 стандартты PHY деңгейін
қолдана алады. 1.4 - суретте 802.15.4 стандарты сымсыз сенсорлы желідегі
OSI эталондық моделінің деңгей архитектурасы келтірілген. IEEE
802.15.4 стандарты екі төменгі стек деңгейіне қызмет көрсетіп,
анықтайды: ортаға ену мүмкіндік деңгейі (MAC) және таралу ортасында
ақпаратты тарататын физикалық деңгей (PHY), басқаша айтқанда ақпаратты
сымсыз тарату хаттамасының соңғы екі деңгейі. Альянс ZigBee стегінің
арналық мәліметтерді тарату (Data Link Control) деңгейінен бастап
құрылғының профиль деңгейіне дейін бағдарламалық деңгейді жүзеге асырады.
Бұл ретте, радиоарнамен мәліметтерді тарату мен қабылдау PHY физикалық
деңгейінде іске асады. Оның өзіндік шарттары бар: операциялық жиілік
диапазоны, модуляция типі, максималды жылдамдық, арналар саны. PHY деңгейі
таратқыш пен қабылдағыштың белсендіру-өшіру функциясын, жұмыс арнасында
қабылданатын сигнал энергиясының детектірленуін орындайды, физикалық
жиіліктік арнаны таңдайды, бос арнаны бағалайды, мәліметтер пакеті
қабылдағышқа жеткен кезде оның сапасын бағалайды. 802.15.4 стандарты
физикалық радио немесе радио таратқыш пен қабылдағыштың микросхемасы екенін
есте сақтап,ескеру қажет, ал ZigBee технологиясының өзі қауіпсіздік пен
маршрутизацияға жауап беретін бағдарламалық стек және логикалық желі болып
табылады [9].
Келесі стандарт құрылғының желіге кіріп-шығуын қамтамасыз ететін,
желіні ұйымдастыруға мүмкіндік беретін, мәліметтер пакетін құрастыратын,
қауіпсіздіктің әр түрлі режимдерін (128-битті шифрлеу AES қоса), 32 - және
64-биттік адресацияны жүзеге асыратын Zigbee стек құрылымында IEEE
MAC ортасына ену мүмкіндігін беретін басқару деңгейі болады. Желіге
ену мүмкіндігінің әр түрлі механизмдерінің қамтамасыз етілуі, нүктк-нүкте
типті желі топологиясынан бастап көпұяшықты желі топологиясына дейін
қолдауы мәліметтер алмасуына толықтай кепілдік береді және де дестелік пен
ағындық мәліметтерді таратуды қолдауы MAC ортасына ену мүмкіндігін
қамтамасыз етудің негізгі мәселесі болып табылады.
Қалаусыз әрекеттесулерді болдырмас үшін CSMA-CA (қақтығысуларды
ескертетін және тасушыны басқаратын ортаға енудің көптігіне негізделген
хаттама) протоколына негізделген уақыттық бөлуді пайдалануға болады. ZigBee
уақыттық бөлінуі синхронизация режимін пайдалануға негізделген, яғни бұны
көп уақыт ұйқы режимінде болатын, координатор желісінен синхронизация
сигналын алар кезде периодты түрде оятуға болатын желілік құрылғыдан
бағынышты режим ретінде сипаттауға болады. Бұл жергілікті желі
құрылғыларына уақыттың қай мезетінде мәліметтерді тарату дұрыс болатындығын
біліп және соған сүйенуге мүмкіндік береді. Бұл механизм байланыс арнасының
жағдайын мәліметтерді таратқанға дейін анықтауға негізделген. Ол сонымен
қатар бірнеше құрылғымен бір уақытта сигнал жіберілгенде қақатығысуларды
азайтуға (бірақ жоймайды) көмектеседі. Ақпаратты жартылайдуплексті режимде
(құрылғы мәліметтерді қабылдайды немесе таратады) тарататын IEEE 802.15.4
CSMA-CA әдісін коллизияны анықтауға мүмкіндік бере алмайды, бірақ оның
алдан алу өте маңызды.
Сурет 1.5. 802.15.4 стандарты сымсыз сенсорлы желідегі OSI эталондық
моделінің деңгей архитектурасы
ZigBee желісіндегі процесті жүзеге асыратын құрылғы профильдерінің
бірыңғай кітапханасының құрастырылуы әр түрлі өндірушілер жасаған
құрылғылардың сәйкестендірілуіне көмктеседі. Құрылғыға белгілі бір типті
анықтау үшін қажет (мысалы, жарық немесе өрт датчиктері) қызметтер жиыны
сияқты пайдаланушылар профилі ZigBee стектің жоғары жағында орналасқан және
нақты қосымшалар мен стандартты бағдарламалық модулдерді қамтамсыз етеді.
1.6 ZigBee сымсыз жүйесін қолдану
Сымсыз қосымшалар мен интерфейстерге арналған ZigBee технологиясының
жаһандық ерекшелігі 802.15.4 бірыңғай стандартына негізделген. Алғашқыда
қосымшалардың мониторингі пен бақылауына негізделген бұл технология қазіргі
кезде датчиктерден кеңейтілген желі құруға, арзан, энергияны аз тұтынатын
сымсыз ақпараттық сымсыз желілерді кеңейтуге мүмкіндігі бар. Бұл жүйелер
коммерциялық мақсаттармен қатар өндірістік және үй автоматикасында
пайдаланылады. ZigBee 802.15.4 технологиясының қолданылу аймағы келесідей:
- Ғимараттарды автоматтандыру: датчиктер, қауіпсіздік және сигнализация
жүйесі, жылыту, желдету, кондиционерлеу, ену мүмкіндігін басқару;
- Медицина: биодатчиктер, емделушінің диагнозын анықтау, шақыру
батырмалары, фитнеске арналған құрылғылар;
- Өндірістік басқару және мониторинг: активтерді басқару, процесстерді және
құрылғыларды алыстан басқару, телеметрия және өндірістік автоматика;
- Үй ішін автоматтандыру: алыстан басқару, интерактивті ойындар, портативті
құрылғылар, тұрмыстық техника;
- ЖК перифериясы: пернетақта, тышқан, джойстик.
Тұрғын үй коммуналдық шаруашылығы: жарықты басқару, тұрғын үй
коммуналдық шаруашылығының мониторингі, жарықтандыру, жылыту мен су
электроэнергиясының есебі.
ZigBee технологиясын пайдалану арқылы шешілетін басты мәселе – көлемі
аз мәліметтерді орташа қашықтыққа тарату. Ең басты ерекшелігі бұл
стандарттың таратып-қыбылдау құрылғылары минималды қуатты тұтынатыны болып
табылады. IEEE 802.15.4 мен ZigBee арқылы сапасы жоғары ағындық дауыс және
бейне таратуға болмайды, бірақ кез келген сферада қиын басқару және
мониторинг сұлбасын құрастыруға болады. ZigBeе технологиясы арқылы
құрастырылған сымсыз жүйелердің қолданылу аясын қарастырайық.
Қалалық жарықтандыу жүйесі. OWLET неміс компаниясы XBee модулі
базасының негізінде қала көшелерінің жарықтандыруын бақылау жүйесін жүзеге
асырды. Аз қуатты модулдер пайдаланылған және бір модуль жер деңгейінен
бірнеше метр биіктікте орналасқан столбта орнатылған, ал екіншісі
автомобиль төбесіне бекітілген. Тәжірибе нәтижесінде қамша антеннасы бар
азқуатты модулдер арақашықтығы 100 м болатын аралыққа дейін мәліметтер
жоғары сапамен таратылғаны көрінеді [10].
Басқарылатын ZigBee - шам. Бұндай шамдар сымсыз арна арқылы көшелік
жарықтандыруды басқару аясында қолданылады. Желі ZigBee стандартының
жарықтандыру светодиодты шамдарының корпусына тікелей орнатылған және
басқару шектеріне қосылған радиомодулдеріне негізделген. XBee модулі шамға
орнатылған қуат көзінен жұмыс істейді.
Сурет 1.6. Қалалық жарықтандыру жүйесі
Сурет 1.7. Басқарылатын ZigBee-шам
Сурет 1.8. Ақылды үй жүйесі
Ақылды үй жүйесі. Сымсыз ZigBee - модулдері Ақылды үй жүйесінде
кеңінен қолданылады).
Бұл модулдер жылыту, кондиционерлеу,жарықтандыру құрылғыларын,
вентиляцияны басқаруда және т.б. қолданылады. Бұндай модулдер үй
автоматизациясы құрылғылары арасында және энергоресурстарды есептейтін
коммуналдық қызмет инфраструктурасын өлшеу құрылғылары арасында сымсыз
байланыс орнатуға мүмкіндік береді.
1.7 Деректерді таратудың сымсыз ZigBee технологиясы
ZigBee желісінің OSI моделінің сипаттамасы. IEEE 802.15 стандарты
отбасы желілік құрылғылары аз радиуста жұмыс істеуімен ерекшеленетін
жергілікті сымсыз желілерді ұйымдастыруға арналған (Wireless Personal Area
Networks, WPANs). Олардың барлығы бір-бірімен әрекеттесетін ашық жүйенің
(Open System Interconnection, OSI) төменгі екі деңгейін сипаттайды:
физикалық (PHysical Layer, PHY) және ортаға қол жеткізу деңгейі (Medium
Access Control, MAC).
ZigBee - IEEE 802.15.4 стандартының азқуатты радиотаратқыштарын
пайдаланатын желілік хаттамалардың жоғары деңгейінің жиынтығы.
ZigBee – көп жағдайда ұйқы режимінде болады, бұл жағдайда энергия өте
аз қолданылады, соның арқасында құрылғы көп уақыт бойы ьатаредан жұмыс
жасай алады. Сонымен қатар, ол 15 мс ішінде активті режимге көше алады,
яғни ұйқы режимінен активті режимге көшеді.
ZigBee желісі – бөлінген, өздігінен ұйымдастырылатын бір-бірімен
радиоарна арқылы байланысқан көптеген сенсорлы датчиктер мен жетекші
құрылғылардан тұратын желі. Бір элементтен екінші элементке ақпаратты
түйіндер арқылы тасымалдай алғандықтан желінің қамту аймағы бірнеше метрден
бірнеше километрге жетеді. Бүгінгі таңда сымсыз сенсорлы желі технологиясы
басқару мен мониторинг мәселелерін шешуге арналған ұзақ уақыт бойы
автономды режимде батареядан жұмыс жасай алатын жалғыз сымсыз технология
болып табылады. Бір сымсыз сенсорлы желіге біріктірілген датчиктер аймақтық
бөлінген, өздігінен ұйымдастырылатын ақпаратты жинақтау, өңдеу және тарату
жүйесі болып табылады.
ZigBee Bluetooth сияқты лицензияланбаған 2,4 ГГц диапазонды қолданады.
Еуропа мен АҚШ-та бұл стандарттан басқа 868 МГЦ және 915 МГЦ диапазондарын
қолданады. 2,4 ГГц диапазоны 11-26 арнаға әрқайсысы 5МГц болатындай
бөлінеді.
ZigBee желісінің OSI моделі 1.2 - кестеде көрсетілген. Бұнда физикалық
(PHY), арналық және желілік NWK (NetWork), қолданбалы APL деңгейлер бар.
Арналық деңгей IEEE 802.15.4 стандарты бойынша анықталатын MAC және LLC
ортаға ену қызметін қамтамасыз ететін ішкі деңгейден тұрады.
Қолданбалы деңгей (Application Support sub-layer - APS) қосымшасын
қолдау және (ZigBee Device Object - ZDO) құрылғысының объектілері мен
Application Objects объектілерінің ішкі деңгейінен тұрады, олардың барлығы
ZigBee құрылғысын дайындаушымен анықталады.
ZigBee желісі OSI моделінің физикалық және арналық деңгейлері
802.15.4 стандартында анықталады. Физикалық деңгейдің басты қызметі
радиоарна арқылы ақпаратты тарату және қабылдау болып табылады. Сонымен
қатар бұл деңгейде радиосигналдың қуатын, арнаның тазалығы мен байланыс
сапасын бағалау мен арнаны таңдау жүзеге асады. 1.2 - кестеде жоғарыда
айтылған деңгейлердің сипаттамалары берілген [11].
Кесте 1.2. ZigBee желісінің OSI моделі
Деңгей нөмірі OSI моделі Желі
7 Қолданбалы APL (APS, ZDO, Application
Objects) ZigBee
6 Көрсетілім -
5 Сеанстық -
4 Транспорттық -
3 Желілік NWK ZigBee
2 Арналық (ақпаратты LLC IEEE 802.15.4
1 Физикалық SSCS IEEE 802.15.4
MAC IEEE 802.15.4
PHY IEEE 802.15.4
ZigBee IEE802.15.4 стандарты бойынша ақпаратты тарату жылдамдығы 250
кбитс-қа дейін болуы мүмкін. 1.3 - кестеде ZigBee байланыс желісінің
негізгі параметрлері көрсетілген.
Кесте 1.3. ZigBee байланыс желісінің негізгі параметрлері
Параметрлері Мәні
Тарату жылдамдығы 250 кбитс
Құрылғы мекен-жайы 16-биттік қысқа мекен-жай немесе кеңейтілген
64-бит ұзындықты
Батарея жұмыс істеу Энергия деңгейін басқарумен
Диапазондаға арналар 2,45 ГГц диапазонында 16 арна
саны
Ақпаратты тарату Әр түйінмен берілетін ақпаратқа уақыт интервалын
бөлу
Байланыс арнасына ену Множественный доступ с контролем несущей CSMACA
әдісі тасушы басқарушымен Multiple access
Алмасу хаттамасы Жөнелтiлiмдi алу туралы хабарламасы бар
IEEE 802.15.4 стандарты OQPSK (Offset- Quadrature Phase-Shift Keying
оффсеттік квадратуралық фазалық манипуляция) модуляциясын пайдаланады.
Бұл стандарт кепілдендірілген уақыттық слоттары бар хабарламалардың
суперфреймді құрылымын пайдалануға мүкіндік береді. Суперфрейм желілік
координатор арқылы таратылып қзындығы бірдей 16 слотқа бөлініп маяктармен
шектеледі. Маяк әрбір суперфреймнің алғашқы слотының орнына орналастырылады
және ол желіні идентификациялау үшін бір-бірімен жалғанған құрылғылардың
синхронизациясы үшін қолданылады. Қажет жағдайда желі координаторы маягы
бар хабарламаларды өшіріп тастай алады. Аөпаратты тарату үшін слоттық
CSMACA ену механизмі қолданылады. Хабарламаның таратылуы келесі маяк
келгенше аяқталу керек.
IEEE 802.15 стандарты CSMACA арнасына ену үшін желі конфигурациясына
байланысты екі ену механизмін ұйымдастырады.
Маяксыз желілерде слотсыз ену механизмі қолданылады. Бұл әдістің мәні
құрылғы әрқашан ақпаратты таратар алдында кез-келген ұзақтықтағы пауза
жасайды. Кездейсоқ кешігу хабарламаның ір түрлі құрылғылардан бір уақытта
таралуының алдын алады. Егер арна бос болмаса, онда құрылғы кездейсоқ
кешігу арқылы ақпаратты таратуды қайталайды. Хабарламаны алғаны туралы
фреймдер бұл алгоритмсіз бірден жіберіледі.
Маяктар қолданылатын желіде слоттық,яғни тактикалық CSMACA ену
механизм әдісі пайдаланылады. Бұл жағдайда әрбір құрылғы слотының бастамасы
желілік координатор маягымен синхронизацияланған болу керек. Маяктар тек
қана желілік координатор арқылы траратылады, соның арқасында маяктар арқылы
барлық желідегі актілермен алмасу тактісі жүзеге асады.
Желілік координатор құрылғыға арналған суперфрейм бөлігін арнаның көп
бөлігін қажет ететін немесе тез арада жеткізілу қадеттілігі болатын ақпарат
үшін резерв ретінде сақтай алады. Бұл суперфреймде арна ұшін бәсекелестік
болмағандықтан, координатор басқа құрылғыларға кез-келген ақпаратты
таратуға тиым салады [13].
Кесте 1.4. ZigBee OSI моделі және оның негізгі қызметі
OSI моделі Қызметі
Физикалық деңгей (PHY)2,4 ГГц радиоарнасы
Арналық MAC ішкі CSMACA әдісін пайдалана отырып радиоарнаға енуді
деңгей деңгейі қамтамсыз етеді.Сонымен қатар маяктык фреймдерді
тарату мен синхронизацияға жауап береді.
SSCS ішкі Service Specific Convergence Sublayer
деңгейі і (спецификалық сервистерді жақындату ішкі деңгейі)
LLC және MAC шкі деңгейлері арасында интерфейс
қызметін
LLC ішкі деңгейі MAC деңгейі мен желілік деңгей арасында байланыс
ұйымдастырады.
NWK желілік деңгейі Келесі қызметтерді атқаруға қажет:
Ақпарат фреймдерін таратқан кездегі қауіпсіздік;
Желідегі жаңа құрылғыны анықтау және оған тіркеу
жасау. Сонымен қатар желіден құрылғыларды шығарып
тастайды;
Фреймнің жеткізілу орнына дейінгі маршрутын
көрсетеді;
Желі құрылғылары арасындағы маршруты анықтау;
Желідегі көрші құрылғыларды анықтау;
Көршілес түйіндер туралы ақпаратты сақтау.
ZigBee желісіне арналған OSI моделі арналық, желілік және қолданбалы
деңгейлер арқылы сипатталады. Арналық деңгейде SSCS сервистерін
спецификалық жақындату ішкі деңгейі LLC және MAC ішкі деңгейлерінің
арасында интерфейс қызметін атқарады. MAC ішкі деңгейінде CSMACA тасушы
бақылауымен Multiple accesss қолданылады. Бұл ішкі деңгей сонымен қатар
желі құрылғысының синхронизациясы мен маякті фреймдерді таратуға жауапты.
1.4 - кестеде ZigBee OSI моделі және оның негізгі қызметі көрсетілген.
IEEE 802.15.4 стандарты бойынша ZigBee желісінде байланыс арнасына ену
үшін екі әдіс қолданылады: бәсеке әдәс әжәне бәсекесіз әдіс.
Бәсеке негізіндегі әдісті пайдаланған кезде құрылғылар арасында
сигналды таратқан кезде ақпаратты таратпақшы барлық құрылғылар бірдей
жиілікте multiple access әдісән қолданады, яғни арнаның бостығын анықтаған
алғашқы құрылғы ақпаратты жібере бастайды. Құрылғылардың арасында сигналды
тарату кезіндегі бәсекесіз әдісте PAN координаторы әр құрылғыға жеке
кепілденген уақыттық интервал бөледі және олар CSMA-CA механизмінсіз
ақпаратты таратуды бастайды. Уақыттық интервал кепілденген болу үшін
желінің барлық құрылғылары синхронизацияланған болу керек. Ол үшін маяк
түріндегі хабарламалар пайдаланылады, олар барлық құрылғылар үшін ақпаратты
тарату уақытын синхрондайды. Бұл әдістің кемшілігі болып ZigBee желісінің
барлық құрылғылары синхронизация маягын алу мақсатында байланыс арнасын
тыңдау үшін ұйқы режимінен шығу керек.Сол үшін маякпен жұмыс істейтін
автономды режимнің уақыты СSMACA әдісін пайдаланатын желіден аз болады
[14].
Бірнеше құрылғы бір уақытта бірдей жиіліктік арнаны қолдана алу үшін
IEEE 802.15.4 стандарты коллизияның алдын алу арқылы көптік ену қызметін
жүзеге асырады (CSMACA). Бұл әдісте құрылғы байланыс арнасы бойынша
ақпаратты таратқысы келген кезде, ең алдымен басқа құрылғылар оны
пайдаланған кезде арна жағдайы бағаланады. Тек осыдан кейін ғана құрылғы
ақпаратты таратуды бастай алады. Арнаның бос немесе бос емес екенін арнаның
белгілі жиіліктегі спектралды энергиясын өлшеу мен берілген жиілікті алып
тұрған сигнал түрін анықтау арқылы білуге болады.
Коллизияның алдын алу арқылы көптік ену (CSMACA) механизмінің алғашқы
қадамы болып арна басқа құрылғылармен пайдаланылып жатпағандығына көз
жеткізу үшін арнаның бос екендігінің бағалануы MAC деңгейінде PHY физикалық
деңгейге сұраныс жіберу арқылы жүзеге асырылады. Арна жағдайының бағалануы
физикалық деңгейде жүзеге асырылатын сервистердің бір бөлігі болып
табылады. Арнаны бағалау процедурасының соңында сигнал қуаты немесе
энергетикалық деңгейін анықтау арқылы арнаның бос немесе бос емес екендігі
анықталады.
Арнаны бағалаудың үш түрлі режимі бар, IEEE 802.15.4 стандартында
физикалық деңгейде осылардың кез-келгенін пайдалануға болады:
- бірінші режимде арна жағдайын бағалаған кезде тек қана энергетикалық
деңгейдің анықталуы есепке алынады. Егер оның мәні белгілі бір мәннен артық
болса, онда арна бос емес деп есептеледі. Ол мән өндіруші- зауытпен
анықталады;
- екінші режим тасушы басқармасын жүзеге асырады (CS);
- үшінші режим бірінші және екінші режим қосындысы болып табылады.
Егер арна бос болмаса онда кездейсоқ уақыттан кейін құрылғы арнаны
қайтадан бағалайды. Кездейсоқ кешіктірулер арна бос болғанша немесе мүмкін
болатын максималды кешіктірулер санына жеткенге дейін жүзеге асырылады.
ZigBee жүйесінде байланыс арнасын сканерлеу мүмкіндігі MAC және NWK
деңгейлерінде болады. Арнаны сканерлеу ZigBee құрылғысының жеке жұмыс
кеңістігінде құрылғы түйіндерінің жұмысы туралы ақпаратты қамтамсыз етеді.
Арнаны сканерлеудің төрт типі бар:
- Энергетикалық деңгейді сканерлеу;
- Қосылмаған түйінді сканерлеу;
- Активті сканерлеу;
- Пассивті сканерлеу.
Әр арнаның энергиясын анықтау энергияны анықтау сервисі арқылы
анықталады. Қосылмаған түйінді сканерлеу кезінде қазіргі кезде ол жататын
PAN координаторы ізделеді.Қосылмаған түйінді сканерлеу кезінде MLME әрбір
арна туралы ақпаратты координаторға жібереді және координатордан қайта құру
туралы бұйрықты күтеді. Егер қайтақұру туралы бұйрық келген болса,онда ол
қабылдағышты өшіру арқылы сканерлеуді тоқтатады, әйтпесе құрылғы тізім
бойынша келесі арнаны сканерлейді. Активті сканерлеуден пассивті
сканерлеудің айырмашылығы онда маякты жіберу сияқты сұраныс жіберудің
қажеті жоқ. Сканерлеу сұранысын алғаннан кейін MLME қабылдағышқа алынатын
ақпарат жазбасын бастауға мүмкіндік береді. Бірақ активті сканерлеу кезінде
MLME маяк сұранысын жібереді. Маяктарды таратуға қосымша ретінде ZigBee
құрылғысы CSMA-CA алгоритмін пайдаланбай ене алатын жағдай бар. Бұл
жағдайда сұраныс расталғаннан кейін құрылғы ақпаратты бірден тарата
бастайды. Байланыс арнасына ену CSMA- CA әдісінің негізгі мәселелерінің
бірі жасырын түйіндерді болуы. Егер екі түйін арасы тым үлкен болып және
олар бір-бірінен ақпарат қабылдай алмаса, бірақ бұл екі түйін де басқа
түйінмен әрекеттесе алған жағдайда болады. Ара қашықтық үлкейген сайын әр
түйіннен берілетін сигнал қуаты азая береді. Егер екі түйіннің біреуі,
мысалы, А түйіні ақпаратты жіберген болса, онда Б түйіні арнаның бос
екендігін анықтайды, себебі оның қабылдағышы анықтайтын сигнал деңгейі
төмен болады. Сонымен қатар, егер Б түйіні ақпаратты таратпақшы болса және
рнаның бос екендігін анықтаса,онда екі түйін де бір В түйініне ақпаратты
жібере алады, осының арқасында коллизия туындауы мүмкін.
... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
НОРМАТИВТІК СІЛТЕМЕЛЕР 6
... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ..
АНЫҚТАМАЛАР, ҚЫСҚАРТУЛАР МЕН БЕЛГІЛЕУЛЕР ... ... ... ... ... .. 6
КІРІСПЕ 7
... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ...
... ... ... ... ... ... ... ... .. ...
1 Сымсыз желілерді ұйымдастыру хаттамаларының салыстырмалы 8
сипаттамалары
... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ...
... ... ... ... ... ... ...
1.1 Сымсыз желілерді кеңейту технологиялары ... ... ... ... ... ... ... .. 8
1.2 Сымсыз желілерді іске асырудың қиындықтары 9
... ... ... ... ... ... ... ... .. .
1.3 ZigBee артықшылықтары 11
... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ...
... .
1.4 ZigBee желісінің топологиясы 13
... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ...
1.5 IEEE 802.15.4 стандартының ерекшелігі ... ... ... ... ... ... ... ... ... 16
1.6 ZigBee сымсыз жүйесін қолдану 20
... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ...
1.7 Деректерді таратудың сымсыз ZigBee технологиясы ... ... ... ... ... . 22
1.8 Желілік технологиялар 29
... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ...
... ...
1.9 Физикалық деңгейі 32
... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ...
... ... ... ...
1.10 Деректерді тарату 35
... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ...
... ... ... ...
2 Жүйе сипаттамасы 37
... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ...
... ... ... ... ...
2.1 Жүйе компоненттері 37
... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ...
... ... ...
2.2 Жүйенің құрылымдық сұлбасы 38
... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ..
2.3 Желіні құру 39
... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ...
... ... ... ... ... ... ...
2.4 Деректер мен командалар беру 40
... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ..
3 Есептеу бөлімі 43
... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ...
... ... ... ... ... ... ..
3.1 Labview арқылы температураны бақылау 43
... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... .
3.2 Бағдарлама жобасы 43
... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ...
... ... ... ..
3.3 Дабылдың қамту аймағын есептеу ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 53
3.4 Шуды есептеу 57
... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ...
... ... ... ... ... ...
ҚОРЫТЫНДЫ 61
... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ...
... ... ... ... ... ... ...
ПАЙДАЛАНЫЛҒАН ӘДЕБИЕТТЕР ТІЗІМІ 62
... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... .
АНЫҚТАМАЛАР, ҚЫСҚАРТУЛАР МЕН БЕЛГІЛЕУЛЕР
ZigBee - IEEE 802.15.4 стандартының азқуатты радиотаратқыштарын
пайдаланатын желілік хаттамалардың жоғары деңгейінің жиынтығы
ZigBee желісі – бөлінген, өздігінен ұйымдастырылатын бір-бірімен
радиоарна арқылы байланысқан көптеген сенсорлы датчиктер мен жетекші
құрылғылардан тұратын желі.
IEEE 802.15 стандарты - отбасы желілік құрылғылары аз радиуста жұмыс
істеуімен ерекшеленетін жергілікті сымсыз желілерді ұйымдастыруға арналған
(Wireless Personal Area Networks, WPANs).
WPAN технологиясының кең тараған түрі Bluetooth деп аталады.
OSI (Open System Interconnection)
ISM (Industrial, Scientific and Medical)
VLAN – Virtual Local Area Network
IP – Internet Protocol
WLAN – Wireless Local Area Network
КІРІСПЕ
Шешілетін ғылыми мәселенің жағдайын бағалау. Қазіргі таңда сымсыз
технологиялар біздің өмірімізде өте маңызды орын алады. Ғаламторға қосылу
үшін біз Wi-Fi, 3G және 4G сияқты технологияларды, ал дауыс перифериясын
алу үшін Bluetooth, DECT пайдалану және GSM-телефонияны қолданамыз. Сымды
технологияларды сымсыз технологиялармен алмастыру арқылы, алдымен,
жылдамдықты арттыру мен кеңейтуді жеңілдетуге, қайта құрылым мен қайта
ұйымдастыру, желінің ауқымдылығына, сонымен қатар, кабель тартуға кететін
шығындарды үнемдеуге қол жеткіздік. Осыған қоса, сымсыз байланыс
технологиясы кабель жатпау керек жерлерде оңтайлы кеңейтуге қол жеткізуге
мүмкіндік береді, мысалы, құрылымдық ерекшеліктеріне байланысты қауіпсіздік
ережелерін сақтау үшін ғимаратты жалға алушы одан бас тартқан кезде сымсыз
технологияларды пайдалану өте ыңғайлы.
Тақырыптың өзектілігі. Әрине, сымсыз технологиялардың өзіндік
кемшіліктері бар, бірақ олар қазіргі заман талабына сай технологиялық
стандарттардың дамуына байланысты біртіндеп жойылып жатыр.
Технологиялардың өсу жылдамдығына және адамдардың өмір сүру
стандарттарының жоғарылауына байланысты адамдардың үйдің ыңғайлы болуына
сұранысы да жоғарылауда. Осыған сәйкес ақылды үйлер пайда болды және олар
желі прогрессіне байланысты қарқынды дамуда.
Зерттеу объектісі. Ақылды үй - жаңазаманғы компьютер технологиялары,
басқару технологиялары және ақпараттық технологиялардың қосындысы болып
табылады. Ақылды үй технологияларының дамуы сымды және сымсыз сатыларды
бастан кешірді. Кабелдің жетіспеуіне және оның ауқымдылығы аз болуына
байланысты сымсыз технологиялар ақылды үйлер үшін орны толмас желі болмақ.
ZigBee ақпаратты аз қашықтыққа таратуға арналған жақында ойлап табылған
коммуникациялық технология болып табылады. Оның көптеген аз қашықтықтық,
бағасының арзандығы және жылдамдығының аздығы сияқты өзіне тән
ерекшеліктері бар. ZigBee технологиясы пайдаланушыларды ыңғайлы мобильді
желімен қамтамсыз ете отырып, үйді басқаруға өте ыңғайлы болып келеді.
ZigBee технологиясы және оның қосымшаларының сипаттамаларының
артықшылықтары осы дипломдық жобада ақылды үйдің мысалында келтірілген.
Жұмыстың мақсаты мен міндеттері. Бұл жобада келтірілген ZigBee
технологиясына негізделген ақылды үй жүйесі сымдарды қажет етпейді және
тікелей үйдің ішінде орнатылады. Бұл жүйе үйді бақылау және терминалдық
түйіндерді басқаруды пайдаланушы менеджмент платформасы арқылы жүзеге
асырады. Осыған қоса, бұл ақылды үй жүйесінде әрбір сенсорлы терминал
түйіні үйдің ішінде болып жатқан температура, ылғалдылық, жарық мөлшері,
қауіпсіздік жүйесі сияқты процесстер жайлы ақпаратты жинақтай алады және
әрбір басқарушы терминалдық түйін үйдегі кез-келген жарық, ауа
кондиционері, электрлік перде, оятқыш сияқты құрылғылармен байланыса алады.
1 Сымсыз желілерді ұйымдастыру хаттамаларының салыстырмалы сипаттамалары
1.1 Сымсыз желілерді кеңейту технологиялары
Сымсыз желілерді кеңейту процесін түсіну оңайырақ болу үшін оларды
үшке бөліп қарастырамыз:
- жеке сымсыз желі (WPAN);
- аумақтық немесе жергілікті сымсыз желі (WLAN);
- ауқымды сымсыз желі (WWAN).
Бүгінгі таңда жоғарыда аталған үш қызметтің әрқайсысының негізінде
жатқан технология қайталанбас болып табылады, сонымен қатар, ол жіксіз
интеграцияланған желінің құрамына кірмейді. Мысалы, ғаламторға ғаламтор-
провайдер арқылы қосылған ЖК пайдаланушы тікелей өзі орналасқан аумақтағы
мекеменің жергілікті желісіне қосыла алмайды. Бұл мысал бұл екі қызметтің
әр түрлі екенін көрсетеді, олардың аппарттық сұраныстары да әр түрлі.
WPAN Технологиясы. WPAN жүйесі сымдарды алмастыруда көптеген дамуды
бастан кешірді. Мында бірнеше мысал келтірілген:
- сымсыз пернетақта;
- PDA жеке компьютермен байланыстыру;
- радиотелефон (базадағы сымсыз байланыс және жылжымалы аппараттық трубка).
WPAN алғашқы тағайындауына байланысты жалпы жағдайда аз
қуаттытаратқыштарды пайдаланады және сол арқылы шектелген кеңістікті
жабады. WPAN технологиясының кең тараған түрі Bluetooth деп аталады.
Bluetooth - бастапқыда инфрақызыл байланысты алмастыру үшін ойлап табылған
ақпаратты таратуда қолданылатын аз қуатты сымсыз жүйе. Оның негізгі
техникалық сипаттамалары:
- ақпаратты тарату жылдамдығы 732 Kbps немесе одан азырақ;
- тарату қашықтығы - метрден аз емес;
- роуминг жүйесінде жұмыс істей алмайды, бірақ бір Bluetooth-дан екіншісіне
өткенде байланысты сақтап қалады [1].
WLAN технологиясы. Бұл жүйе WLAN мүмкіндіктерін жүзеге асыруға
арналған, кейбір жағдайларда дәстүрлі кабельдік линияларды алмастыруда
қолданылады. Көптеген мекемелер мен үйдегі пайдаланушылар сымды жергілікті
желілерді алмастыру үшін Wi-Fi қолданады. Wi-Fi технологиясы үй ішілік және
офистік желіде қолданылумен қатар көпшіліктің ғаламторға қосылуына
мүмкіндік береді. Оның стандарты IEEE 802.11b (802.11b) – жақсартылған
алдыңғы 2-Мбит 802.11нұсқасы болып табылады. Оның негізгі сипаттамалары:
- ақпаратты тарату максималды жылдамдығы - 54МБитс;
- қолданылатын жиілік - 2,4 ... 5 ГГц;
- аймақты қамтуы - 100 метрге дейін.
Wi-Fi – бүгінде ең кең тараған сымсыз жергілікті желі. Жүйенің өзі аз
қашықтықта жұмыс істейтін жүйенің бөлігі болып табылады, әдетте, ондаған
метр радиус аумағын қамтиды және желіге қатынауды қамтамасыз ету үшін
лицензисы жоқ жиіліктер диапазонын пайдаланады. Пайдаланушылар жеке желіге
Wi-Fi арқылы қосыла алады. Егер WiMAX технологиясын мобилді телефонмен
салыстырсақ, онда Wi-Fi көбінесе стационарлық тұрақты сымсыз телефонға
ұқсайды.
WWAN технологиясы. Сымсыз телефон байланыс қызметін қамтамасыз ететін
компаниялар дауыс пен ақпаратты тарату үшін технологиялардың көптеген түрін
пайдаланады. Ұялы телефон желісінің кең тараған Екінші буыны (G2): GSM,
CDMA, TDMA технологиялары. Қазіргі портативті компьютерлерде кіріктірілген
WWAN адаптерлері (мысалы, HSDPA) бар. Ғаламдық сымсыз желі болғандықтан ол
бір немесе бірнеше мемлекетті қамти алады. Бұндай желілердің құрамы базалық
станциялардың санымен және тапсырыскер құрылғыларымен анықталады, сонымен
қатар, WWAN желілердің қамту аймағы ұяшықтардан тұрады. Бір базалық
станцияның қамту аймағы шеңбер құрайды, ол өз кезегінде алты басқа
шеңберлермен көршілес орналасады. Бұл орналасу оптимальді болып табылады,
инженерлер оны аралардан үйреніп алған. Екінші буын туралы сөз қозғаған
кезде алдымен GSM жөнінде айтқан дұрыс болады. GSM – арналарды бөлуі TDMA
принципі арқылы жүзеге асатын мобильді ұялы байланыстың ғаламдық стандарты.
Бұл әдіс бойынша радиожиіліктерді пайдалануда бір жиіліктік слотта бірнеше
абонент болу мүмкін, ал әр түрлі абоненттер ақпаратты тарату үшін әр түрлі
уақыттық слотты пайдаланады. Соған орай GSM стандартты ұялы желіде тек қана
сандық дауыс емес, сонымен қатар, сандық ақпарат таратылады [2].
1.2 Сымсыз желілерді іске асырудың қиындықтары
Сымсыз желіні кеңейту барысында есте сақтау керек бірнеше негізгі
мезеттер бар: сымсыз өндіріс нақты даму бағытында болғандықтан әр жүйе
бүгінгі таңда маңызды болып келетін өндірістің жеке бағыттарында
қолданылатын және кішігірім өмірлік циклге арналған желіні сканерлеу
процессінде; сымсыз технологияның әр типі мен формасы нақты
пайдаланушыларға немесе аймақты қамтуына байланысты бейімделеді. Қазіргі
кезде WPAN, WLAN және WWAN сияқты жүйелер бір-бірімен тікелей байланыса
алмайды (жоғарыдағы мысалда айтып кеткендей). Жүйенің әр түрі өзіндік
ерекшеліктер мен шектеулерге ие. Бүгінгі таңда потенциалды сымсыз желілер
мен кабелді жүйені алмастыру жөнінде көптеген дауласулар болып жатыр. Жаңа
заманда кабелді инфраструктурадан бас тартуға көптеген себептер бар. Соған
қарамастан, байланысты кабелді жүйе арқылы жүзеге асыру сенімдірек және
ақпаратты таратуда мәліметтердің таралу жылдамдығының жоғары болуына
толықтай кепілдік береді (мысалы, 1 Ggbs), сымсыз технологиялармен
салыстырғанда қазіргі жаңа кабелді желі арқылы жоғары қызмет көрсету
деңгейін қамтамсыз етуге болады.
Сымсыз технологияларда басқа да шектеулер бар:
- қызмет көрсету сапасын анықтайтын ағым жоқ, сондықтан дауыс пен бейнені
(IEEE 802.11e жұмыс тобы 802.11 QoS стандартымен анықталады) жіберу мүмкін
емес;
- радио диапазон кедергілері кепілдендірілген байданысты қамтамасыз етуді
қиындатады;
- құрылғының жұмысқа жарамды мерзімі аз [3].
Соған қарамастан, сымсыз желіні пайдаланушылардың орны толмас
артықшылығы бар, ол – ұтқырлық. Бүгінгі таңдағы сымсыз желілер өте ыңғайлы
және қолданыстағы дәстүрлі кабелді желіге жақсы қосымша болып табылады.
Ұтқырлықты алғашқы артықшылық деп есептесек, онда бір рет қолданлатын
кешенді кеңейту қырағылыққа жатпайды. Бірақ мұндай сымсыз кампус жүйесі
сияқты ауқымды жүйелерді өрістету кейбір қиындықтар тудырады, ол мобильді
құрылғыларға арналған IP-мекен-жай. Жалпы алғанда, стандартты желілер
кіріктірілген, сондықтан сіз жай ғана компьютерді желіден ажырата алмайсыз,
желіге қосылу үшін басқа ғимаратқа өтіңіз, осы желінің бөлігі ретінде
қабылданатын сіздің IP-мекен-жайыңызды күтеміз. Сірә, сіздің мекен-жай
басқа желіге тиесілі болады. Конфигурациялау протоколы (DHCP) Хост арқылы
осы мәселені шешуге болады, бірақ әлі де DHCP-сервер ішкі желімен байланысы
бар телефонды тағайындау керек. DHCP-сервер ұйымын пайдаланып мобильді
құрылғыларға арналған IP- мекен-жайын мәселесін шешудің екі жолы бар.
Бірінші - ғимараттар кешенінде (бұл жағдайда - кампус) VLAN ұйымдастыруға
қабілетті маршрутизаторлар орнату болып табылады және барлық ұялы
құрылғыларды қамтитын, осылайша аймақтағы IP-адрес жұмысына мүмкіндік
беретін бір арнайы тізбек ұйымдастыру. Екінші амал - Mobile IP хаттамасын
пайдалану. Сымсыз желі жүзеге асыру кезінде басқа құрылғылардан келетін
кедергілері бірдей жиілік ауқымын пайдаланатынын есте сақтау керек. Қызмет
стандарты 802.11b г Bluetooth, радиотелефондар және көптеген басқа сымсыз
құрылғылар сияқты бірдей диапазонды пайдаланады. Сымсыз желіні
пайдаланушылар берілген қызмет жүйесінің сапасы жоғары болады деп күте
отырып осының барлығын ескеріп, қабылдау керек. Сонымен қатар, барлық
802.11x стандартты сымсыз құрылғылар бір-бірімен жұптасқан болу керек. Екі
немесе одан да көп кіру нүктесі бір-бірімен келісімде жұмыс істеу керек.
Қазір 802.11bg стандартында 11 арна бар, нүктк-нүкте байланысы 3 арнаны
пайдаланады және қалған қолданылбаған арналар әр нүктенін арасында
қолданылады. Жалпы алғанда барлық 11 арна бір интегралданған сымсыз желімен
пайдаланылуы мүмкін. Сымсыз қызмет көрсету жүйесін жақсарту мақсатында
көптеген университеттер басқарусыз пайдаланылатын сымсыз құрылғыларды
жиілік диапазонынан алып тастайтын қатаң орталықтандырылған басқару
жүргізеді.
1.3 ZigBee артықшылықтары
ZigBee технологиясы қиын шу болған жағдайларда жұмыс істеуді ескере
отырып іске асырылды. Кедергілермен күресу үшін келесі принциптер мен
механизмдер қолданылады, яғни, жіберілетін сигнал спектрінің кеңейтілуі,
қақтығысулардың алдын алатын процедуралар, ақпаратты тарату арнасының
параметрлерін өлшеу, деректер тұтастығы, расталған және қайта жіберілген
деректер дестелерді қалыптастырады. Бастапқы екілік сигнал спектрін кеңейту
үшін олар кейдейсоқ реттіліктерге айналдырылу керек, берілген жағдайда, шу
сияқты сигнал хабар. Спектрді кеңейту әдісі берілетін сигналға (DSSS)
таржолақты кедергілермен тиімді күресуге мүмкіндік береді. Ақпаратты жіберу
процесін бастар алдында құрылғы арнаның бос екендігін тексереді, арнаның
бос емес екендігіне көз жеткізгеннен кейін іс-әрекетті қайтадан қайталайды.
Бұл принцип екі немесе бірнеше жіберуші құрылғылардан біруақытта хабарың
таралуына жол бермейді. Егер ақпарат жіберілмесе, қабылдаушы берілген
дестенің сомалық санын (CRC – циклдық артықшылық) тексеру арқылы қатені
анықтайды. Егер желідегі қандай да бір түйін кедергілерге немесе физикалық
ауытқушылыққа байланысты жұмысын атқара алмаса, ақпарат қабылдаушыға қалған
екі түйін арқылы жеткізіледі.
Wi-Fi мен Bluetooth екеуі де қысқа диапазонға ие болғандықтан және
екеуі де салыстырмалы түрде қуатты көп тұтынатын болғандықтан эксперттер
көп уақыт бойы олардың тиімсіздігі жайлы мәселені қозғап келеді [4].
ZigBee құрылғысы және аспап толығымен мәліметтерді 80-90 метрден артық
ара қашықтыққа таратпайды, бірақ ол Wi-Fi мен Bluetooth құрылғыларының
трафик арнасы үшін туннель қызметін атқара алады. Қуат жағына келетін
болсақ, теориялық тұрғыдан, ZigBee құрылғысы бірнеше ай немесе тіпті
бірнеше жыл жұмыс істеу үшін бір батарея жеткілікті болады.
Бұл стандарттың басқа да артықшылықтарын айтып өте кету керек, оларға
кең ауқымдылық, авариялар жағдайында өздігінен қалпына келуі және оңай
орнатылатындығы жатады. Бір желіде 64-биттік адресацияны пайдаланған кезде
60 мың ZigBee құрылғысы біріктіріле алады. Ақырында, ZigBee таратқышының
өндірісте массалық шығарылуына байланысты, теорияда, бағасы Wi-Fi мен
Bluetooth-ға қарағанда әлдеқайда төмен болады.
Сонымен қатар:
- төмен қуаттұтынушылық;
- өнімнің арзандығы;
- желіні әр түрлі топологияларда ұйымдастыру мүмкінділігі жоғары (IEEE
адресация кезінде түйіндер саны 264 және жергілікті адресация болғанда 216
болады), радиосигналды қосымша күшейтусіз байланыс қашықтығын ұзарту;
- желі шешімдерінің жоғары сенімділігі және жүйенің маршрутизация
процедураларын қолдану арқылы өздігінен қалпына келуі;
- қауіпсіздік жүйесінің көпдеңгейлілігі (яғни мүмкіндік басқармасы
кестесінің пайдаланылуы және іске асырылуы, AES кодтау алгоритмі және
қосымша деңгейінде өзіндік алгоритмдер);
- орнату және қызмет көрсету ыңғайлылығы.
ZigBee желісінің ұйымдастырылуы. ZigBee (IEEE, 802.15.4 стандарты) -
бұл сымсыз байланыстың төмен жылдамдықты жеке желілерінің стандарты - Low
Rate Wireless Personal Area Network (LR-WPAN). Оған шамамен 27 арна үш
эфирлі диапазонында бекітіледі. Барлық әлем бойынша 2,4 ГГц жиілікте (16
арна), АҚШ үшін қосымша 915 МГц (10 арна) және дәл осындай 868 МГц Еуропа
үшін (бір арна). Құрылғылардың арасындағы ақпаратты тарату жылдамдығы бос
емес арналардың санына байланысты және
256 кбитс пен 20 кбитс аралығында ауысуы мүмкін. Ортаға қол жеткізу
мүмкіндігі ISM (Industrial, Scientific and Medical) жиілік диапазонында
жүзеге асады, физикалық деңгей 868915 МГц жиілігінде екілік фазалық
манипуляцияны (BPSK) және 2,4 ГГц жиілігінде ауысымы бар квадраттық фазалық
манипуляцияны пайдаланады. Ортаға қол жеткізу үшін коллизияның алдын алатын
және тасушыны басқаратын бірнеше мүмкіндікті механизм (CSMA-
CA)пайдаланылады. Берілген механизм ақпаратты жіберер алдында байланыс
арнасының жағдайын анықтауға негізделген, сонымен қатар бірнеше құрылғыдан
бір уақытта ақпарат тарл,андықтан болатын соқтығысулардың санын азайтуға
мүмкіндік береді. IEEE 802.15.4 стандарты жартыдуплексті ақпарат таратуға
негізделіп құрылған, ол CSMA-CA әдісін тек қана коллизияның алдын алады
бірақ анықтамайды. Zigbee датчиктер желісі жұмысының сипаттамасы мен
принципін анықтайды. Құрылғы иерархиялық желі құрайды, және бұл иерархияны
ZigBee координаторы басқарады. Маршруттар иерархияны ескереді, тіпті
ақпарат ағынының оптимизациясы да болуы мүмкін [5].
Сурет 1.1. Zigbee желісін ұйымдастыру
мұндағы ZC –Zigbee координаторы;
R –Zigbee маршрутизаторы; E – Zigbee соңғы құрылғысы.
Желіні ұйымдастырудың негізгі параметрлері:
- Zigbee координаторы, оның негізгі мақсаты желіні анықтау және оған
оптималді параметрлерді орнату болып табылады;
- Zigbee маршрутизаторлары Zigbee координаторы арқылы немесе басқа желіге
кіріп тұрған маршрутизаторлар арқылы желіге қосылуды ұйымдастырады;
- соңғы құрылғылар кез келген Zigbee маршрутизаторымен немесе Zigbee
координаторымен байланыса алады;
- әдепкі хабар трафик иерархиясының бөлімдерінің бойымен таратылады;
- өзінде қажетті мүмкіндіктері болғандықтан, маршрутизаторлар белгілі бір
түйінге оптималды жолды анықтай алады және оларды маршрутизация кестесінде
келесіде пайдалану үшін сақтайды.
1.4 ZigBee желісінің топологиясы
ZigBee стегі желінің әр түрлі конфигурацияларын қолдайды және
құрылғылардың іске асырылуы мен ұйымдастырылуын мынадай топологиялар арқылы
жүзеге асырады: нүкте-нүкте, жұлдыз, кластерлі ағаш және көпұяшықты
желі. Стектің желілік функциялары активті арналарды анықтау,
идентификация,яғни активті арналардағы құрылғыны анықтау үшін, іске
қосылмаған активті емес арналарда желіні құру процесі және жеке аймақтағы
сымсыз желіде қолданыстағы желіні біріктіру үшін желіні сканерлеуді жүзеге
асыра алады. Қолдайтын сервистерді анықтау құрылғының белгілі профилі мен
маршрутизацияның функцияларымен сәйкес жүзеге асырылады. Осылайша, құрылғы
автоматты түрде жағымсыз салдарларды әр түйінге басқа маршруттардың бар
екендігін ескере отырып жоя бір нүктедегі істен шығу желіге кіріп-шыға
алады. 1.2 - суретте ZigBee желісі топологиясының бірнеше нұсқасы
келтірілген [6].
Сурет 1.2. Желi топологиясының нұсқалары
Freescale Semiconductor компаниясы IEEE 802.15.4 стандарт базасына
негізделген әр түрлі қиындықтағы сымсыз байланыс желілерінің іске
асырылуының аяқталған шешімін алғашқы болып ұсынды. Компания тауарының
номенклатурасы ISM (Industrial, Scientific and Medical) 2,5 ГГц
диапазонында жұмыс істейтін радиотрансиверлі МС141922 микросхемаларды, 16-
биттік арнайы MC8S06GBСT микроконтроллерлер, кез-келген топологияның
–қарапайым нүкте-нүкте мен жұлдыз байланыс типтерінен бастап кластерлі
ағаш және көпұяшықты желі сияқты қиын топологияларға дейін сымсыз
интерфейсін жүзеге асыруға арналған бағдарламалық жасақтама
ұсынады.Бұлардың барлығы ZigBee стегіне негізделген және ол дайын сымсыз
шешімдерді 802.15.4 ZigBee бір өндірушінің компоненттерімен құрастыруға
мүмкіндік береді.
Freescale Semiconductor компаниясының радиомодемді сызғышы МС14191
және МС14192 таратқыш пен қабылдағыш екі микросхемасынан
тұрады.Радиомодемдер 802.15.4 (МС14192) стандартына сәйкес келетін MACPHY
деңгейде 2,5 ГГц жиілігінде жұмыс істейді және ақпараттарды тарату
жылдамдығы 255 кбитс дейін болуын қамтамасыз етеді. Микросхемалар кез-
келген радиоинтерфейс ұйымдастырылуында жүзеге асырылу мүмкіндігі бар
әмбебап және бірегей RF-таратқыш-қабылдағыш болып табылады. Ақпарат алмасу
үшін екі режимді пайдалануға болады: дестелік және ағындық ақпарат алмасу.
ZigBee 802.15.4 желісінің құрылымы. IEEE 802.15.4 негізделген сымсыз
желілер кеңейтілген жүйелерде сымды байланыстың орнына қолданылады.
Мониторинг пен бақылау, иілгіш архитектура сымды желінің орнатылыуы мен
эксплуатациясынан өзгеше.
2001 жылы Электротехника және электроника инженериясының институты
IEEE WPAN желісінің жеке сымсыз отбасына жататын жаңа
802.15.4 стандартын шығарды. 2002 жылы ZigBee Альянсы құрылды. ZigBee
Альянсы жартылайөткізгіштік заттарды 100-ден асиам компанияға жеткізуші,
дайын шешімдердің өндіріушісі сонымен қатар ғаламдық ZigBee стегі болып
табылады. Бағдарламалық жасақтаманың сертификация протоколы 802.15.4 IEEE
негізделген және жоғары сенімділік пен аз қуат тұтынатын нүкте- нүкте,
жұлдыз, кластерлі ағаш сияқты әр түрлі торпологияларға нгізделген
сымсыз қосымшаларға арналған.
ZigBee технологиясы жоғары қуат пен дамыған эксплуатационндық
сипаттамаларды пайдаланатын төмен жылдамдықтағы және аз қуатты қосымшалар
үшін немесе бір де бір жалпы стандартқа жатпайтын әр түрлі өндірушілердің
радиомөлдір чиптеріне негізделген радиоинтерфейсті тауаша болып табылады.
Төмендегі 1.3 - суретте келтірілген сымсыз желі стандарттары (Bluetooth,
WLAN) үлкен көлемдегі ақпаратты (дауыс,бейне, мәліметтер) жоғары
жылдамдықпен (2-ден 220 Мбитс-қа дейін) 8-ден 110 метрге дейінгі үлкен ара
қашықтықтарға таратуға жақсы сәйкес келеді. Құрылғы батарея немесе
аккумулятор негізінде жұмыс істейді. Осының барлығы компьютер желісіндегі,
ойын-сауық жүйелеріндегі сымды байланысты сымсыз байланыспен алмастыруға
мүмкіндік береді. Соған қарамастан, басқа да ерекше, бірегей сипаттамалары
бар (жіберілетін аз көлемдегі ақпарат, аз қуаттұтыну, қызмет көрсету мен
орнатудың жеңілдігі, желілік түйіндердің көптүрлілігі және т.б.) көптеген
жүйелер бар (әр түрлі датчиктер, мәліметтерді жинау мен басқару жүйесі),
нәтижесінде бұл технологияларды пайдалану тиімділігі 100%-ға жетеді. Осы
сияқты мәселелерді шешу IEEE 2802.15.4 (ZigBee) технологиясы WPAN төмен
жылдамдықты желілерге бағытталған [7].
Сурет 1.3. Негізгі сымсыз байланыс стандарттарының
классификациясы
ZigBee802.15.4 технологиясының пайдаланылуы ең төменгі құн бойынша
сымсыз интерфейстерді дамытуға мүмкіндік береді. Бұның барлығы
сұлбатехниканың жеңілдігі мен сыртқы пассивті элементтердің минималды
санына байланысты, сонымен қатар дайын бұның барлығы аз көлемді стекті
бағдарламалық жасақтамалар. Берілген стандарт көпұяшықты топологиялы желіні
ұйымдастыруға мүмкіндік береді, түйіндердің өте үлкен санына қызмет
жасайды, соның арқасында қосымша шығынсыз және аз қуатты пайдалану арқылы
байланыс қашықтығының ұзын болуын қамтамасыз етеді.
Сымсыз төмен жылдамдықты жеке желіліерге (WPAN) арналған IEEE
802.15.4 стандарты PHY физикалық деңгейін және MAC ортасына ену
рұқсатының деңгейін анықтайды.
1.5 IEEE 802.15.4 стандартының ерекшелігі
ZigBee-стектің ерекшелігі желі деңгейінің көмегімен, сонымен қатар
қауіпсіздік деңгейі мен қосымшаға ену рұқсаты арқылы анықталады. Ол 802.15
база стандартына негізделе отырып құрылғылардың сәйкестігін қамтамсыз етуге
көмектеседі.
Кесте 1.1. IEEE 802.15.4 стандартының негізгі сипаттамалары
Стандарт 802.15.4 ZigBee™
Жиілік 868 МГц 915 МГц 2,4 ГГц
Арна саны қадам 102 МГц 102 МГц 165 МГц
Таралу аумағы Европа Америка Барлық әлем
Модуляцияның макс. жылдамдығы 20 кбитс, 40 кбитс, 250 кбитс,
BPSK BPSK O-QPSK
Ном. шығыс қуаты 0 dBm (1 0 dBm (1 0 dBm (1
мВт) мВт) мВт)
Қашықтық 10-100 м 10-100 м 10-100 м
Сезімталдығы 92dBm 92dBm 85dBm
Стек өлшемі 4-32 кбайт 4-32 кбайт 4-32 кбайт
Батареяның қызмет көрсету ұзақтығы 100 -1000 100 -1000 100 -1000
және одан және одан және одан
жоғары жоғары жоғары
күндер күндер күндер
Желі өлшемі 65536 65536 65536
(16-биттік (16-биттік (16-биттік
адрестер), адрестер), адрестер),
264 264 264
(64-биттік (64-биттік (64-биттік
адрестер) адрестер) адрестер)
Сымсыз қосымшалар мен интерфейстерге арналған ZigBee технологиясының
жаһандық ерекшелігі 802.15.4 бірыңғай стандартына негізделген. Алғашқыда
қосымшалардың мониторингі пен бақылауына негізделген бұл технология қазіргі
кезде датчиктерден кеңейтілген желі құруға, арзан, энергияны аз тұтынатын
сымсыз ақпараттық сымсыз желілерді кеңейтуге мүмкіндігі бар. Бұл жүйелер
коммерциялық мақсаттармен қатар өндірістік және үй автоматикасында
пайдаланылады.
802.15.4ZigBee стандартының басты артықшылығы бұндай жүйелердің онай
және ыңғайлы орнатылуы мен қызмет көрсетуге мүмкіндігі болып табылады.
ZigBee спецификациясының ерекшеліктеріне байланысты оған сымсыз жеке
желілерді сканерлеуге рұқсат етіледі. Осылайша, құрылғының жәшіктен алынып,
батареяның қай жерге қойылатынын және батырманы басу сияқты қарапайым іс-
әрекеттер жасалады. Батырманы басып, ұзағырақ светодиодтың жасыл шамы
жанғанша ұстап тұру қажет. Осының арқасында, екі құрылғының, мысалы, жарық
сөндіргіщ пен шамның арасында желілік байланыс орнатылады. Бұл қағиданы
іске асыру мен жобалау, яғни ZigBee модулдерін қазіргі таңдағы барлық жаңа
үйдегі немесе офистегі жүйелерге орнвтуға болады. Осының негізінде, әр
түрлі өндірушілер жасаған өнімнен сәйкес құрылғыларды бірыңғай желіге
біріктіруге мүмкіндік бар[8].
Үлкен кәсіпорындарға жаңа технологияларды енгізудің басты критерийі
бір құрылғының соңғы бағасы тиімді болуында.
Сурет 1.4. ZigBee хаттамасының құрылымы
Бұндай қосымшалардың бағасы өте маңызды және жоғары, сол үшін
кәсіпорын мәселесіне келгенде тіпті теңгенің жүзден бір бөлігінің алатын
орны өте зор. Соған қарамастан, ZigBee соңғы бағасын төмендету үшін
қолданыстағы және жаңа нарықтың санын мүмкіндігінше дамытып, сонымен қатар
өндіруші компаниялардың электронды компоненттерінің қойылымын барынша
жоғарылату керек. Тұрмыстық техника нарығындағы құрылғылардың көптүрлілігі
бірлік миллиардтармен өлшенуі оған мүмкіндік береді.
ZigBee протоколының стегі жеті деңгейлі OSI (Open System
Interconnection) ашық жүйесінде ақпараттарды тарату қағидасына сәйкес
иерархиялық модель болып табылады. Стек құрамына ZigBee спецификациясымен
белгіленетін байланыс арнасын орнатуға жауап беретін, бағдарламалық
желілік, қосымшаларды қолдайтын IEEE 802.15.4 стандартының деңгейлері
кіреді.
Сымсыз желіні ZigBee-стекті пайдаланбай-ақ жүзеге асыруға болады. Кез-
келген меншікті стек MAC деңгейі мен 802.15.4 стандартты PHY деңгейін
қолдана алады. 1.4 - суретте 802.15.4 стандарты сымсыз сенсорлы желідегі
OSI эталондық моделінің деңгей архитектурасы келтірілген. IEEE
802.15.4 стандарты екі төменгі стек деңгейіне қызмет көрсетіп,
анықтайды: ортаға ену мүмкіндік деңгейі (MAC) және таралу ортасында
ақпаратты тарататын физикалық деңгей (PHY), басқаша айтқанда ақпаратты
сымсыз тарату хаттамасының соңғы екі деңгейі. Альянс ZigBee стегінің
арналық мәліметтерді тарату (Data Link Control) деңгейінен бастап
құрылғының профиль деңгейіне дейін бағдарламалық деңгейді жүзеге асырады.
Бұл ретте, радиоарнамен мәліметтерді тарату мен қабылдау PHY физикалық
деңгейінде іске асады. Оның өзіндік шарттары бар: операциялық жиілік
диапазоны, модуляция типі, максималды жылдамдық, арналар саны. PHY деңгейі
таратқыш пен қабылдағыштың белсендіру-өшіру функциясын, жұмыс арнасында
қабылданатын сигнал энергиясының детектірленуін орындайды, физикалық
жиіліктік арнаны таңдайды, бос арнаны бағалайды, мәліметтер пакеті
қабылдағышқа жеткен кезде оның сапасын бағалайды. 802.15.4 стандарты
физикалық радио немесе радио таратқыш пен қабылдағыштың микросхемасы екенін
есте сақтап,ескеру қажет, ал ZigBee технологиясының өзі қауіпсіздік пен
маршрутизацияға жауап беретін бағдарламалық стек және логикалық желі болып
табылады [9].
Келесі стандарт құрылғының желіге кіріп-шығуын қамтамасыз ететін,
желіні ұйымдастыруға мүмкіндік беретін, мәліметтер пакетін құрастыратын,
қауіпсіздіктің әр түрлі режимдерін (128-битті шифрлеу AES қоса), 32 - және
64-биттік адресацияны жүзеге асыратын Zigbee стек құрылымында IEEE
MAC ортасына ену мүмкіндігін беретін басқару деңгейі болады. Желіге
ену мүмкіндігінің әр түрлі механизмдерінің қамтамасыз етілуі, нүктк-нүкте
типті желі топологиясынан бастап көпұяшықты желі топологиясына дейін
қолдауы мәліметтер алмасуына толықтай кепілдік береді және де дестелік пен
ағындық мәліметтерді таратуды қолдауы MAC ортасына ену мүмкіндігін
қамтамасыз етудің негізгі мәселесі болып табылады.
Қалаусыз әрекеттесулерді болдырмас үшін CSMA-CA (қақтығысуларды
ескертетін және тасушыны басқаратын ортаға енудің көптігіне негізделген
хаттама) протоколына негізделген уақыттық бөлуді пайдалануға болады. ZigBee
уақыттық бөлінуі синхронизация режимін пайдалануға негізделген, яғни бұны
көп уақыт ұйқы режимінде болатын, координатор желісінен синхронизация
сигналын алар кезде периодты түрде оятуға болатын желілік құрылғыдан
бағынышты режим ретінде сипаттауға болады. Бұл жергілікті желі
құрылғыларына уақыттың қай мезетінде мәліметтерді тарату дұрыс болатындығын
біліп және соған сүйенуге мүмкіндік береді. Бұл механизм байланыс арнасының
жағдайын мәліметтерді таратқанға дейін анықтауға негізделген. Ол сонымен
қатар бірнеше құрылғымен бір уақытта сигнал жіберілгенде қақатығысуларды
азайтуға (бірақ жоймайды) көмектеседі. Ақпаратты жартылайдуплексті режимде
(құрылғы мәліметтерді қабылдайды немесе таратады) тарататын IEEE 802.15.4
CSMA-CA әдісін коллизияны анықтауға мүмкіндік бере алмайды, бірақ оның
алдан алу өте маңызды.
Сурет 1.5. 802.15.4 стандарты сымсыз сенсорлы желідегі OSI эталондық
моделінің деңгей архитектурасы
ZigBee желісіндегі процесті жүзеге асыратын құрылғы профильдерінің
бірыңғай кітапханасының құрастырылуы әр түрлі өндірушілер жасаған
құрылғылардың сәйкестендірілуіне көмктеседі. Құрылғыға белгілі бір типті
анықтау үшін қажет (мысалы, жарық немесе өрт датчиктері) қызметтер жиыны
сияқты пайдаланушылар профилі ZigBee стектің жоғары жағында орналасқан және
нақты қосымшалар мен стандартты бағдарламалық модулдерді қамтамсыз етеді.
1.6 ZigBee сымсыз жүйесін қолдану
Сымсыз қосымшалар мен интерфейстерге арналған ZigBee технологиясының
жаһандық ерекшелігі 802.15.4 бірыңғай стандартына негізделген. Алғашқыда
қосымшалардың мониторингі пен бақылауына негізделген бұл технология қазіргі
кезде датчиктерден кеңейтілген желі құруға, арзан, энергияны аз тұтынатын
сымсыз ақпараттық сымсыз желілерді кеңейтуге мүмкіндігі бар. Бұл жүйелер
коммерциялық мақсаттармен қатар өндірістік және үй автоматикасында
пайдаланылады. ZigBee 802.15.4 технологиясының қолданылу аймағы келесідей:
- Ғимараттарды автоматтандыру: датчиктер, қауіпсіздік және сигнализация
жүйесі, жылыту, желдету, кондиционерлеу, ену мүмкіндігін басқару;
- Медицина: биодатчиктер, емделушінің диагнозын анықтау, шақыру
батырмалары, фитнеске арналған құрылғылар;
- Өндірістік басқару және мониторинг: активтерді басқару, процесстерді және
құрылғыларды алыстан басқару, телеметрия және өндірістік автоматика;
- Үй ішін автоматтандыру: алыстан басқару, интерактивті ойындар, портативті
құрылғылар, тұрмыстық техника;
- ЖК перифериясы: пернетақта, тышқан, джойстик.
Тұрғын үй коммуналдық шаруашылығы: жарықты басқару, тұрғын үй
коммуналдық шаруашылығының мониторингі, жарықтандыру, жылыту мен су
электроэнергиясының есебі.
ZigBee технологиясын пайдалану арқылы шешілетін басты мәселе – көлемі
аз мәліметтерді орташа қашықтыққа тарату. Ең басты ерекшелігі бұл
стандарттың таратып-қыбылдау құрылғылары минималды қуатты тұтынатыны болып
табылады. IEEE 802.15.4 мен ZigBee арқылы сапасы жоғары ағындық дауыс және
бейне таратуға болмайды, бірақ кез келген сферада қиын басқару және
мониторинг сұлбасын құрастыруға болады. ZigBeе технологиясы арқылы
құрастырылған сымсыз жүйелердің қолданылу аясын қарастырайық.
Қалалық жарықтандыу жүйесі. OWLET неміс компаниясы XBee модулі
базасының негізінде қала көшелерінің жарықтандыруын бақылау жүйесін жүзеге
асырды. Аз қуатты модулдер пайдаланылған және бір модуль жер деңгейінен
бірнеше метр биіктікте орналасқан столбта орнатылған, ал екіншісі
автомобиль төбесіне бекітілген. Тәжірибе нәтижесінде қамша антеннасы бар
азқуатты модулдер арақашықтығы 100 м болатын аралыққа дейін мәліметтер
жоғары сапамен таратылғаны көрінеді [10].
Басқарылатын ZigBee - шам. Бұндай шамдар сымсыз арна арқылы көшелік
жарықтандыруды басқару аясында қолданылады. Желі ZigBee стандартының
жарықтандыру светодиодты шамдарының корпусына тікелей орнатылған және
басқару шектеріне қосылған радиомодулдеріне негізделген. XBee модулі шамға
орнатылған қуат көзінен жұмыс істейді.
Сурет 1.6. Қалалық жарықтандыру жүйесі
Сурет 1.7. Басқарылатын ZigBee-шам
Сурет 1.8. Ақылды үй жүйесі
Ақылды үй жүйесі. Сымсыз ZigBee - модулдері Ақылды үй жүйесінде
кеңінен қолданылады).
Бұл модулдер жылыту, кондиционерлеу,жарықтандыру құрылғыларын,
вентиляцияны басқаруда және т.б. қолданылады. Бұндай модулдер үй
автоматизациясы құрылғылары арасында және энергоресурстарды есептейтін
коммуналдық қызмет инфраструктурасын өлшеу құрылғылары арасында сымсыз
байланыс орнатуға мүмкіндік береді.
1.7 Деректерді таратудың сымсыз ZigBee технологиясы
ZigBee желісінің OSI моделінің сипаттамасы. IEEE 802.15 стандарты
отбасы желілік құрылғылары аз радиуста жұмыс істеуімен ерекшеленетін
жергілікті сымсыз желілерді ұйымдастыруға арналған (Wireless Personal Area
Networks, WPANs). Олардың барлығы бір-бірімен әрекеттесетін ашық жүйенің
(Open System Interconnection, OSI) төменгі екі деңгейін сипаттайды:
физикалық (PHysical Layer, PHY) және ортаға қол жеткізу деңгейі (Medium
Access Control, MAC).
ZigBee - IEEE 802.15.4 стандартының азқуатты радиотаратқыштарын
пайдаланатын желілік хаттамалардың жоғары деңгейінің жиынтығы.
ZigBee – көп жағдайда ұйқы режимінде болады, бұл жағдайда энергия өте
аз қолданылады, соның арқасында құрылғы көп уақыт бойы ьатаредан жұмыс
жасай алады. Сонымен қатар, ол 15 мс ішінде активті режимге көше алады,
яғни ұйқы режимінен активті режимге көшеді.
ZigBee желісі – бөлінген, өздігінен ұйымдастырылатын бір-бірімен
радиоарна арқылы байланысқан көптеген сенсорлы датчиктер мен жетекші
құрылғылардан тұратын желі. Бір элементтен екінші элементке ақпаратты
түйіндер арқылы тасымалдай алғандықтан желінің қамту аймағы бірнеше метрден
бірнеше километрге жетеді. Бүгінгі таңда сымсыз сенсорлы желі технологиясы
басқару мен мониторинг мәселелерін шешуге арналған ұзақ уақыт бойы
автономды режимде батареядан жұмыс жасай алатын жалғыз сымсыз технология
болып табылады. Бір сымсыз сенсорлы желіге біріктірілген датчиктер аймақтық
бөлінген, өздігінен ұйымдастырылатын ақпаратты жинақтау, өңдеу және тарату
жүйесі болып табылады.
ZigBee Bluetooth сияқты лицензияланбаған 2,4 ГГц диапазонды қолданады.
Еуропа мен АҚШ-та бұл стандарттан басқа 868 МГЦ және 915 МГЦ диапазондарын
қолданады. 2,4 ГГц диапазоны 11-26 арнаға әрқайсысы 5МГц болатындай
бөлінеді.
ZigBee желісінің OSI моделі 1.2 - кестеде көрсетілген. Бұнда физикалық
(PHY), арналық және желілік NWK (NetWork), қолданбалы APL деңгейлер бар.
Арналық деңгей IEEE 802.15.4 стандарты бойынша анықталатын MAC және LLC
ортаға ену қызметін қамтамасыз ететін ішкі деңгейден тұрады.
Қолданбалы деңгей (Application Support sub-layer - APS) қосымшасын
қолдау және (ZigBee Device Object - ZDO) құрылғысының объектілері мен
Application Objects объектілерінің ішкі деңгейінен тұрады, олардың барлығы
ZigBee құрылғысын дайындаушымен анықталады.
ZigBee желісі OSI моделінің физикалық және арналық деңгейлері
802.15.4 стандартында анықталады. Физикалық деңгейдің басты қызметі
радиоарна арқылы ақпаратты тарату және қабылдау болып табылады. Сонымен
қатар бұл деңгейде радиосигналдың қуатын, арнаның тазалығы мен байланыс
сапасын бағалау мен арнаны таңдау жүзеге асады. 1.2 - кестеде жоғарыда
айтылған деңгейлердің сипаттамалары берілген [11].
Кесте 1.2. ZigBee желісінің OSI моделі
Деңгей нөмірі OSI моделі Желі
7 Қолданбалы APL (APS, ZDO, Application
Objects) ZigBee
6 Көрсетілім -
5 Сеанстық -
4 Транспорттық -
3 Желілік NWK ZigBee
2 Арналық (ақпаратты LLC IEEE 802.15.4
1 Физикалық SSCS IEEE 802.15.4
MAC IEEE 802.15.4
PHY IEEE 802.15.4
ZigBee IEE802.15.4 стандарты бойынша ақпаратты тарату жылдамдығы 250
кбитс-қа дейін болуы мүмкін. 1.3 - кестеде ZigBee байланыс желісінің
негізгі параметрлері көрсетілген.
Кесте 1.3. ZigBee байланыс желісінің негізгі параметрлері
Параметрлері Мәні
Тарату жылдамдығы 250 кбитс
Құрылғы мекен-жайы 16-биттік қысқа мекен-жай немесе кеңейтілген
64-бит ұзындықты
Батарея жұмыс істеу Энергия деңгейін басқарумен
Диапазондаға арналар 2,45 ГГц диапазонында 16 арна
саны
Ақпаратты тарату Әр түйінмен берілетін ақпаратқа уақыт интервалын
бөлу
Байланыс арнасына ену Множественный доступ с контролем несущей CSMACA
әдісі тасушы басқарушымен Multiple access
Алмасу хаттамасы Жөнелтiлiмдi алу туралы хабарламасы бар
IEEE 802.15.4 стандарты OQPSK (Offset- Quadrature Phase-Shift Keying
оффсеттік квадратуралық фазалық манипуляция) модуляциясын пайдаланады.
Бұл стандарт кепілдендірілген уақыттық слоттары бар хабарламалардың
суперфреймді құрылымын пайдалануға мүкіндік береді. Суперфрейм желілік
координатор арқылы таратылып қзындығы бірдей 16 слотқа бөлініп маяктармен
шектеледі. Маяк әрбір суперфреймнің алғашқы слотының орнына орналастырылады
және ол желіні идентификациялау үшін бір-бірімен жалғанған құрылғылардың
синхронизациясы үшін қолданылады. Қажет жағдайда желі координаторы маягы
бар хабарламаларды өшіріп тастай алады. Аөпаратты тарату үшін слоттық
CSMACA ену механизмі қолданылады. Хабарламаның таратылуы келесі маяк
келгенше аяқталу керек.
IEEE 802.15 стандарты CSMACA арнасына ену үшін желі конфигурациясына
байланысты екі ену механизмін ұйымдастырады.
Маяксыз желілерде слотсыз ену механизмі қолданылады. Бұл әдістің мәні
құрылғы әрқашан ақпаратты таратар алдында кез-келген ұзақтықтағы пауза
жасайды. Кездейсоқ кешігу хабарламаның ір түрлі құрылғылардан бір уақытта
таралуының алдын алады. Егер арна бос болмаса, онда құрылғы кездейсоқ
кешігу арқылы ақпаратты таратуды қайталайды. Хабарламаны алғаны туралы
фреймдер бұл алгоритмсіз бірден жіберіледі.
Маяктар қолданылатын желіде слоттық,яғни тактикалық CSMACA ену
механизм әдісі пайдаланылады. Бұл жағдайда әрбір құрылғы слотының бастамасы
желілік координатор маягымен синхронизацияланған болу керек. Маяктар тек
қана желілік координатор арқылы траратылады, соның арқасында маяктар арқылы
барлық желідегі актілермен алмасу тактісі жүзеге асады.
Желілік координатор құрылғыға арналған суперфрейм бөлігін арнаның көп
бөлігін қажет ететін немесе тез арада жеткізілу қадеттілігі болатын ақпарат
үшін резерв ретінде сақтай алады. Бұл суперфреймде арна ұшін бәсекелестік
болмағандықтан, координатор басқа құрылғыларға кез-келген ақпаратты
таратуға тиым салады [13].
Кесте 1.4. ZigBee OSI моделі және оның негізгі қызметі
OSI моделі Қызметі
Физикалық деңгей (PHY)2,4 ГГц радиоарнасы
Арналық MAC ішкі CSMACA әдісін пайдалана отырып радиоарнаға енуді
деңгей деңгейі қамтамсыз етеді.Сонымен қатар маяктык фреймдерді
тарату мен синхронизацияға жауап береді.
SSCS ішкі Service Specific Convergence Sublayer
деңгейі і (спецификалық сервистерді жақындату ішкі деңгейі)
LLC және MAC шкі деңгейлері арасында интерфейс
қызметін
LLC ішкі деңгейі MAC деңгейі мен желілік деңгей арасында байланыс
ұйымдастырады.
NWK желілік деңгейі Келесі қызметтерді атқаруға қажет:
Ақпарат фреймдерін таратқан кездегі қауіпсіздік;
Желідегі жаңа құрылғыны анықтау және оған тіркеу
жасау. Сонымен қатар желіден құрылғыларды шығарып
тастайды;
Фреймнің жеткізілу орнына дейінгі маршрутын
көрсетеді;
Желі құрылғылары арасындағы маршруты анықтау;
Желідегі көрші құрылғыларды анықтау;
Көршілес түйіндер туралы ақпаратты сақтау.
ZigBee желісіне арналған OSI моделі арналық, желілік және қолданбалы
деңгейлер арқылы сипатталады. Арналық деңгейде SSCS сервистерін
спецификалық жақындату ішкі деңгейі LLC және MAC ішкі деңгейлерінің
арасында интерфейс қызметін атқарады. MAC ішкі деңгейінде CSMACA тасушы
бақылауымен Multiple accesss қолданылады. Бұл ішкі деңгей сонымен қатар
желі құрылғысының синхронизациясы мен маякті фреймдерді таратуға жауапты.
1.4 - кестеде ZigBee OSI моделі және оның негізгі қызметі көрсетілген.
IEEE 802.15.4 стандарты бойынша ZigBee желісінде байланыс арнасына ену
үшін екі әдіс қолданылады: бәсеке әдәс әжәне бәсекесіз әдіс.
Бәсеке негізіндегі әдісті пайдаланған кезде құрылғылар арасында
сигналды таратқан кезде ақпаратты таратпақшы барлық құрылғылар бірдей
жиілікте multiple access әдісән қолданады, яғни арнаның бостығын анықтаған
алғашқы құрылғы ақпаратты жібере бастайды. Құрылғылардың арасында сигналды
тарату кезіндегі бәсекесіз әдісте PAN координаторы әр құрылғыға жеке
кепілденген уақыттық интервал бөледі және олар CSMA-CA механизмінсіз
ақпаратты таратуды бастайды. Уақыттық интервал кепілденген болу үшін
желінің барлық құрылғылары синхронизацияланған болу керек. Ол үшін маяк
түріндегі хабарламалар пайдаланылады, олар барлық құрылғылар үшін ақпаратты
тарату уақытын синхрондайды. Бұл әдістің кемшілігі болып ZigBee желісінің
барлық құрылғылары синхронизация маягын алу мақсатында байланыс арнасын
тыңдау үшін ұйқы режимінен шығу керек.Сол үшін маякпен жұмыс істейтін
автономды режимнің уақыты СSMACA әдісін пайдаланатын желіден аз болады
[14].
Бірнеше құрылғы бір уақытта бірдей жиіліктік арнаны қолдана алу үшін
IEEE 802.15.4 стандарты коллизияның алдын алу арқылы көптік ену қызметін
жүзеге асырады (CSMACA). Бұл әдісте құрылғы байланыс арнасы бойынша
ақпаратты таратқысы келген кезде, ең алдымен басқа құрылғылар оны
пайдаланған кезде арна жағдайы бағаланады. Тек осыдан кейін ғана құрылғы
ақпаратты таратуды бастай алады. Арнаның бос немесе бос емес екенін арнаның
белгілі жиіліктегі спектралды энергиясын өлшеу мен берілген жиілікті алып
тұрған сигнал түрін анықтау арқылы білуге болады.
Коллизияның алдын алу арқылы көптік ену (CSMACA) механизмінің алғашқы
қадамы болып арна басқа құрылғылармен пайдаланылып жатпағандығына көз
жеткізу үшін арнаның бос екендігінің бағалануы MAC деңгейінде PHY физикалық
деңгейге сұраныс жіберу арқылы жүзеге асырылады. Арна жағдайының бағалануы
физикалық деңгейде жүзеге асырылатын сервистердің бір бөлігі болып
табылады. Арнаны бағалау процедурасының соңында сигнал қуаты немесе
энергетикалық деңгейін анықтау арқылы арнаның бос немесе бос емес екендігі
анықталады.
Арнаны бағалаудың үш түрлі режимі бар, IEEE 802.15.4 стандартында
физикалық деңгейде осылардың кез-келгенін пайдалануға болады:
- бірінші режимде арна жағдайын бағалаған кезде тек қана энергетикалық
деңгейдің анықталуы есепке алынады. Егер оның мәні белгілі бір мәннен артық
болса, онда арна бос емес деп есептеледі. Ол мән өндіруші- зауытпен
анықталады;
- екінші режим тасушы басқармасын жүзеге асырады (CS);
- үшінші режим бірінші және екінші режим қосындысы болып табылады.
Егер арна бос болмаса онда кездейсоқ уақыттан кейін құрылғы арнаны
қайтадан бағалайды. Кездейсоқ кешіктірулер арна бос болғанша немесе мүмкін
болатын максималды кешіктірулер санына жеткенге дейін жүзеге асырылады.
ZigBee жүйесінде байланыс арнасын сканерлеу мүмкіндігі MAC және NWK
деңгейлерінде болады. Арнаны сканерлеу ZigBee құрылғысының жеке жұмыс
кеңістігінде құрылғы түйіндерінің жұмысы туралы ақпаратты қамтамсыз етеді.
Арнаны сканерлеудің төрт типі бар:
- Энергетикалық деңгейді сканерлеу;
- Қосылмаған түйінді сканерлеу;
- Активті сканерлеу;
- Пассивті сканерлеу.
Әр арнаның энергиясын анықтау энергияны анықтау сервисі арқылы
анықталады. Қосылмаған түйінді сканерлеу кезінде қазіргі кезде ол жататын
PAN координаторы ізделеді.Қосылмаған түйінді сканерлеу кезінде MLME әрбір
арна туралы ақпаратты координаторға жібереді және координатордан қайта құру
туралы бұйрықты күтеді. Егер қайтақұру туралы бұйрық келген болса,онда ол
қабылдағышты өшіру арқылы сканерлеуді тоқтатады, әйтпесе құрылғы тізім
бойынша келесі арнаны сканерлейді. Активті сканерлеуден пассивті
сканерлеудің айырмашылығы онда маякты жіберу сияқты сұраныс жіберудің
қажеті жоқ. Сканерлеу сұранысын алғаннан кейін MLME қабылдағышқа алынатын
ақпарат жазбасын бастауға мүмкіндік береді. Бірақ активті сканерлеу кезінде
MLME маяк сұранысын жібереді. Маяктарды таратуға қосымша ретінде ZigBee
құрылғысы CSMA-CA алгоритмін пайдаланбай ене алатын жағдай бар. Бұл
жағдайда сұраныс расталғаннан кейін құрылғы ақпаратты бірден тарата
бастайды. Байланыс арнасына ену CSMA- CA әдісінің негізгі мәселелерінің
бірі жасырын түйіндерді болуы. Егер екі түйін арасы тым үлкен болып және
олар бір-бірінен ақпарат қабылдай алмаса, бірақ бұл екі түйін де басқа
түйінмен әрекеттесе алған жағдайда болады. Ара қашықтық үлкейген сайын әр
түйіннен берілетін сигнал қуаты азая береді. Егер екі түйіннің біреуі,
мысалы, А түйіні ақпаратты жіберген болса, онда Б түйіні арнаның бос
екендігін анықтайды, себебі оның қабылдағышы анықтайтын сигнал деңгейі
төмен болады. Сонымен қатар, егер Б түйіні ақпаратты таратпақшы болса және
рнаның бос екендігін анықтаса,онда екі түйін де бір В түйініне ақпаратты
жібере алады, осының арқасында коллизия туындауы мүмкін.
... 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