ZigBee, Een technisch overzicht van deze draadloze technologie

Draadloos is helemaal in, maar is het ook meer dan een hype? Zo'n 2 jaar geleden zou ik gezegd hebben dat het meer hype is dan echt praktisch bruikbaar. Er is echter heel veel vooruitgang geweest in deze techniek en momenteel zou ik draadloos zeker in overweging nemen.

Veel bedrijven die een nieuw product willen ontwerpen willen dat tegenwoordig draadloos. De stap van een enkelvoudig product naar een product met netwerk mogelijkheden brengt echter enorm veel nieuwe mogelijkheden met zich mee. De hele bedrijforganisatie moet zich daar op aan passen (denk alleen al aan de benodigde kennis van de verkoop en ondersteunings organisaties). De stap naar draadloos is daarna erg klein. Mijn advies is dan ook altijd om eerst netwerk gericht te gaan denken en pas daarna de draadjes te verwijderen.

Waarom draadloos? Men beweert meestal direct dat het kosten bespaart, hoofdzakelijk omdat er nauwelijks nog installatie werk nodig is. Dit is echter erg kortzichtig! Draadloos voegt namelijk nieuwe problemen toe! Bijvoorbeeld: Apparaten kunnen om onduidelijke reden geen verbinding met elkaar krijgen, interferentie van het systeem van de buren of met andere draadloze apparatuur, etc. etc. Het grootste probleem is echter dat als het vandaag werkt, het geen garantie is dat het morgen ook nog werkt. De grootste veruitgang op technisch gebied zit hem er echter in om dit soort problemen te voorkomen. Op dit moment is mijn ervaring dan ook dat het momenteel behoorlijk probleemloos is toe te passen. Wel is het noodzakelijk om hulpmiddelen te hebben die draadloze problemen kunnen opsporen (site survey tooling). Er zijn immers geen draadjes om na te meten.

Dit verhaal gaat hoofdzakelijk over ZigBee maar er zijn ook andere draadloze protocollen die mogelijk beter aansluiten bij uw toepassing. Ik heb veel protocollen bekeken en heb er ook veel praktische ervaring mee. Ik moet echter ergens starten dus daarom begin ik nu met Zigbee. Als er nog vragen zijn die ik hier niet beantwoord, stuur me dan gewoon een e-mail.

Zigbee….
In weinig woorden zou ik zeggen: "lage kosten, laag energie verbruik en zeer breed inzetbaar"

Laten we dat eens in wat meer detail bekijken.

Wat is Zigbee? Zigbee is een standaard voor een draadloos netwerk die zich richt op bediening op afstand en sensoren op geisoleerde locaties in een omgeving met veel radio storing. Zigbee bouwt verder op de IEEE 802.15.4 standaard (welke de Physical en MAC laag definieerd, zie OSI Model). ZigBee specificeert de applicatie en beveiligingslaag daar boven op en maakt het mogelijk dat verschillende zigbee apparaten van verschillende fabrikanten onderling data kunnen uitwisselen. Zigbee is dus een uitbreiding op de 802.15.4 specificatie.

Zigbee is georganiserd in de Zigbee Alliancie. Veel bedrijven (>150) hebben de zigbee techniek al geadopteerd, om een indruk te krijgen, klik hier. 9 bedrijven zijn zo genaamde ‘promoters’ en zijn dus actief als promotor van de ZigBee standaard. Dit zijn:: BM Group, Chipcon, Ember, Freescale, Honeywell, Mitsubishi, Motorola, Philips and Samsung. Rechts staan hun logo's met een link naar hun website.

Als we een overzicht maken van de verschillende (OSI) lagen dan krijgen we het volgende plaatje:

De 802.15.4 standaard richt zich primair op waarnemen en bedienen (monitoring & control) en applicaties die weinig energie mogen verbuiken. Laag energie verbruik is de belangrijste eigenschap! Apparaten die een batterij gebruiken moeten lang mee kunnen gaan. De bandbreedte is vergeleken met WLAN bijvoorbeeld niet erg hoog maar met zijn 250kbps toch nog heel ruim voor heel veel toepassingen. De afstand tussen 2 apparaten mag tot 50 meter zijn maar iedere node kan tevens doorgeefluik zijn waardoor veel grotere afstanden overbrugt kunnen worden.

Hardware (Physical en MAC laag)
Op dit moment werken alle oplossing op 2.4GHz. Voor noord Amerika is 915MHz ook mogelijk en voor Europa 868MHz. De 2.4GHz band is over de hele wereld licentie vrij. Hierdoor kunnen Zigbee producten over de hele wereld gebruikt worden. Alle huidige producten lijken dan ook de 2.4GHz band te gebruiken. De verschillen tussen de 3 frequentie banden staan in de volgende tabel:

In alle banden wordt DSSS (Direct sequence spread spectrum) gebruikt. 868 en 915 MHz gebruiken Binary Phase Shift Keying en 2.4GHz gebruikt O-QPSK (Offset Quadrature Phase Shift Keying).

Deze licantie vrije frequenties worden drukker en drukker en storings gevoeligheid is een issue dat steeds belangrijker wordt. De 802.15.4 specificatie heeft erg veel voorzieningen om onder de slechts denkbare omstandigheden nog betrouwbaar te kunnen werken. Enkele trefwoorden van de gebruikte technieken: Clear Channel Assesment, Quality Assesment en Receiver Energy Detection. Om door zichzelf veroorzakte problemen te voorkomen wordt een techniek gebruikt die Carrier Sense Multiple Access (CSMA) genoemd wordt. De zender begint alleen te zenden als dit geen problemen geeft.

Zoals in ieder netwerk wordt data verstuurd ingepakt in pakketjes. De pakketjes ini Zigbee hebben een afmetng van 128 bytes inclusief protocol overhead. In totaal is er ruimte voor maximaal 104 bytes. Vergeleken met ethernet is dat erg klein maar voor de meeste applicaties die Zigbee zullen gebruiken is dat ruim voldoende (hoeveel bytes heb je nodig om een lamp aan te schakelen?)

Voor toepassing die erg snel moeten reageren heeft Zigbee de mogelijkheid om berichten met hoge prioriteit de definieren. Dit wordt gerealiseerd door een gegarandeerd tijdslot mechanisme te gebruiken waardoor deze berichten op de hoogst mogelijke snelheid verstuurd zullen worden.

Zigbee gebruikt 2 soorten addressering. Op de eerste plaats een 64 bits IEEE adres dat vergeleken kan worden met IP adressen op het internet. Er is echter ook een 16 bits kort adres. Dit korte adres wordt gebruikt nadat een netwerk is opgebouwd. Met 2^16 zijn er dus ongeveer 64.000 nodes in 1 netwerk mogelijk. Dit is meer dan genoeg voor iedere denkbare toepassing. En anders kun je altijd nog een gateway node ontwerpen.

De Hogere ZigBee lagen
De lagen boven dat wat 802.15.4 specificeerd is wat we de ZigBee standaard noemen.(zie het plaatje iets hoger in dit document). In deze laag zitten dingen als: beveiliging en applicatie profielen.

Zigbee is voornamelijk bekend vanwege haar 'mesh' netwerk architectuur. Een mesh verbind ieder punt met veel andere punten. ZigBee kent echter ook de klasieke ster of boom architectuur of hybride varienten hiervan. Afhankelijk van de applicatie en situatie heeft iedere topologie zijn eigen voor en nadelen. De ster topologie is erg simpel, alle nodes praten direct met 1 centrale node. De mesh topologie is veel gecompliceerder, iedere node praat met iedere node binnen bereik en het netwerk bepaald zelf de beste route door het netwerk. Doordat er op die manier heel veel paden door het netwerk te maken zijn, is het direct duidelijk dat dit een heel robuste techniek is. Slechte paden kunnen vermeden worden. Er is ook een combinatie van mesh en ster mogelijk (cluster tree, ofwel boom structuur).

Er is nog veel meer te vertellen maar dit is de basis van ZigBee. Meer gedetaileerde informatie over Zigbee staan bijvoorbeeld in de specificatie die hier te downloaden is. Google heeft ook wat leuke links gevonden hier direct onder of in de rechter kantlijn bovenaan. Met vragen kun je me altijd mailen en als je meer over mij wilt weten dan kun je dat vinden op mijn website. Ik werk voor bedrijven die uw product kunnen ontwikkelen en produceren! Op zigbee.pagina.nl staan nog veel meer intressante links!
.

ZigBee Promoters: