ZigBee
ZigBee on useiden laitevalmistajien (mm. Intel, Philips, HP) yhteistyön tuloksena syntynyt tekniikka, joka on tarkoitettu hitaaseen, mutta halpaan tiedonsiirtoon.
Tekniikka on suunniteltu korvaamaan IR -kauko-ohjaimet ja edesauttamaan etäältä tapahtuvaa tiedonkeruuta. Tekniikka mahdollistaa esteettömän kommunikoinnin useiden eri laitteiden välillä.
ZigBee -termi tulee mehiläisten käyttämästä informointitekniikasta.
Historia
- Suunnittelu aloitettu vuonna 1998, jolloin havaittiin tarve uudelle tekniikalle. Tekniikka tulisi korvaamaan WiFin ja Bluetoothin sopimattomuudet tiettyihin käyttötarkoituksiin.
- Ensimmäinen standardi, IEEE 802.15.4, valmistui 2003.
- Spesifikaatio ratifioittiin 14.12.2004.
- 13.6.2005 spesifikaatio 1.0 laskettiin vapaaseen, ei kaupalliseen, käyttöön - Parannettu versio, Zigbee 2006, julkaistiin syksyllä 2006.
Tekniikka yleisesti
Zigbee on pyritty kehittämään edulliseksi ja energiaa säästäväksi, langattomaksi ohjausjärjestelmäksi. Tekniikan taustalla on tarve erilaisten anturiverkkojen luomiseen. Zigbeen avulla voidaan yhdistää useita sensoreita sekä muita tietoa kerääviä laitteita ja lähettää tiedot langattomasti esimerkiksi johonkin valvomoon tai säätölaitteille.
Uusien laitteiden ja antureiden lisääminen/poistaminen on kehittäjien mukaan yksinkertaista ja helppoa.
Zigbee laitteita on kolmea eri tyyppiä. Verkon koordinaattori (network coordinator node) on laite, joita on yksi verkkoa kohden. Se toimii linkkinä verkkojen välillä sekä varastoi tietoja verkon rakenteesta ja siinä olevista laitteista.
Täyden toiminnan laite FFD (full functon device), toimii normaalina
koordinaattorina eli reitittimenä ja välittää dataa laitteiden välillä. FFD pystyy myös toimimaan verkon koordinaattorina.
Kolmas laitetyyppi on rajoitetun toiminnan laite RFD (reduced function device), pystyy lähettämään ja vastaanottamaan dataa ainoastaan koordinaattorille.
Maksimoidakseen käyttöaikansa RFD pystyy menemään virransäästötilaan jolloin se käyttää energiaa vain datan lähetyksessä.
Standardi määrittelee kaksi erilaista verkkotopologiaa, tähtimäisen- ja peer to peer –topologian. Tähtimäisessä topologiassa FFD-laite muodostaa verkon ja toimii PAN-koordinaattorina, muiden laitteiden kommunikoidessa tämän
välityksellä. Peer-to-peer –topologiassa laitteet voivat kommunikoida keskenään, mutta tässäkin topologiassa on PAN-koordinaattori, joka ilmoittaa verkon
olemassaolosta muille laitteille. Peer-to-peer –verkon etuna on se, että verkko voi olla monimutkaisempi kuin tähtimäisen topologian verkko.
Laitteet voivat lisäksi lähettää kolmea erityyppistä dataa.Jaksollinen data (periodic) on dataa, joka lähetetään määritellyn jakson mukaan ja lopun aikaa laite on virransäästötilassa.
Keskeyttävä (intermittent) data on dataa, joka lähetetään vasta, kun määritelty keskeytys tulee eli tapahtuma tapahtuu tai jokin arvo saavuttaa jonkin rajan.
Muun ajan laite on jälleen virransäästötilassa.
Toistuvaa dataa (repetitive) lähetetään tietyllä aikavälillä, jolloin laite lähettää ja varmistaa tiedon perille saapumisen. Laite toimii jatkuvasti, menemättä
virransäästötilaan.
Taajuusalue ja modulaatio
Zigbee käyttää kolmea erilaista taajuutta ja laitteessa on kaksi fyysistä
radiorajapintaa. Taajuudet sijaitsevat ISM-taajuusalueella, 2,4 gigahertsissä, 915 ja 868 megahertsissä. Tekniikka käyttää myös hajaspektritekniikkaa, DSSS (direct sequence spread spectrum). Zigbee käyttäätaajuuskaistaa 2 MHz / kanava.¨
Zigbee käyttää eri modulaatioita riippuen taajuuksista. Alemmat taajuudet käyttävät binaarista vaiheavainnusta BPSK (binary phase shift keying). BPSK:ssa kantoaallon vaihe kertoo, onko signaalin tila yksi vai nolla.
Ylempi taajuus käyttää ortogonaalista nelivaiheista vaiheavainnusta O-QPSK
(orthogonal quadrature phase shift keying). O-QPSK:ssa kantoaalto voi olla neljässä eri vaiheessa ja jokainen vaihe voidaan tulkita eri tilaksi eli kahdeksi bitiksi.
Taulukko 1. Käytetyt taajuudet, modulaatiot ja nopeudet
Näillä kolmella eri taajuudella on käytössä yhteensä 27 eri kanavaa, jotka on numeroitu 0- 26. Ensimmäinen kanava numero 0 on käytössä 868 MHz:n taajuudella, seuraavat 10 kanavaa (nrot 1-10) 915 MHz:n ja loput 16 (nrot 11-26) 2.4 GHz:n taajuudella.
Siirtonopeus ja -matka
Zigbeen siirtonopeus on riippuvainen sekä taajuudesta että modulaatiosta.
Siirtomatka puolestaan on riippuvainen käytetystä tehosta. Tehonkulutus on tekniikan suunnittelussa haluttu mahdollisimman pieneksi. Näin ollen tyypillinen siirtomatka on n. 50 m, tehonkulutuksen ollessa n. 20 mW. Kehittäjät lupaavat laitteille jopa kahden vuoden toiminta-aikaa yhdellä alkaliparistolla. Lähetysmatka voi vaihdella ympäristön ja muiden tekijöiden mukaan 10 – 100 metriin.
Laitemäärät
Zigbee -laitteilla on 64-bittisen osoitteen joista kuusitoista bittiä on määritetty verkon osoitteeksi. Verkkoja voidaan siten luoda 65536 kappaletta. Loput bitit määrittelevät laitteen osoitteen kyseisessä verkossa, eli verkossa voi olla yli 281 biljoonaa laitetta.
Näin ollen laitteita voi järjestelmässä kaiken kaikkiaan olla 264 = 18,45 triljoonaa
Tietoturva
Zigbee käyttää hajaspektritekniikkaa lisäksi neljää erilaista tietoturvapalvelua. Näitä ovat: pääsyn hallinta (tietoa otetaan vastaan vain turvallisiksi luokitelluilta
lähettäjiltä.), datan salaus (symmetrinen 128-bittinen AES- standardi), kehyksien koskemattomuuden tarkastus sekä datan ”tuoreuden” tarkistus.
Lähteet:
http://www.zigbee.org/
http://www.tietokone.fi/lukusali/artikkelit/2005tk01/BLUETHOOTH.HTM http://fi.wikipedia.org/wiki/ZigBee
https://oa.doria.fi/handle/10024/5169
