ZIGBEE Η νέα τεχνολογία ασύρματων δικτύων πλέγματος

ZIGBEE Η νέα τεχνολογία ασύρματων δικτύων πλέγματος
 

ZigBee

Το ZigBee είναι μία από τις πιο νέες τεχνολογίες στο χώρο των ασύρματων δικτύων προσωπικού χώρου (WPANs). Προήλθε από τη συνεργασία της εταιρίας ZigBee Alliance με την επιτροπή IEEE 802.15.4 και παρέχει τη δυνατότητα για συνδέσεις συσκευών με χαμηλό ρυθμό μετάδοσης, χαμηλό κόστος και χαμηλή κατανάλωσης ισχύος.

Εισαγωγή

Το ZigBee είναι μια ασύρματη τεχνολογία που αναπτύσσεται ως ανοικτά σφαιρικά πρότυπα για να καλύψει τις μοναδικές ανάγκες των χαμηλού κόστους, χαμηλής ισχύος, ασύρματων δικτύων αισθητήρων. Συγκεκριμένα το ZigBee είναι το όνομα μιας προδιαγραφής για μια ακολουθία υψηλού επιπέδου πρωτοκόλλων επικοινωνίας που χρησιμοποιούν οι μικροί, χαμηλής ισχύος ψηφιακοί δεκτές βασισμένοι στο 802.15.4 πρότυπο της IEEE για τα ασύρματα προσωπικά τοπικά δίκτυα(WPAN), όπως για παράδειγμα τα ασύρματα ακουστικά που συνδέονται με τα κινητά τηλέφωνα. Η τεχνολογία προορίζεται να είναι απλούστερη και φτηνότερη από άλλα ασύρματα προσωπικά, τοπικά δίκτυα (WPAN), όπως το Bluetooth. Το ZigBee στοχεύει στις εφαρμογές ραδιοσυχνότητας (RF) που απαιτούν ένα χαμηλό ρυθμό μεταφοράς δεδομένων, μεγάλη ζωή μπαταριών, και εξασφαλισμένη δικτύωση. Τα πρότυπα εκμεταλλεύονται πλήρως το 802.15.4 πρότυπο της IEEE και λειτουργούν στις χωρίς άδεια ζώνες παγκοσμίως στις ακόλουθες συχνότητες: 2.400-2.484 GHΖ, 902-928 MHZ και 868.0-868.6 MHZ.

Σκοπός, χρησιμότητα, σχέση με την προϋπάρχουσα τεχνολογία.

Το ZigBee είναι χαμηλού κόστους, χαμηλής ισχύος, ασύρματα πρότυπα δικτύωσης πλέγματος. Το χαμηλότερο κόστος επιτρέπει στην τεχνολογία για να επεκταθεί ευρέως στις ασύρματες εφαρμογές ελέγχου και παρακολούθησης, η χαμηλή κατανάλωση ισχύος επιτρέπει τη μακρύτερη ζωή με μικρότερες μπαταρίες, και η δικτύωση πλέγματος παρέχει υψηλή αξιοπιστία και μεγαλύτερη ακτίνα λειτουργίας.

Το πλεονέκτημα ZigBee

Χαρακτηριστικά γνωρίσματα πρωτοκόλλου ZigBee:

• Χαμηλός κύκλος καθήκοντων - παρέχει μακριά ζωή μπαταριών
• Χαμηλή λανθάνουσα κατάσταση
• Υποστήριζει πολλές τοπολογίες δικτύων: Στατικός, δυναμικός, αστέρι και πλέγμα (Static, dynamic, star and mesh)
• Άμεσο απλωμένο φάσμα ακολουθίας (DSSS) Direct Sequence Spread Spectrum
• Μέχρι 65.000 κόμβοι σε ένα δίκτυο
• 128-bit AES encryption κρυπτογράφηση - παρέχει ασφαλείς συνδέσεις μεταξύ των συσκευών
• Αποφυγή σύγκρουσεων
• Ποιοτική ένδειξη συνδέσεων
• Σαφής αξιολόγηση των καναλιών
  

• Η στοίβα πρωτοκόλλων του ZigBee

  Η στοίβα πρωτοκόλλων του ZigBee αποτελείται από 4 επίπεδα. Κάθε επίπεδο εκτελεί ένα συγκεκριμένο σύνολο λειτουργιών και παρέχει τις υπηρεσίες του στο ανώτερο επίπεδο μέσω μιας διεπαφής που ονομάζεται σημείο πρόσβασης υπηρεσιών ( service access point, SAP). Τα 4 επίπεδα της στοίβας πρωτοκόλλων του ZigBee είναι τα παρακάτω:

  1. Το φυσικό επίπεδο (Physical layer, PHY). Είναι υπεύθυνο για την ενεργοποίηση και απενεργοποίηση του πομποδέκτη, μετάδοση και λήψη δεδομένων, ανίχνευση ενέργειας στο κανάλι, εκτίμηση της κατάστασης των καναλιών για την πολλαπλή πρόσβαση με ανίχνευση φέροντος και με αποφυγή συγκρούσεων (CSMA-CA) και τη μέτρηση της ποιότητας των λαμβανομένων πακέτων.
  2. Το επίπεδο ελέγχου πρόσβασης στο μέσο (Medium access control layer, MAC). Παρέχει υπηρεσίες μεταφοράς δεδομένων και διαχείρισης. Είναι υπεύθυνο για την πρόσβαση στο κανάλι, για τη διαχείριση των χρονοσχισμών και για την παροχή μιας αξιόπιστης σύνδεσης μεταξύ δύο επιπέδων MAC. Επιπρόσθετα παρέχει τα μέσα για την εφαρμογή διαφόρων μηχανισμών ασφάλειας.
  3. Το επίπεδο δικτύου (Network layer, NWK). Είναι υπεύθυνο για τη δημιουργία του δικτύου, για την είσοδο και την έξοδο μία συσκευής από ένα δίκτυο, για την ασφάλεια και για τη δρομολόγηση των μεταδιδόμενων πακέτων.
  4. Το επίπεδο εφαρμογών (Application layer, APL). Περιλαμβάνει το υποεπίπεδο υποστήριξης εφαρμογών (Application support sublayer, APS), το πλαίσιο εφαρμογών (Application framework, AF), τα αντικείμενα συσκευής ZigBee (ZigBee Device Objects, ZDO) και τις καθορισμένες από τον κατασκευαστή εφαρμογές. Το υποεπίπεδο APS είναι υπεύθυνο για τη σύνδεση δύο συσκευών βάση των αναγκών και των υπηρεσιών τους και για την αποστολή δεδομένων μεταξύ τους. Τα ZDO είναι αυτά που καθορίζουν το ρόλο της κάθε συσκευής στο δίκτυο και το επίπεδο ασφάλειας. Επίσης συμβάλλουν στην ανίχνευση των συσκευών σε ένα δίκτυο και στον προσδιορισμό των υπηρεσιών που αυτές παρέχουν. Το πλαίσιο εφαρμογών είναι το περιβάλλον στο οποίο φιλοξενούνται οι εφαρμογές μέσα σε μία συσκευή ZigBee.

     

Τοπολογίες Δίκτυου

Ένα από τα πιο ισχυρά χαρακτηριστικά του ZigBee είναι η ικανότητα να προσλαμβάνει διαφορετικές τοπολογίες δικτύου.

 

Η απλούστερη τοπολογία είναι η τοπολογία αστεριού, αποτελείται από ένα ενιαίο συντονιστή συνδεδεμένο με μια σειρά από συσκευές.Ο συντονιστής έχει την αρμοδιότητα να ελέγχει και να συντονίζει το δίκτυο, οι άλλες συσκευές είναι απευθείας συνδεδεμένες με το συντονιστή και επικοινωνούν μόνο μέσω αυτού με άλλες συσκευές. Ένα παράδειγμα ενός αστέρα δικτυου είναι ένα οικιακό σύστημα ασφαλείας. Το πάνελ ασφαλείας θα ενεργεί ως συντονιστής του δικτύου παρακολούθησης,π.χ με αισθητήρες κίνησης και διακόπτες θα ελέγχει πόρτες και παράθυρα. Οι τοπολογίες αστεριού είναι κοινές και παρέχουν μεγαλύτερη διάρκεια ζωής των μπαταριών.

Τοπολογία σημείου προς σημείο. Κάθε συσκευή εγκαθιστά συνδέσεις σημείου προς σημείο με άλλες συσκευές που βρίσκονται μέσα στην εμβέλεια της. Με αυτό τον τρόπο δημιουργούνται δίκτυα που έχουν τη μορφή δένδρου ή πλέγματος. Με τη βοήθεια αλγορίθμων δρομολόγησης, όλες οι συσκευές μπορούν να επικοινωνήσουν μεταξύ τους. Πολλά τέτοια δίκτυα μπορούν να ενωθούν μεταξύ τους και να σχηματίσουν ένα μεγαλύτερο. Στο μεγαλύτερο δίκτυο υπάρχει μόνο ένας συντονιστής δικτύου, ενώ κάθε μικρότερο δίκτυο έχει από ένα δρομολογητή. Οι τοπολογίες αυτές παρέχουν μεγαλύτερα επίπεδα αξιοπιστίας και επεκτασιμότητας.

Συνδυασμός των δύο τοπολογιών είναι εφικτός σχηματίζοντας ένα λεγόμενο δίκτυο δέντρου και συνδάυζει τα οφέλη από τις δυο τοπολογίες, δηλαδή τη μεγαλύτερη διάρκεια ζωής των μπαταριών και τα μεγαλύτερα επίπεδα αξιοπιστίας και επεκτασιμότητας. Στα μεγαλύτερα αυτά δίκτυα υπάρχει μόνο ένας συντονιστής δικτύου ενώ στα μικρότερα δίκτυα υπάρχει μόνο ένας δρομολογητής

Τύποι Συσκευών

Σε ένα δίκτυο που λειτουργεί με βάση τη στοίβα πρωτοκόλλων του ZigBee, οι συσκευές μπορούν να διακριθούν σε πλήρους λειτουργίας (full-function device , FFD) και μειωμένης λειτουργίας (reduced-function device, RFD). Σε κάθε δίκτυο υπάρχει πάντοτε μία FFD που έχει το ρόλο του συντονιστή του δικτύου (PAN coordinator). Οι FFDs μπορούν να επικοινωνήσουν με όλες τις άλλες συσκευές, ενώ οι RFDs μόνο με μία FFD. Οι RFDs χρησιμοποιούνται σε πολύ απλές εφαρμογές. Ένα RFD υλοποιείται με τους ελάχιστους πόρους RAM και ROM και είναι σχεδιασμένο για να είναι ένας απλός στείλε ή/και λάβε κόμβος σε ένα μεγαλύτερο δίκτυο. Με ένα μειωμένο μέγεθος σωρών δεδομένων, απαιτείται λιγότερη μνήμη, κατά συνέπεια ένα λιγότερο ακριβό ολοκληρωμένο κύκλωμα. Τα ZigBee RFDs λειτουργούν γενικά με μπαταρίες. Τα RFDs μπορούν να ψάξουν για τα διαθέσιμα δίκτυα, να μεταφέρουν τα στοιχεία από την αίτησή τους ανάλογα με τις ανάγκες, να καθορίσουν εάν το στοιχείο αιτήματος είναι εκκρεμές, να αιτήθουν δεδομένα από το συντονιστή δικτύων, και να μπουν σε λειτουργία ύπνου για εκτεταμένες χρονικές περιόδους για να μειώσουν την κατανάλωση μπαταριών. Το RFD μπορεί μόνο να μιλήσει σε ένα FFD, μια συσκευή με τους ικανοποιητικούς πόρους συστημάτων για τη δρομολόγηση δικτύων. Το FFD μπορεί να χρησιμεύσει ως συντονιστής δικτύων, ένας συντονιστής συνδέσεων ή ως ακριβώς μια άλλη συσκευή επικοινωνιών. Οποιοδήποτε FFD μπορεί να μιλήσει σε άλλα FFD και RFD. Το FFD ανακαλύπτει άλλα FFD και RFD για να καθιερώσει τις επικοινωνίες, και τροφοδοτείται συνήθως από καλώδιο τροφοδοσιας.

Φυσικό επίπεδο (Physical layer, PHY)

Το φυσικό επίπεδο παρέχει δύο ειδών υπηρεσίες, δεδομένων και διαχείρισης, στο επίπεδο MAC. Επίσης στο επίπεδο αυτό υπάρχει και μία βάση δεδομένων που περιέχει πληροφορίες σχετικές με τη λειτουργία του (κανάλι που χρησιμοποιείται, κανάλια που υποστηρίζονται, εκπεμπόμενη ισχύς, τρόπος ανίχνευσης ελεύθερου καναλιού).

Χαρακτηριστικά καναλιών και διαμόρφωσης

Ένα σύνολο 27 καναλιών, αριθμημένα από 0 ως 26, είναι διαθέσιμα σε 3 ζώνες συχνοτήτων. Ένα κανάλι υπάρχει μεταξύ 868 και 868,6 MHz, 10 κανάλια μεταξύ 902 και 928 MHz και 16 κανάλια μεταξύ 2,4 και 2,4835 GHz. Κάθε συσκευή θα πρέπει να υποστηρίζει όλα τα κανάλια, εκτός και αν κάποια από αυτά δεν είναι ελεύθερα στην περιοχή που λειτουργεί.

 

Στη ζώνη μεταξύ 2,4 και 2,4835 GHz κάθε 4 bits πληροφορίας σχηματίζουν ένα σύμβολο. Στη συνέχεια εφαρμόζεται η εξάπλωση φάσματος άμεσης ακολουθίας (DSSS). Με αυτή κάθε σύμβολο μετατρέπετε σε μία ακολουθία των 32 chips. Η ακολουθία αυτή διαμορφώνεται με τη χρήση της αντισταθμισμένης QPSK και μορφοποιητικό παλμό μισού ημιτόνου. Τα άρτια chips χρησιμοποιούν την κανονική μορφή του φέροντος, ενώ τα περιττά την ορθογώνια μορφή του. Οι μορφοποιητικοί παλμοί των περιττών καθυστερούν σε σχέση με αυτούς των άρτιων κατά το μισό της διάρκειας του chip. Η μετάδοση στον αέρα ξεκινά με το λιγότερο σημαντικό chip. Με αυτό τον τρόπο πετυχαίνετε ρυθμός μετάδοσης ίσος με 250 kbps (ο ρυθμός μετάδοσης των chip είναι 2 Mchips/s). Στις άλλες δύο ζώνες τα bits πληροφορίας διέρχονται αρχικά από έναν διαφορικό κωδικοποιητή. Η ακολουθία εξόδου του προκύπτει από την σχέση: ,όπου Rn είναι το bit πληροφορίας που κωδικοποιείται, En είναι η έξοδος του αποκωδικοποιητή και En-1 είναι το προηγούμενο κωδικοποιημένο bit. Στην συνέχεια κάθε bit μετατρέπετε σε μία ακολουθία των 15 chips. Η ακολουθία αυτή διαμορφώνεται με BPSK και μορφοποιητικό παλμό ανυψωμένου συνημιτόνου. Σε αυτή, η φάση του φέροντος εναλλάσσεται μεταξύ δύο τιμών που απέχουν κατά 180ο σε αντιστοίχηση με την τιμή του chip που μεταδίδεται. Η μετάδοση στον αέρα ξεκινά με το λιγότερο σημαντικό chip. Με αυτό τον τρόπο πετυχαίνετε ρυθμός μετάδοσης ίσος με 40 kbps στη ζώνη μεταξύ 902 και 928 MHz (ο ρυθμός μετάδοσης των chip σε αυτή είναι 600 Kchips/s) και 20 kbps στη ζώνη μεταξύ 868 και 868,6 MHz (ο ρυθμός μετάδοσης των chip σε αυτή είναι 300 Kchips/s). Ο πομπός, και στις 3 ζώνες συχνοτήτων, έχει ελάχιστη ισχύ εκπομπής ίση με -3 dBm, ενώ η μέγιστη περιορίζεται από τη νομοθεσία κάθε περιοχής. Ο κάθε πομπός έχει τη δυνατότητα να ρυθμίζει την ισχύ εκπομπής του, έτσι ώστε να εκπέμπει πάντοτε με την ελάχιστη απαιτούμενη. Η ευαισθησία του δέκτη είναι -85 dBm ή καλύτερη στη ζώνη μεταξύ 2,4-2,4835 GHz και -92 dBm ή καλύτερη στις άλλες δύο. Η ευαισθησία ορίζεται ως η ελάχιστη απαιτούμενη ισχύς για να έχουμε ποσοστό λανθασμένων πλαισίων μικρότερο του 1% για πλαίσια με 20 bytes ωφέλιμο φορτίο.

Πρόσβαση στο κανάλι

Οι μεταδόσεις σε κάθε κανάλι μπορούν να γίνουν με δύο τρόπους. Στον πρώτο τρόπο χρησιμοποιείται ο μηχανισμός πολλαπλής πρόσβασης με ανίχνευση φέροντος, αποφυγή συγκρούσεων και χωρίς χρονοσχισμές (unslotted CSMA-CA). Κάθε συσκευή πριν να μεταδώσει, ανιχνεύει το κανάλι. Αν είναι αδρανές, αρχίζει να μεταδίδει. Αν είναι κατειλημμένο, ο αποστολέας αναβάλλει τη μετάδοση μέχρι το κανάλι να γίνει αδρανές. Στο δεύτερο τρόπο χρησιμοποιείται το υπερπλαίσιο, το οποίο οριοθετείται από τα αναγνωριστικά σήματα και χωρίζεται σε 16 χρονοσχισμές ίσης διάρκειας. Η διάρκειά του υπολογίζεται από τη σχέση . Το αναγνωριστικό σήμα στέλνεται πάντοτε στην πρώτη χρονοσχισμή. Τα σήματα αυτά χρησιμοποιούνται για να περιγράψουν τη δομή του υπερπλαισίου, για το συγχρονισμό των συσκευών του δικτύου και για τον προσδιορισμό του δικτύου. Το υπερπλαίσιο μπορεί να έχει ένα ενεργό και ένα μη ενεργό μέρος. Η δομή και η διάρκειά του καθορίζονται από το συντονιστή του δικτύου. Κατά τη διάρκεια του μη ενεργού μέρους, ο συντονιστής δεν αλληλεπιδρά με το δίκτυο του και λειτουργεί με χαμηλή κατανάλωση ισχύος. Το ενεργό μέρος αποτελείται από την περίοδο πρόσβασης με ανταγωνισμό (CAP) και από την περίοδο χωρίς ανταγωνισμό (CFP). Στην CAP κάθε συσκευή που μεταδίδει χρησιμοποιεί το μηχανισμό πολλαπλής πρόσβασης με ανίχνευση φέροντος, αποφυγή συγκρούσεων και χρονοσχισμές (slotted CSMA-CA). Αυτό είναι το ίδιο με το unslotted CSMA-CA, με τη διαφορά ότι οι μεταδόσεις ξεκινούν πάντοτε στην αρχή κάποιας χρονοσχισμής και σε περίπτωση κατειλημμένου καναλιού, ο αποστολέας αναβάλλει τη μετάδοση για τυχαίο αριθμό χρονοσχισμών. Όταν ένα κανάλι είναι αδρανές, η μετάδοση πραγματοποιείται μόνο αν υπάρχει αρκετός χρόνος για να ολοκληρωθεί πριν τη λήξη της CAP.

 

Η CFP περιέχει κρατημένες χρονοσχισμές και βρίσκεται ακριβώς πριν το μη ενεργό μέρος. Οι χρονοσχισμές αυτές μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την εξυπηρέτηση εφαρμογών που απαιτούν συγκεκριμένο εύρος ζώνης.

Το επίπεδο ελέγχου πρόσβασης στο μέσο (Medium access control layer, MAC)

Λειτουργίες επιπέδου MAC

Το επίπεδο MAC έχει τις παρακάτω λειτουργίες:

• Δημιουργία αναγνωριστικών σημάτων εάν η συσκευή είναι συντονιστής του δικτύου. Τα σήματα αυτά χρησιμοποιούνται για να περιγράψουν τη δομή του υπερπλαισίου, για το συγχρονισμό των συσκευών του δικτύου και για τον προσδιορισμό του δικτύου.
• Υποστήριξη στη δημιουργία και διατήρηση δικτύων. Το επίπεδο MAC έχει τη δυνατότητα να ζητήσει από το φυσικό επίπεδο να εκτελέσει ανίχνευση σε ορισμένα κανάλια και στη συνέχεια να παραδώσει τα αποτελέσματα της ανίχνευσης στο επίπεδο δικτύου. Με αυτό τον τρόπο ανιχνεύονται τα αναγνωριστικά σήματα που εκπέμπουν οι συντονιστές των δικτύων. Στη συνέχεια το επίπεδο δικτύου μπορεί να ζητήσει τη σύνδεση σε κάποιο δίκτυο. Επιπλέον το επίπεδο MAC μπορεί να ζητήσει από το φυσικό επίπεδο να μετρήσει την ενέργεια σε ένα σύνολο καναλιών. Οι μετρήσεις αυτές παραδίδονται στο επίπεδο δικτύου για να επιλέξει το κατάλληλο κανάλι για τη δημιουργία ενός δικτύου.

Υποστήριξη υπηρεσιών ασφάλειας. Το επίπεδο MAC είναι σε θέση να παρέχει στα ανώτερα του επίπεδα κάποιες βασικές υπηρεσίες ασφαλείας, όταν αυτό του ζητηθεί. Τα κλειδιά και οι λίστες που απαιτούνται για αυτές, του τα παρέχουν τα ανώτερα επίπεδα. Οι παρεχόμενες υπηρεσίες ασφαλείας είναι ο έλεγχος πρόσβασης, η κρυπτογράφηση των δεδομένων και η ακεραιότητα των πλαισίων. Στον έλεγχο πρόσβασης, κάθε συσκευή διατηρεί μία λίστα με συσκευές και μόνο από αυτές μπορεί να δεχθεί πλαίσια. Η κρυπτογράφηση των δεδομένων γίνεται με τη βοήθεια ενός κλειδιού το οποίο είναι γνωστό σε μία ομάδα συσκευών. Σκοπός της είναι να μη διαβαστούν τα δεδομένα από συσκευές που δεν διαθέτουν το κλειδί και εφαρμόζεται μόνο στο ωφέλιμο φορτίο των πλαισίων. Στην ακεραιότητα των πλαισίων χρησιμοποιείται ένας κωδικός ακεραιότητας μηνυμάτων για να μην τροποποιηθούν τα δεδομένα από συσκευές που δε διαθέτουν το κλειδί κρυπτογράφησης. Επιπλέον αυτός ο κωδικός παρέχει τη διαβεβαίωση ότι τα δεδομένα στάλθηκαν από μία συσκευή που γνωρίζει το κλειδί. Το επίπεδο MAC, ανάλογα με τον τρόπο λειτουργίας της συσκευής, μπορεί να προσφέρει διαφορετικές υπηρεσίες ασφαλείας. Έτσι σε μία συσκευή που λειτουργεί με μη ασφαλή τρόπο, δεν παρέχει καμία ασφάλεια. Σε μία συσκευή που λειτουργεί με λίστα έλεγχου πρόσβασης, δέχεται πλαίσια μόνο από τις συσκευές που περιέχονται στην λίστα. Τέλος, σε μία συσκευή που λειτουργεί με ασφαλή τρόπο, παρέχει όλες τις παρακάτω υπηρεσίες.

• Πρόσβαση στο κανάλι Το επίπεδο MAC είναι υπεύθυνο για το πότε θα πραγματοποιούνται οι μεταδόσεις δεδομένων στο φυσικό κανάλι. Για το λόγο αυτό χρησιμοποιεί τα υπερπλασία και το πρωτόκολλο πολλαπλής πρόσβασης με ανίχνευση φέροντος και αποφυγή συγκρούσεων (CSMA-CA).
• Χειρισμός και διαχείριση του μηχανισμού των εγγυημένων χρονοσχισμών. Κατά τον καθορισμό της δομής του υπερπλαισίου, ο συντονιστής μπορεί να δεσμεύσει μέχρι και 7 χρονοσχισμές για την επικοινωνία του με συγκεκριμένες συσκευές. Κατά τη διάρκεια αυτών, μία συσκευή μεταδίδει μόλις φθάσει η χρονοσχισμή που της αναλογεί χωρίς να χρησιμοποιήσει το πρωτόκολλο CSMA-CA. Η δέσμευση των χρονοσχισμών γίνεται κατόπιν αιτήσεων των συσκευών. Ο συντονιστής του δικτύου εξυπηρετεί αυτές τις αιτήσεις με τη σειρά που φθάνουν και είναι αυτός που αποφασίζει για το αν θα δοθούν νέες χρονοσχισμές σε μία συσκευή ή θα αποδεσμευθούν οι κρατημένες χρονοσχισμές.
• Παροχή μιας αξιόπιστης σύνδεσης μεταξύ δύο συσκευών. Τα πλαίσια του επιπέδου MAC περιέχουν το πεδίο MFR που περιέχει την ακολουθία ελέγχου πλαισίου (FCS). Με αυτή ο δέκτης μπορεί να ανιχνεύσει λάθη που δημιουργήθηκαν κατά τη μετάδοση του πλαισίου. Επιπλέον με το υποπεδίο αίτημα επιβεβαίωσης (acknowledgment request), ο αποστολέας μπορεί να ζητήσει επιβεβαίωση για το πλαίσιο που έστειλε. Αν μία επιβεβαίωση φθάσει, ελέγχεται η τιμή του πεδίου αριθμός ακολουθίας. Εφόσον το πλαίσιο και η επιβεβαίωση έχουν τον ίδιο αριθμό ακολουθίας, τότε η μετάδοση θεωρείται επιτυχημένη. Σε περίπτωση που δεν ληφθεί επιβεβαίωση ή δεν έχουν ίδιους αριθμούς ακολουθίας, ο αποστολέας θα μεταδώσει ξανά το πλαίσιο.

Το επίπεδο δικτύου (Network layer, NWK)

Το επίπεδο δικτύου παρέχει τις υπηρεσίες του, δεδομένων και διαχείρισης, στο επίπεδο εφαρμογών και επιπλέον εξασφαλίζει τη σωστή λειτουργία του επιπέδου MAC. Οι υπηρεσίες δεδομένων παρέχονται στο επίπεδο εφαρμογών μέσω του σημείου πρόσβασης υπηρεσιών NLDE (Network Layer Data Entity), ενώ οι υπηρεσίες διαχείρισης μέσω του σημείου πρόσβασης υπηρεσιών NLME (Network Layer Management Entity). Επίσης στο επίπεδο αυτό υπάρχει και μία βάση δεδομένων (NIB) που περιέχει πληροφορίες σχετικές με τη λειτουργία του. Οι υπηρεσίες δεδομένων περιλαμβάνουν την παραλαβή των δεδομένων από το ανώτερο επίπεδο, την τοποθέτησή τους σε κατάλληλα πλαίσια και την αποστολή τους στην κατάλληλη συσκευή, είτε απευθείας είτε μέσω κάποιας άλλης. Οι υπηρεσίες διαχείρισης περιλαμβάνουν τη διαμόρφωση της λειτουργίας μίας συσκευής ανάλογα με το ρόλο της στο δίκτυο, τη δημιουργία ενός δικτύου (το ZigBee μπορεί να υποστηρίξει δύο τοπολογίες δικτύων), τη σύνδεση σε ένα δίκτυο, την αποχώρηση από αυτό, τη διευθυνσιοδότηση των συσκευών του δικτύου, τη δυνατότητα να ανακαλύπτουν γειτονικές συσκευές, τη δυνατότητα να ανακαλύπτουν και να καταγράφουν διαδρομές για την αποτελεσματική αποστολή των μηνυμάτων στο δίκτυο και τη δυνατότητα να ελέγχουν τη λειτουργία του δέκτη.

Δημιουργία ενός δικτύου

Μόνο συσκευές ZigBee που έχουν τη δυνατότητα να γίνουν συντονιστές δικτύων μπορούν να ξεκινήσουν αυτή τη διαδικασία. Αρχικά, το επίπεδο εφαρμογών ζητά από το επίπεδο δικτύου να δημιουργήσει ένα καινούριο δίκτυο με συγκεκριμένα χαρακτηριστικά. Η διαδικασία συνεχίζεται με την εκτέλεση ανίχνευσης ενέργειας σε ένα σύνολο καναλιών. Η ανίχνευση αυτή πραγματοποιείται από το επίπεδο δικτύου, με τη βοήθεια των κατώτερων επιπέδων. Με τη λήψη των αποτελεσμάτων, το επίπεδο δικτύου κατατάσσει τα κανάλια σε μία σειρά, ξεκινώντας από το κανάλι στο οποίο μετρήθηκε η χαμηλότερη ενέργεια. Επίσης απορρίπτει τα κανάλια στα οποία η ενέργεια ξεπερνά ένα αποδεκτό επίπεδο, το οποίο καθορίζεται από την εφαρμογή για την αποφυγή παρεμβολών. Στη συνέχεια το επίπεδο δικτύου, με τη βοήθεια των κατώτερων, εκτελεί ενεργή ανίχνευση των αποδεκτών καναλιών, ψάχνοντας για συσκευές. Τα αποτελέσματα της ανίχνευσης παραδίδονται στο επίπεδο δικτύου, το οποίο προσδιορίζει τον αριθμό και τις ταυτότητες των δικτύων που λειτουργούν σε κάθε κανάλι. Ως κανάλι λειτουργίας του δικτύου επιλέγεται εκείνο με το μικρότερο αριθμό δικτύων. Έπειτα επιλέγεται η ταυτότητα του δικτύου. Αυτή έχει μήκος 16 bits, δεν πρέπει να είναι μία από τις κρατημένες για ειδικούς σκοπούς (π.χ εκπομπή σε όλα τα δίκτυα) και πρέπει να προσδιορίζει μοναδικά το δίκτυο στη συγκεκριμένη περιοχή. Η αδυναμία εύρεσης κατάλληλου καναλιού ή μοναδικής ταυτότητας, οδηγεί τη διαδικασία σε τερματισμό. Αφού επιλεγεί η ταυτότητα, το επίπεδο δικτύου του συντονιστή πρέπει να προσδιορίσει τη διεύθυνση του μέσα στο δίκτυο. Αυτή έχει μήκος 16 bits και την τιμή 0. Έπειτα μέσω του σημείου πρόσβασης υπηρεσιών διαχείρισης του επιπέδου MAC (MLME-SAP), το επίπεδο δικτύου διαμορφώνει τη λειτουργία του MAC, ανάλογα με τις απαιτήσεις της εφαρμογής. Τελικά, το επίπεδο εφαρμογών ενημερώνεται για την επιτυχία της αίτησης και ο συντονιστής είναι πλέον έτοιμος να δεχθεί νέες συσκευές στο δίκτυο.

Πίνακες γειτόνων

Κάθε συσκευή διατηρεί στη βάση δεδομένων της έναν πίνακα με πληροφορίες για τις συσκευές που βρίσκονται μέσα στην ακτίνα δράσης της. Στον πίνακα αυτό, για κάθε γειτονική συσκευή υπάρχει μία εγγραφή που περιέχει την ταυτότητα του δικτύου της, τον τύπο της, τη διεύθυνση της μέσα στο δίκτυο που ανήκει (16 bits), τη σχέση που υπάρχει μεταξύ των δύο συσκευών και την εκτεταμένη της διεύθυνση (64 bits) εφόσον οι δύο συσκευές είναι συνδεμένες. Στον πίνακα αυτό μπορεί να υπάρχουν και διάφορες άλλες προαιρετικές πληροφορίες, όπως το πόσο συχνά εκπέμπει αναγνωριστικά σήματα, αν αποδέχεται τις αιτήσεις για σύνδεση, μία εκτίμηση της ποιότητας της ζεύξης, το λογικό κανάλι στο οποίο λειτουργεί και το πόσα βήματα απέχει από το συντονιστή του δικτύου της.

Σύνδεση σε ένα δίκτυο και αποχώρηση από αυτό

Κάθε συσκευή ZigBee έχει τη δυνατότητα να συνδέεται σε ένα δίκτυο και να αποχωρεί από αυτό. Μία σχέση γονέα-παιδιού αναπτύσσεται κάθε φορά που μία συσκευή ενός δικτύου επιτρέπει σε μία άλλη να γίνει μέλος του δικτύου. Η νέα συσκευή είναι το παιδί, ενώ η πρώτη είναι ο γονέας. Ένα παιδί μπορεί να προστεθεί σε ένα δίκτυο με 2 τρόπους. Στον πρώτο τρόπο, η διαδικασία ξεκινά από τη νέα συσκευή (παιδί). Μία εφαρμογή της ζητά αρχικά να γίνει ανίχνευση κάποιων καναλιών. Η αίτηση αυτή μεταβιβάζεται από το ανώτερο προς τα κατώτερα επίπεδα. Στη συνέχεια, τα αποτελέσματα της ανίχνευσης, διαθέσιμα δίκτυα και χαρακτηριστικά τους, ακολουθώντας την αντίθετη πορεία παραδίδονται στο επίπεδο εφαρμογών, το οποίο και αποφασίζει σε ποιό από τα διαθέσιμα δίκτυα θέλει να συνδεθεί. Στέλνει μία αίτηση στο επίπεδο δικτύου για σύνδεση με το συγκεκριμένο δίκτυο. Το επίπεδο δικτύου ψάχνει στον πίνακα γειτόνων για μία συσκευή που να ανήκει σε αυτό το δίκτυο (συγκρίνει την ταυτότητα του δικτύου των γειτόνων με αυτή που του έστειλε το ανώτερο επίπεδο). Επιπλέον θα πρέπει αυτή η συσκευή να αποδέχεται τις αιτήσεις για σύνδεση . Αν δεν βρει κάποια κατάλληλη, απαντά ότι η σύνδεση με το συγκεκριμένο δίκτυο δεν επιτρέπεται. Σε διαφορετική περίπτωση, χρησιμοποιεί τη διεύθυνση της συσκευής που βρίσκεται στον πίνακα, στέλνει μία αίτηση για σύνδεση και περιμένει για την απάντηση. Για την αποστολή της αίτησης, το επίπεδο δικτύου χρησιμοποιεί τις υπηρεσίες που του παρέχονται από τα κατώτερα επίπεδα. Αν η απάντηση είναι αρνητική, το επίπεδο δικτύου ψάχνει για μία δεύτερη κατάλληλη συσκευή και επαναλαμβάνει την αίτηση για σύνδεση. Η διαδικασία συνεχίζεται μέχρι να έρθει κάποια θετική απάντηση ή μέχρι να μη βρίσκει κάποια άλλη κατάλληλη συσκευή, οπότε και το ανώτερο επίπεδο ενημερώνεται για την αδυναμία σύνδεσης στο συγκεκριμένο δίκτυο. Σε περίπτωση θετικής απάντησης, στη νέα συσκευή δίνεται μία διεύθυνση (16 bits), την οποία θα πρέπει να χρησιμοποιεί για τις μεταδόσεις της στο δίκτυο. Η παραπάνω διαδικασία μπορεί να ξεκινήσει μόνο από μία συσκευή που δεν ανήκει σε κάποιο δίκτυο. Στην πλευρά του γονέα ακολουθείται η εξής διαδικασία. Η αίτηση για σύνδεση παραδίδεται ιεραρχικά στο επίπεδο δικτύου. Εκεί απορρίπτεται σε περίπτωση που ο πιθανός γονέας δεν είναι συντονιστής του δικτύου ή δρομολογητής (μόνο αυτοί έχουν δικαίωμα να επιτρέπουν σε συσκευές να συνδέονται στο δίκτυο). Επίσης μπορεί να απορριφθεί σε περίπτωση που δεν υπάρχει διαθέσιμη διεύθυνση για να δοθεί στη νέα συσκευή. Εφόσον δεν συντρέχει λόγος απόρριψης, ο πιθανός γονέας ελέγχει μήπως η συσκευή που έστειλε την αίτηση ανήκει ήδη στο δίκτυο. Ο έλεγχος αυτός γίνεται με σύγκριση της εκτεταμένης διεύθυνσης της συσκευής, που περιέχεται στην αίτηση, με τις διευθύνσεις που υπάρχουν στον πίνακα γειτόνων του. Αν βρεθεί μία εγγραφή, ο γονέας απαντά θετικά στην αίτηση με την διεύθυνση (16 bits) που βρίσκεται στον πίνακα. Σε διαφορετική περίπτωση, διαθέτει μία νέα διεύθυνση με μήκος 16 bits, η οποία είναι μοναδική στο δίκτυο, και στη συνέχεια απαντά και πάλι θετικά. Στο δεύτερο τρόπο, η διαδικασία ξεκινά από τον πιθανό γονέα, ο οποίος θα πρέπει να είναι συντονιστής του δικτύου ή δρομολογητής και να γνωρίζει την εκτεταμένη διεύθυνση (64 bits) της συσκευής, την οποία επιθυμεί να εντάξει στο δίκτυο. Αρχικά το επίπεδο εφαρμογών ζητά από το επίπεδο δικτύου να συνδεθεί με τη συγκεκριμένη συσκευή. Το επίπεδο δικτύου συγκρίνει την εκτεταμένη διεύθυνση που του στάλθηκε με αυτές που υπάρχουν στον πίνακα γειτόνων. Αν βρεθεί στον πίνακα, ενημερώνει το επίπεδο εφαρμογών ότι η συγκεκριμένη συσκευή ανήκει ήδη στο δίκτυο. Διαφορετικά, διαθέτει μία νέα διεύθυνση των 16 bits για τη συσκευή και ενημερώνει το επίπεδο εφαρμογών ότι η συσκευή προστέθηκε στο δίκτυο. Στην πλευρά του παιδιού ακολουθείται η εξής διαδικασία. Το επίπεδο εφαρμογών ζητά από το επίπεδο δικτύου να κάνει εκπομπές μηνυμάτων προς όλα τα δίκτυα που λειτουργούν στην γύρω περιοχή. Τα μηνύματα αυτά περιέχουν την εκτεταμένη διεύθυνση της συσκευής (64 bits), ενώ ως διεύθυνση προορισμού έχουν τη διεύθυνση εκπομπής. Μόλις ένα τέτοιο μήνυμα φθάσει στη συσκευή του πιθανού γονέα, το επίπεδο δικτύου θα καταλάβει ότι πρόκειται για μία συσκευή που ανήκει στο δίκτυο και θα τις στείλει τη διεύθυνση των 16 bits, την οποία θα πρέπει να χρησιμοποιεί για τις μεταδόσεις της στο δίκτυο. Η αποχώρηση μίας συσκευής από ένα δίκτυο μπορεί και αυτή να γίνει με δύο τρόπους. Στον πρώτο τρόπο, το ίδιο το παιδί ζητά από το γονέα να αποχωρήσει. Ο γονέας εγκρίνει και η σύνδεση διακόπτεται. Στην περίπτωση όμως που το παιδί έχει και αυτό άλλα παιδιά, πρέπει πρώτα να ζητήσει από αυτά να φύγουν και στη συνέχεια να διακόψει τη σύνδεση. Στο δεύτερο τρόπο, ο γονέας ζητά από το παιδί να φύγει από το δίκτυο. Μόλις ένα παιδί λάβει αυτή την εντολή, ενεργεί όπως στον πρώτο τρόπο.

Το Επίπεδο εφαρμογών (Application layer, APL)

Το επίπεδο εφαρμογών αποτελείται από το υποεπίπεδο υποστήριξης εφαρμογών (Application support sublayer, APS), το πλαίσιο εφαρμογών (Application framework, AF), τα αντικείμενα συσκευής ZigBee (ZigBee Device Objects, ZDO) και από τις καθορισμένες από τον κατασκευαστή εφαρμογές. Το υποεπίπεδο APS είναι υπεύθυνο για τη μεταφορά των δεδομένων των εφαρμογών σε άλλες συσκευές του δικτύου. Επίσης υποστηρίζει την ανακάλυψη συσκευών και την εγκατάσταση συνδέσεων με αυτές. Τα ZDO είναι αυτά που καθορίζουν το ρόλο της κάθε συσκευής στο δίκτυο, τον τρόπο λειτουργίας της και παρέχουν τη δυνατότητα για ανακάλυψη υπηρεσιών και συσκευών στις εφαρμογές. Επίσης διαχειρίζονται όλους τους μηχανισμούς που έχουν σχέση με την ασφάλεια. Το πλαίσιο εφαρμογών είναι το περιβάλλον στο οποίο φιλοξενούνται οι εφαρμογές μέσα σε μία συσκευή ZigBee. Σε αυτό μπορούν να υπάρξουν μέχρι και 240 εφαρμογές. Για το διαχωρισμό τους, καθεμία έχει το δικό της σημείο τερματισμού.

Τα προφίλ του ZigBee

Κάθε συσκευή ZigBee μπορεί να υποστηρίζει ένα ή και περισσότερα προφίλ. Δύο συσκευές μπορούν να επικοινωνήσουν μόνο αν υποστηρίζουν ένα συγκεκριμένο προφίλ. Το κάθε προφίλ έχει τη δική του ταυτότητα (profile identifier, 2 bytes), η οποία είναι μοναδική. Τα προφίλ καθορίζουν τη φύση των εφαρμογών, τα χαρακτηριστικά των συσκευών και τα συμπλέγματα δεδομένων που χρησιμοποιούνται στην επικοινωνία. Τα συμπλέγματα δεδομένων έχουν και αυτά τη δική τους ταυτότητα (cluster identifier, 1 byte), η οποία είναι μοναδική μέσα σε ένα συγκεκριμένο προφίλ. Καθορίζουν τις δομές των δεδομένων που χρησιμοποιούνται στην επικοινωνία μεταξύ των σημείων τερματισμού. Κάθε σύμπλεγμα αποτελείται από ιδιότητες. Κάθε ιδιότητα έχει μία μοναδική ταυτότητα (attribute identifier, 2 bytes) μέσα σε ένα συγκεκριμένο σύμπλεγμα. Τα χαρακτηριστικά των συσκευών ZigBee καθορίζονται με τους παρακάτω περιγραφείς. • Περιγραφέας κόμβου. Περιέχει πληροφορίες σχετικά με τις συσκευές που υπάρχουν σε αυτόν, τις ζώνες συχνοτήτων που λειτουργεί, τον κωδικό του κατασκευαστή και το μέγιστο μέγεθος των δεδομένων που παραδίδονται στο υποεπίπεδο APS ή παραλαμβάνονται από αυτό. Ένας κόμβος μπορεί να αποτελείται από περισσότερες από μία συσκευές που μοιράζονται όμως τον ίδιο πομποδέκτη. • Περιγραφέας ισχύος κόμβου. Περιέχει πληροφορίες σχετικά με την κατάσταση λειτουργίας του δέκτη, τις διαθέσιμες πηγές ενέργειας, την πηγή ενέργειας που χρησιμοποιείται και το επίπεδο φόρτισης. • Απλός περιγραφέας. Αντιστοιχεί ένας σε κάθε σημείο τερματισμού. Περιέχει τον αριθμό του σημείου, την ταυτότητα του προφίλ που υποστηρίζει το συγκεκριμένο σημείο, την ταυτότητα των συσκευών που υποστηρίζονται, τον αριθμό και τη λίστα των εισερχόμενων και εξερχόμενων συμπλεγμάτων δεδομένων που υποστηρίζονται. • Σύνθετος περιγραφέας. Είναι προαιρετικός. Περιέχει πληροφορίες για τη συσκευή, όπως το όνομα του κατασκευαστή, τον αριθμό της και το URL στο οποίο βρίσκονται όλες οι πληροφορίες σχετικά με αυτή. Αν ο κόμβος αποτελείται από περισσότερες από μία συσκευές, τότε υπάρχει ένας σύνθετος περιγραφέας για κάθε συσκευή. • Περιγραφέας χρήστη. Είναι προαιρετικός και περιέχει το όνομα που δίνει ο χρήστης στη συσκευή. Αν ο κόμβος αποτελείται από περισσότερες από μία συσκευές, τότε υπάρχει ένας περιγραφέας χρήστη για κάθε συσκευή. Στις προδιαγραφές του ZigBee ορίζονται τα παρακάτω προφίλ. • Προφίλ συσκευής ZigBee. Είναι ένα γενικό προφίλ το οποίο υποστηρίζουν όλες οι συσκευές ZigBee. Με αυτό επιτυγχάνεται η ανακάλυψη των συσκευών και των υπηρεσιών που αυτές παρέχουν, η διαχείριση ενός δικτύου και η εγκαθίδρυση συνδέσεων μεταξύ σημείων τερματισμού. • Αυτοματισμοί σπιτιών. • Αυτοματισμοί κτιρίων. • Έλεγχος εγκαταστάσεων. Ο κάθε κατασκευαστής, με βάση τις προδιαγραφές, μπορεί να ορίσει το δικό του προφίλ και στη συνέχεια να απευθυνθεί στην εταιρία ZigBee Alliance για να του χορηγηθεί μία ταυτότητα. Ο σχεδιαστής του προφίλ είναι υπεύθυνος για να καθορίσει τη φύση των εφαρμογών, τα χαρακτηριστικά των συσκευών και τα συμπλέγματα δεδομένων που χρησιμοποιούνται στην επικοινωνία.

Συχνότητες λειτουργίας

Οι συσκευές Bluetooth και ZigBee λειτουργούν στην παγκοσμίως ελεύθερη βιομηχανική, επιστημονική και ιατρική ζώνη (ISM band) που βρίσκεται στα 2,4 GHz (2,4-2,4835 GHz). Επιπλέον οι συσκευές ZigBee έχουν τη δυνατότητα να λειτουργήσουν και σε άλλες δύο ζώνες συχνοτήτων, 868-868,6 MHz και 902-928 MHz, με χαμηλότερους όμως ρυθμούς μετάδοσης. Για τη λειτουργία σε αυτές τις ζώνες δεν απαιτείται κάποια άδεια. Το γεγονός αυτό είναι θετικό γιατί συντελεί στο μηδενικό κόστος λειτουργίας των παραπάνω δικτύων. Δημιουργεί όμως προβλήματα παρεμβολών, αφού σε μία περιοχή μπορούν να λειτουργούν ελεύθερα πολλά τέτοια δίκτυα. Ένας κοινός τρόπος αντιμετώπισης των παρεμβολών από άλλες συσκευές είναι η μειωμένη ισχύς εκπομπής. Επιπρόσθετα, κάθε μία από τις παραπάνω τεχνολογίες έχει λάβει και τα δικά της μέτρα για την αντιμετώπισή τους. Οι συσκευές ZigBee χρησιμοποιούν την εξάπλωση φάσματος άμεσης ακολουθίας (DSSS) για την αντιμετώπιση των παρεμβολών. Σε αυτή κάθε bit πληροφορίας μετατρέπεται σε μία ακολουθία από chips. Η διάρκεια του κάθε chip είναι πολύ μικρότερη από τη διάρκεια του bit. Με αυτό τον τρόπο το σήμα πληροφορίας μεταδίδεται χρησιμοποιώντας ένα πολύ μεγαλύτερο εύρος ζώνης από το απαιτούμενο. Αυτό είναι και ο λόγος που στο ZigBee υπάρχουν μόνο 16 κανάλια στη ζώνη συχνοτήτων 2,4-2,4835 GHz. Στην πλευρά του δέκτη οι ακολουθίες των chips μετατρέπονται στα bits πληροφορίας και το επιθυμητό σήμα επανασυμπιέζεται. Οι παρεμβολές παραμένουν απλωμένες και ελάχιστα επηρεάζουν το σήμα πληροφορίας. Οι παρεμβολές από σήματα στενής ζώνης μπορούν να απομακρυνθούν με φιλτράρισμα πριν την επανασυμπίεση, χωρίς να έχουμε μεγάλη απώλεια πληροφορίας. Η DSSS επιτρέπει σε περισσότερους χρήστες να χρησιμοποιούν το ίδιο κανάλι.

Ισχύς εκπομπής και ακτίνα δράσης

Η ισχύς εκπομπής των συσκευών Bluetooth εξαρτάται από την κατηγορία στην οποία ανήκουν. Για την κατηγορία 1 κυμαίνεται από 0 dBm ως 20 dBm, για την κατηγορία 2 από -6 dBm ως 4 dBm και η κατηγορία 3 έχει μέγιστη ισχύ εκπομπής ίση με 0 dBm. Η ακτίνα δράσης είναι 10m στην κατηγορία 3 και μπορεί να φθάσει τα 100m στην κατηγορία 1. Οι συσκευές Bluetooth έχουν τη δυνατότητα να ρυθμίζουν την εκπεμπόμενη ισχύ τους στην ελάχιστη απαιτούμενη για κάθε σύνδεση. Η διάρκεια ζωής της μπαταρίας κυμαίνεται από 1 ως 7 ημέρες. Οι συσκευές ZigBee έχουν ελάχιστη ισχύ εκπομπής ίση με -3 dBm, ενώ η μέγιστη περιορίζεται από τη νομοθεσία κάθε περιοχής. Η ακτίνα δράσης μπορεί να φθάσει τα 75m, ενώ η διάρκεια ζωής της μπαταρίας κυμαίνεται από 100 ως 1000 ημέρες. Για τις συσκευές IrDA η ελάχιστη και η μέγιστη εκπεμπόμενη πυκνότητα ισχύος είναι 40 και 500 mW/Sr αντίστοιχα. Η ακτίνα δράσης μπορεί να φθάσει το 1m. Για τις φορητές συσκευές, όπου η κατανάλωση ισχύος είναι χαμηλή, η ακτίνα δράσης δεν ξεπερνά τα 20 με 30cm. Η διάρκεια ζωής της μπαταρίας κυμαίνεται από 1 ως 7 ημέρες

Δυνατότητες δικτύων

Σε ένα δίκτυο Bluetooth μπορούν να υπάρχουν μέχρι και 8 ενεργές συσκευές ταυτόχρονα, ένας master και 7 slaves. Όλες οι μεταδόσεις γίνονται από το master προς κάποιο slave και αντίστροφα. Οι slaves δεν μπορούν να επικοινωνήσουν μεταξύ τους. Τα μεταδιδόμενα πλαίσια μπορούν να έχουν ωφέλιμο φορτίο μέχρι και 1021 bytes. Τα περισσότερα από αυτά περιέχουν κώδικα ανίχνευσης λαθών και κώδικα διόρθωσης λαθών, για την παροχή αξιόπιστων συνδέσεων. Επιπλέον υποστηρίζονται και οι επαναμεταδόσεις λανθασμένων πλαισίων. Το BER είναι 0,1% στην περίπτωση του βασικού ρυθμού μετάδοσης και 0,01% στην περίπτωση του επαυξημένου ρυθμού. Οι συσκευές Bluetooth παρέχουν υπηρεσίες προσανατολισμένες σε σύνδεση και υπηρεσίες χωρίς σύνδεση. Τα μεταφερόμενα δεδομένα μπορεί να είναι είτε ασύγχρονα είτε ισόχρονα. Για τα ισόχρονα δεδομένα γίνεται δέσμευση χρονοσχισμών από το master και παρέχονται μέχρι και 3 πλήρως αμφίδρομα κανάλια. Οι συσκευές ZigBee επιτρέπουν τη δημιουργία μεγαλύτερων και πιο πολύπλοκων δικτύων. Κάθε δίκτυο μπορεί να έχει μέχρι και 65536 συσκευές, μία από αυτές θα είναι ο συντονιστής του δικτύου. Δεν είναι απαραίτητο να βρίσκονται όλες οι συσκευές μέσα στην ακτίνα δράσης του συντονιστή. Οι συσκευές του δικτύου διακρίνονται σε πλήρους και μειωμένης λειτουργίας. Οι πρώτες μπορεί να είναι συνδεδεμένες με αρκετές συσκευές του δικτύου, ενώ οι δεύτερες μόνο με το γονέα τους. Ορίζονται αλγόριθμοι για την ανάθεση διευθύνσεων (16 bits) στις συσκευές του δικτύου και για τη δρομολόγηση των πλαισίων. Κάθε συσκευή μπορεί να επικοινωνήσει με όλες τις άλλες συσκευές του δικτύου. Τα μεταδιδόμενα πλαίσια έχουν ωφέλιμο φορτίο μέχρι 127 bytes, περιέχουν κώδικα ανίχνευσης λαθών και επαναμεταδίδονται σε περίπτωση που κάποιο λάθος ανιχνευθεί. Το ποσοστό των λανθασμένων πλαισίων είναι μικρότερο του 1% για πλαίσια με 20 bytes ωφέλιμο φορτίο. Δεν υποστηρίζεται η μετάδοση φωνής. Σε κάθε υπερπλαίσιο μπορούν να δεσμευθούν μέχρι και 7 χρονοσχισμές για την εξυπηρέτηση υπηρεσιών που απαιτούν συγκεκριμένο εύρος ζώνης.

Εφαρμογές της τεχνολογίας ZigBee

Η τεχνολογία ZigBee χρησιμοποιείται κυρίως σε δίκτυα που απαιτούν πολύπλοκες τοπολογίες, χαμηλούς ρυθμούς μετάδοσης, χαμηλό κόστος και μεγάλη διάρκεια ζωής της μπαταρίας των συσκευών. Τέτοια δίκτυα είναι αυτά που αποτελούνται από αισθητήρες. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν για αυτοματισμούς και ασφάλεια κτιρίων, για παρακολούθηση της λειτουργίας βιομηχανικών εγκαταστάσεων, για παρακολούθηση ασθενών κ.α.

 

Σύστημα Τηλεϊατρικής

Κάθε τέτοιο σύστημα αποτελείται από μία ή περισσότερες ασύρματες μονάδες αισθητήρων σώματος (Body Sensor Units, BSUs). Οι BSUs είναι έξυπνες μικροσκοπικές συσκευές που προσαρμόζονται σε κατάλληλα σημεία του ανθρωπίνου σώματος και καταγράφουν ένα ή περισσότερα βιολογικά σήματα ανα τακτά χρονικά διαστήματα (π.χ ηλεκτροκαρδιογράφημα, θερμοκρασία σώματος, πίεση αίματος, ποσότητα γλυκόζης στο αίμα και ποσοστό οξυγόνου ανά μονάδα αίματος). Αρχικά τα σήματα συλλέγονται σε αναλογική μορφή από τους αισθητήρες. Μετατρέπονται σε ψηφιακά και στέλλονται στο συντονιστή του δικτύου. Ακολούθως γίνεται αποστολή των δεδομένων στους ειδικούς είτε ασύρματα είτε ενσύρματα.

 

ZigBee ΠΟΜΠΟΔΕΚΤΗΣ

Ένας αντιπροσωπευτικός πομποδέκτης υπο-1 Ghz παρουσιάζεται στο σχήμα. Το ολοκληρωμένο κύκλωμα περιέχει ένα φυσικό στρώμα 900 MHZ (PHY) και τη μερίδα hardware του ελεγκτή πρόσβασης (υλικό-MAC). Οι υπόλοιπες λειτουργίες της MAC (λογισμικό-MAC) και το στρώμα εφαρμογής εκτελούνται σε έναν εξωτερικό μικροελεγκτή. Όλες οι λειτουργίες PHY είναι ενσωματωμένες στο τσιπ με τα ελάχιστα εξωτερικά συστατικά που απαιτούνται για ένα πλήρες πομποδέκτη. Ένα χαμηλού κόστους κρύσταλλο χρησιμοποιείται ως αναφορά για το PLL και για να χρονομετρήσει τα ψηφιακά στοιχεία κυκλώματος. Για να βελτιστοποιήσει την κατανάλωση ενέργειας στον τρόπο ύπνου αλλά κρατώντας μια ακριβή χρονική βάση, ένα ρολοί πραγματικού χρόνου μπορεί να χρησιμοποιηθεί για αναφορά. Η αναλογική μερίδα του δέκτη μετατρέπει το επιθυμητό σήμα από το RF στην ψηφιακή βασική ζώνη. Ο συγχρονισμός, και η αποδιαμόρφωση γίνονται στην ψηφιακή μερίδα του δέκτη. Το ψηφιακό μέρος της συσκευής αποστολής σημάτων κάνει τη διάδοση και το φιλτράρισμα βασικών ζώνων, ενώ το αναλογικό μέρος της συσκευής αποστολής σημάτων κάνει τη διαμόρφωση και τη μετατροπή στο RF.