ZigBee w ekspresowym skrócie

Zigbee to protokół transmisji danych w sieciach bezprzewodowych o konfiguracjach mesh i/lub cluster tree. Jego wstępna specyfikacja została uznana za standard IEEE w roku 2003, pierwsze moduły OEM zgodne z nim pojawiły się w masowej sprzedaży na początku roku 2006.
ZigBee opracowano jako standard samokonfigurujących się sieci radiowych o niewielkim zasięgu, przeznaczony do stosowania w systemach telemetrycznych, do komunikacji pomiędzy różnego rodzaju czujnikami, urządzeniami monitorującymi, a także do bezprzewodowego odczytu wyników pomiarów z liczników energii, ciepła itp. W ramach standardu ZigBee opracowano względnie prosty, odporny na błędy komunikacji i nieuprawnione odczyty protokół pakietowej wymiany danych, co widać m.in. w relatywnie niewielkich wymaganiach stawianych mikrokontrolerom, na których implementowane są stosy protokołów ZigBee. Według danych konsorcjum ZIGBEE.org implementacja kompletnego stosu ZigBee wymaga zaledwie ok. 1/4 pojemności pamięci Flash niezbędnej do zaimplementowania stosu Bluetooth (rys. 1).

Rys. 1. Stos IEEE 802.15.4

Jak widać na rysunku, standard IEEE 802.15.4 definiuje dwie najniższe warstwy: fizyczną (PHYsical) i warstwę MAC (Media Access Control), która odpowiada m.in. za dostęp do kanałów radiowych z wykorzystaniem mechanizmu CSMA-CA oraz za transmisję ramek sygnalizacyjnych beacon i synchronizację wymiany danych. Warstwę PHY (IEEE 802.15.4) podzielono na dwie części przystosowane do obsługi dwóch zakresów częstotliwości: 868 MHz i 2,4 GHz.
Dzięki wbudowanym zabezpieczeniom, protokół ZigBee zapewnia wysoką niezawodność transmisji, wykrywanie i usuwanie błędów transmisji, łączność pomiędzy urządzeniami o ustalonych priorytetach. Możliwość pracy wielu urządzeń w niewielkiej odległości od siebie uzyskano dzięki wykorzystaniu transmisji radiowej sygnału z widmem rozproszonym. Kolejnym atutem urządzeń pracujących w systemach ZigBee jest ukierunkowanie na minimalizację poboru energii, co w wielu przypadkach pozwala zasilać je z ogniw chemicznych. Transmisja radiowa w ZigBee odbywa się w paśmie 2,4 GHz (opcjonalnie w paśmie 868 MHz), budowę i parametry wymaganego toru radiowego opisuje standard IEEE802.15.4.

Urządzenia wchodzące w skład typowych systemów ZigBee podzielono na trzy rodzaje:

• koordynator. W każdej sieci może funkcjonować tylko jedno takie urządzenie. Spełnia on rolę węzła przyłączeniowego dla wszystkich pozostałych urządzeń, np. w systemie bezprzewodowych liczników energii elektrycznej gromadzi dane odczytane z wszystkich liczników.
• router. Jest to urządzenie o funkcjonalności zbliżonej do klasycznych routerów sieciowych jego zadaniem jest przekazywanie pakietów oraz zwiększenie zasięgu sieci, tworząc trasy z „przeskokami” multihop routing.
• urządzenia końcowe. Przesyłają dane do koordynatora (także przez router), do którego jest przyłączone. Zazwyczaj jest czasowo usypiane, co pozwala obniżyć pobór energii.

W sieci ZigBee musi funkcjonować co najmniej jeden koordynator, a liczba urządzeń końcowych może teoretycznie wynosić 65536 (skrócone adresowanie 16-bitowe z alokacją), zazwyczaj ich liczba nie przekracza 256.