زیگبی: مشخصه ای برای مجموعه ای از پروتکل های ارتباطی سطح بالا ZigBee: a specification for a suite of high level communication protocols

رئوس مطالب

1. بررسی تخصصی

2. مارک تجاری و پیوستگی

2.1 مجوز

2.2 پروفایل کاربردی

3. کاربرد

4. انواع دستگاه

5 پروتکل ها

6. سابقه

7. سخت افزار رادیویی

8. نر افزار

8.1 لایه شبکه

8.2 لایه کاربردی

8.3 بخش های اصلی

8.4 مدل های ارتباطی

8.5 ارتباط و کشف تجهیزات

9. خدمات امنیتی

9.1 مدل امنیتی مبنا

9.2 طرح امنیتی

10. فروشندگان تراشه/ شامل تجهیزات

11.  مشاهده جزییات دیگر

12. منابع

13. لینک های بیرونی

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

زیگبی به عنوان یک شبکه استاندارد بی سیم کم هزینه، با توان پایین و شبکه ای می باشد. هزینه پایین باعث می شود که این فناوری به طور گسترده ای در کنترل های بی سیم و کاربردهای نظارتی بکار گرفته شود. شبکه بندی در هم تنیده قابلیت اطمینان بالا و دامنه گسترده تری را ایجاد می کند. فروشندگان تراشه زیگبی معمولا این دستگاه های مخابراتی یکپارچه و میکروکنترل ها را با حافظه فلش 60 KB و 256 KB به فروش می رسانند.

زیگبی در باندهای رادیویی صنعتی، علمی و پزشکی فعالیت می کند. که این تشعشات در اروپا 868 MHz، در امریکا و استرالیا 868 MHz و در قلمرو جهانی 2.4 GHz می باشد. نسبت ارسال داده از 20 به 900 کیلوبایت بر ثانیه متفاوت می باشد.

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

زیگبی که بر مبنای لایه فیزیکی و کنترل دسترسی ایجاد می گردد توسط استاندارد IEEE 802.15.4 برای WPAN های با برد کوتاه تعریف می گردد. این مشخصات همزمان ادامه می یابد تا استانداردها را با اضافه شدن چهار مولفه اصلی کامل کند: که شامل لایه شبکه، لایه کاربردی، ابزارهای هدف زیگبی (ZDOs) و اهداف کاربردی تعریف شده می باشد که امکان سفارشی کردن و یکپارچگی کامل را ایجاد می کنند.

به جای افزودن دو لایه شبکه سطح بالا به ساختارهای مورد نظر، مهمترین پیشرفت معرفی ZDO می باشد. آن ها مسئول تعدادی از فعالیت ها می باشند، که شامل حفظ نقش های ابزاری، مدیریت درخواست برای پیوند شبکه، کشف ابزار و امنیت می باشد.

هدف زیگبی پشتیبانی از شبکه بندی خطوط توان نمی باشد بلکه با آن حداقل برای کنتورهای هوشمند و اهداف کاربردی هوشمند پیوند بر قرار می کند.

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

مارک تجاری و پیوستگی

اتحادیه زیگبی، گروهی از شرکت هایی می باشد که به حفظ و انتشار استاندارد زیگبی می پردازند. اصطلاح زیگبی به عنوان علامت تجاری ثبت شده این گروه و نه یک استاندارد فنی مجزا، می باشد. این اتحادیه پروفایل های کاربردی را منتشر می کنند که این امکان را برای فروشندگان OEM  ایجاد می کنند تا محصولات مرتبط به هم را تولید کنند. ارتباط بین IEEE 802.15.4 و زیگبی مشابه موارد بین پیوستگی IEEE 802.11 و Wi-Fi می باشد.

مجوز

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

شرایط مربوط به عضویت در اتحادیه زیگبی، مشکلاتی را برای توسعه دهندگان منبع باز ایجاد می کند زیرا پرداخت سالانه در تضاد با مجوز عمومی GNU می باشد. شرایط اینکه توسعه دهندگان با اتحادیه زیگبی پیوند بخورند در تضاد با مجوز نرم افزارهای رایگان دیگر می باشد.

پروفایل های کاربردی

فهرست کنونی پروفایل کاربردی بصورت منتشر شده یا فعال عبارتند از:

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

- اتوماسیون خانگی زیگبی

- انرژی هوشمند زیگبی

- خدمات مخابراتی زیگبی

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

- کنترل از راه دور ZigBee RF4CE

خصوصیات در دست توسعه

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

- اتوماسیون ساختمان زیگبی

- خدمات خرده فروشی زیگبی

- پیوند سبک زیگبی

انرژی هوشمند زیگبی نسخه 2. این خصوصیات به تعریف پروتکل های بر مبنای IP برای ارزیابی، کنترل، اگاه سازی و اتوماسیون تحویل و استفاده از انرژی و آب می پردازد. این فرایند بر مبنای افزایش انرژی هوشمند زیگبی با نسخه 1 می پردازد که سرویس هایی را برای شارژ ابزارهای برقی (PEV) پریزی نصب، پیکره بندی و دانلود سفت ابزار، سرویس های از پیش پرداخته شده، اطلاعات کاربر و پیام رسانی، کنترل ظرفیت، واکنش تقاضا و اطلاعات معمول و پروفایل کاربردی برای شبکه های بی سیمی و سیمی، اضافه می کند. این موارد توسط شرکا تکمیل می گردد که شامل:

بخش های شبکه خانگی مسئول بازاریابی و تایید فناوری ITU-T G.hn و محصولات

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

- جامعه بین المللی مهندسی اتوماسیون SAE بین المللی

- پیوند IPSO

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

- پیوند Wi-Fi

در سال 2009، کنسرسیوم RF4CE ( فرکانس رادیویی برای مصرف کنندگان وسایل الکترونیکی) و اتحادیه زیگبی به طور مشترک توافق کردند تا استانداردی را برای کنترل از راه دور فرکانس رادیویی ایجاد کنند. ZigBee RF4CE برای مجموعه گسترده ای از محصولات الکتریکی مصرف کنندگان همانند تلویزیون و تجهیزات ستاپ باکس (گیرنده های فرکانس) طراحی می گردد. آن مزایای زیادی را در ارتباط با کنترل های از راه دور موجود ، همانند ارتباطات غنی تر و افزایش قابلیت اطمینان، انعطاف پذیری و ویژگی های بیشتر، قابلیت همکاری، و جلوگیری از موانع خط دید ایجاد می کند. مشخصات مربوط به ZigBee RF4CE ارزیابی های مربوط به ایجاد شبکه را مد نظر قرار می دهد و از تمام خصوصیات شبکه پشتیبانی نمی کند، که برای پیکره بندی حافظه کمتر برای تجهیزاتی با هزینه پایین تر هماند کنترل های از راه دور با مد نظر قرار می گیرد.

کاربرد

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

- کنترل و سرگرمی های خانگی- اتوماسیون خانه، نورپردازی هوشمند، کنترل پیشرفته دما، ایمنی و امنیت، فیلم و موسیقی

- شبکه های حسگر بی سیم- توسط حسگرهای مجزا همانند Telosb/Tmote و Iris از Memsic آغاز می گردد

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

- حسگرهای جاسازی شده

- جمع آوری داده های پزشکی

- هشدار دودی و حریم

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

نوع تجهیزات

سه نوع متفاوت از ابزار زیگبی وجود دارد:

- هماهنگ کننده زیگبی (ZC): مناسب ترین ابزار، یعنی هماهنگ کننده، ریشه درخت شبکه را ایجاد کرده و به شبکه های دیگر متصل می گردد. تنها دقیقا یک هماهنگ کننده زیگبی در هر شبکه وجود دارد زیرا به عنوان ابزاری می باشد که شبکه را بطور اصلی راه اندازی می کند. آن دارای این قابلیت می باشد تا اطلاعاتی را در مورد شبکه شامل عملیات بر مبنای اعتماد و بخش هایی برای کلیدهای امنیتی می باشد.

- روتر زیگبی (ZR): همانند اجرای نقش های کاربردی، روتر بر مبنای یک روتر میانجی عمل می کند، که بهر روی داده ها از ابزارهای دیگر پیش می رود.

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

پروتکل ها

پروتکل هایی بر روی جستجوهای الگوریتم جدید برای ایجاد اتوماتیک شبکه ای از گره های تک کاره با سرعت پایین به وجود می آید. در نمونه های مرتبط به شبکه های بزرگ، شبکه به عنوان خوشه ای از خوشه ها می باشد. ان می تواند به صورت خوشه شبکه ای یا مجزا باشد. پروتکل زیگبی کنونی به پشتیبانی از شبکه های هدایتی و غیرهدایتی می پردازد.

در شبکه های فعال غیرهدایتی، مکانیسم دسترسی کانال بدون اسلات CSMA/CA مورد استفاده قرار می گیرد. در این نوع از شبکه، روترهای زیگبی معمولا دریافت کننده ها را بطور مستمر فعال می کنند، که نیازمند منبع تغذیه بیشتری می باشد. به هر حال این موارد شبکه های ناهمگن را فعال می کنند که در ان بعضی از ابزارها به طور مستمر دریافتی دارند، در حالی که ابزارهای دیگر تنها زمانی انتقال را انجام می دهند که یک محرک بیرونی آشکار گردد. نمونه معمول شبکه ناهمگن به صورت یک سوییچ برق بی سیم می باشد. گره زیگبی در لامپ دائما دریافت می گردد، از ای رو به منبع اصلی متصل است، در حالی که سوییچ برق باتری غیرفعال می ماند تا زمانی که سوییچ خراب شود.

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

در شبکه های فعال، گره های شبکه خاص به نام روترهای زیگبی می باشند که امواج دوره ای را برای تایید حضورشان به گره های شبکه دیگر ارسال می کنند. این گره ها بین امواج غیرفعال می گردند، و به این ترتیب دوره کار آن ها کمتر شده و عمر باتری آن ها بیشتر می شود. فواصل امواج بستگی به میزان داده دارد؛ آن ها در محدوده 15.36 هزارم ثانیه تا 251.65824 ثانیه در 250 kbit/s، از 24 هزارم ثانیه تا 393.216 ثانیه در 40 kbit/s و از 48 هزارم ثانیه به 786.432 ثانیه در 20 kbit/s قرار می گیرند. به هر حال فعالیت دوره کار با فواصل امواج بلند نیازمند زمان بندی دقیق می باشد، که در تضاد با نیاز برای هزینه تولیدات پایین می باشد.

در کل، پروتکل زیگبی باعث به حداقل رساندن زمان، وقتی که این امواج فعال می باشد می گردند، به صورتی که کاربرد توان را کاهش می دهند. در شبکه های موجی ، گره ها نیاز دارند تا زمانی فعال گردند که یک موج انتقال می یابد. در شبکه های فعال غیر موجی، مصرف برق به طور قطعی نامتقارن می باشد: بعضی از ابزارها همیشه فعال می باشند، در حالی که بیشتر زمان غیرفعال می باشند.

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

سابقه

شبکه های زیگبی به اینصورت در حدود سال 1998 مد نظر قرار گرفته اند، زمانی که بسیاری از سیم کشان برق دریافته اند که وایفای و بلوتوث برای بسیاری از برنامه های کاربردی نامناسب می باشند. به طور خاص، بسیاری از مهندسان نیازی را برای خودسازماندهی شبکه های رادیویی دیجیتال تک منظوره انجام می دهند.

استاندارد IEEE 802.15.4-2003 در می سال 2003 کامل شد و با انتشار استاندارد IEEE 802.15.4-2006 منسوخ شد. در تابستان 2003، فیلیپ سیمیکونداکتور، که به عنوان اسپانسر اصلی شبکه سرند بود، از سرمایه گذاری صرفه نظر کرد. فیلیپ لایتینگ به هر حال مشارکت خود را ادامه داد و فیلیپ به عنوان یکی از اعضای موسس هیئت مدیریت اتحادیه زیگبی باقی ماند.

اتحادیه زیگبی در اکتبر 2004 اعلام کرد که عضویت به بیش از دو برابر نسبت به سال قبل رسید و به بیش از صد شرکت عضو در 22 کشور رسید. تا آوریل 2005 و تا دسامبر 2005اعضا به 200 شرکت رسیدند.

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

اولین انتشار آن به نام زیگبی 2004 می باشد. دومین مجموعه منتشر شده به نام زیگبی 2006 است، که اساسا جایگزین ساختار MSG/KVP مورد استفاده در سال 2004 با مجموعه خوشه ای شده است. مجموعه 2004 کم و بیش منسوخ شده می باشد.

زیگبی 2007به عنوان مجموعه منتشر شده کنونی می باشد، که شامل دو پروفایل می باشد، پروفایل مجموعه 1 ( که به نام زیگبی می باشد). در ارتباط با کاربرد تجاری و خانگی، ما پروفایل 2 را مد نظر قرار می دهیم ( که به نام ZigBee Pro می باشد). ZigBee Pro خصوصیات بیشتری را همانند چند تقسیمی، مسیرهای چند به یک و امنیت بالا با تبادل کلیدهای متقارن (SKKE) ارائه می دهد، در حالی که زیگبی ( مجموعه پروفایل 1) جای کمتری را در رم و فلش به خود اختصاص می دهد. هر دو این موارد شبکه بندی توری کاملی را ارائه داده و با تمام پروفایل های کاربردی زیگبی کار می کنند.

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

خصوصیات زیگبی 1.0 در 14 دسامبر 2004 تصویب شد و در دسترس اعضای اتحادیه زیگبی می باشد. اخیرا، مشخصات زیگبی 2007 در 30 اکتبر 2007 مد نظر قرار گرفت. اولین پروفایل کاربردی زیگبی، اتوماسیون خانگی، در 2 نوامبر 2007 ابلاغ شد.

سخت افزار رادیویی

طرح رادیویی مورد استفاده توسط زیگبی به دقت بر مبنای هزینه پایین آن ها در تولید با مقیاس بالا بهینه شده اند. ان دارای مراحل انالوگ کمی بوده و در صورت امکان از جریانات دیچیتالی استفاده می کند.

اگرچه این رادیوها گران نمی باشند، فرایند صلاحیت زیگبی شامل تایید کاملی از شرایط لایه فیزیکی می باشد. تمام امواجی که توسط مجموعه پوشش های نیمه رسانای تایید شده یکسانی حاصل می شوند، دارای خصوصیات RF یکسانی می باشند. لایه فیزیکی تایید نشده ای که به خوبی کار نمی کند، عمر باتری ابزارهای دیگر را بر روی شبکه زیگبی کم می کند. امواج زیگبی دارای محدودیت های زیادی در ارتباط با توان و پهنای باند می باشند. بنابراین، این امواج نسبت به استاندارد ISO 17025  با توجه به دستورالعمل های داده شده توسط ماده 6 استاندارد 802.15.4- 2006 تست می گردند. اکثر طرح های فروشندگان برای یکپارچه ساختن امواج و میکروکنترلر در یک تراشه مجزا، ابزارهای کوچکتری را مد نظر قرار می دهد.

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

بازدهی داده ها کمتر از حداکثر نسبت بیت های مشخص شده به دلیل بسته های بالاسری و تاخیر پردازش می باشد.

این امواج از کدگذاری طیف گسترده توالی مستقیم استفاده می کند، که توسط رشته های دیجیتالی درون تلفیق کننده مدیریت می گردد. ورود داده های تغییر فاز دودویی (BPSK) در باندهای 868 و 915 MHz مورد استفاده قرار گرفته، و موارد کلیدی تغییر فاز یک چهارم حاشیه (OQPSK) که به انتقال دو بیت در هر نماد می پردازد در پهنای باند 2.4 GHz مورد استفاده قرار می گیرد. نسبت داده های خام، برابر با 250 kbit/s  در هر کانال در پهنای باند 2.4 GHz، 40 kbit/s در هر کانال در پهنای باند 915 MHz ، و 20 kbit/s در پهنای باند 868 MHz می باشد. دامنه انتقال بین 10 و 75 متر ( 33 و 246 پا) و بیش از 1500 متر برای zigbee pro است، اگرچه این موارد به شدت بستگی به محیط خاص دارد. توان خروجی شعاع معمولا 0 dBm (1 mW) می باشد.

نرم افزار

نرم افزاری طراحی می گردد که تا به آسانی در ریزپردازنده های کم هزینه و کوچک بکار گرفته شود.

لایه شبکه

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

از طرف دیگر، هویت داده به ایجاد و مدیریت واحدهای داده لایه شبکه از بازده لایه کاربردی پرداخته و مسیریابی را بر طبق به توپولوژی کنونی انجام می دهد. از طرف دیگر کنترل لایه وجود دارد، که برای مدیریت پیکره بندی ابزارهای جدید و ایجاد شبکه های جدید مورد استفاده قرار می گیرد: می توانیم مشخص کنیم که آیا ابزارهای مجاور متعلق به شبکه می باشد و همسایه ها و روترهای جدید را کشف می کند. این کنترل همچنین می تواند به آشکارسازی حضور دریافت کننده بپردازد که ارتباط مستقیم و هماهنگ سازی MAC را مد نظر قرار می دهند.

پروتکل مسیریابی مورد استفاده لایه شبکه به صورت AODV می باشد. به منظور یافتن تجهیزات مقصد، آن درخواست مرتبط به مسیر را به سمت تمام بخش های مجاور منتشر می کند. سپس بخش های مجاور درخواست ها را به سمت بخش های مجاور دیگر می کشاند تا زمانی که مقصد مد نظر قرار گیرد. زمانی که مقصد مد نظر قرار گرفت، پاسخ مربوط به مسیر را از طریق انتقال یک طرفه به دنبال مسیری با حداقل هزینه با در نظر گرفتن مبدا ارسال می کند. زمانی که مبدا پاسخ را دریافت کرد، باعث بروزرسانی جدول مسیریابی برای آدرس مقصد با در نظر گرفتن جهش بعدی در مسیر و هزینه مسیر، می گردد.

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

لایه کاربردی به عنوان بالاترین سطح لایه بوده که با در نظر گرفتن مشخصاتی تعریف می گردد، و بر مبنای رابط موثر سیستم زیگبی نسبت به کاربر نهایی اش می باشد. آن متشکل از بیشتر بخش های افزوده شده توسط مشخصات زیگبی می باشد: هر دو ZDO و رویکرد مدیریتی، به همراه اهداف کاربردی که توسط سازندگان تعریف می گردد، به عنوان بخشی از این لایه مد نظر قرار می گیرد.

مولفه اصلی

ZDO  مسئول تعریف نقش یک ابزار به عنوان یک تطبیق دهنده یا ابزار نهایی ، و همان طور که در بالا و همچنین برای کشف ابزارهای جدید بر روی شبکه و معرفی خدمات مربوطه می باشد. آن همچنین برای ایجاد پیوندهای ایمن با ابزارهای خارجی و همچنین پاسخ به درخواست ها الزامی استمرار می یابد.

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.