Základní informace

Specifikaci ZigBee vytvořila skupina IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) – konkrétně IEEE 802.15.4 a pak ZigBee aliance – ta sdružuje desítky významných firem, které se podílejí na vývoji. ZigBee spadá podobně jako BlueTooth do kategorie WPAN (wireless personal area network).

Jako standard vyšel v planost od listopadu 2004, vývoj začal již v roce 1997. ZigBee je jednouchá a flexibilní technologie, která poskytuje nenákladnou a nízko příkonovou komunikaci více zařízení na vzdálenost až 100 metrů.

ZigBee je vhodné především pro malé a jednoduché bezdrátové zařízení při jejich domácí a průmyslové aplikaci. Přenosová rychlost je v rozmezí 10 – 250 kbit/s, velkou výhodou je nízká energetická náročnost.

Topologie sítě

V síti se používají 2 typy zařízení – RFD a FFD. RFD (reduced functionality device) zařízení může komunikovat pouze s koordinátorem sítě (topologie hvězda), jedná se tedy o koncové zařízení. RFD zařízení implementují pouze nezbytné knihovny z důvodu omezení hardwarové náročnosti.

FFD (full functionality device) zařízení může komunikovat s jakýmkoliv zařízením v síti a stát se koordinátorem sítě. FFD implementují kompletní protokolový rámec a zajišťují tak veškeré služby.

Hvězda – řízením sítě je pověřen koordinátor a ostatní pracují jako koncová zařízení.
Strom – vzniká upravením hvězdy, jeden koordinátor sítě, na něho jsou navázané FFD zařízení, na které jsou navázané RFD zařízení.
Mesh – vzniká kombinací hvězdy a stromu
Bod-Bod – spojení 2 koncových zařízení

Adresace

Adresace slouží k jednoznačné identifikací připojených zařízení. K adresaci se používají 2 typy adres: plná a zkrácená.
Plná adresace používá 64 bitů, proto je možné adresovat až 264-2 zařízení. Zkrácena adresace využívá 16 bitů a je tedy možné adresovat až 216-2 zařízení.

Adresa 0x00000000 je vyhrazená pro koordinátora sítě, adresa 0xFFFFFFFF je vyhrazena pro broadcast na kterém naslouchají všechny zařízení. Každá síť je ještě identifikována pomocí PAN ID, což je 16 bitová adresa. Pomocí PAN ID lze rozlišovat jednotlivé překrývající se sítě.

Fyzická vrstva

Fyzickou vrstvu definuje organizace IEEE 802.15.4, vrstva pak určuje způsob komunikace. ZigBee pracuje v ISM (industry, science and medical) pásmu.

• 2,4 GHz (2,4 – 2,4830 GHz) – 16 kanálů (č. 11 – 26) s odstupem 5 MHz a rychlostí až 250 kbit/s. Využívá se celosvětově
• 915 MHz (902 – 928 MHz) – 10 kanálů (č. 1 – 10) s odstupem 2 MHz a rychlostí do 40 kbit/s. Použití v Americe
• 868 MHz (868,3 MHz) – 1 kanál (č. 0) o rychlosti 20 kbit/s a použitím v Evropě.

V pásmech 915 a 868 MHz se používá modulace BPSK (binary phase shift keying), v pásmu 2,4 GHz se používá modulace O-QPSK (offset quadrature phase shift keying). Pro přenos dat se používá metoda přímé sekvence rozprostřeného spektra DSSS (direct sequence spread spectrum) a k přístupu na kanál se používá metoda CSMA/CA (carrier sense multiple access/collision avoid).

Linková vrstva

Linková vrstva je opět definována organizací IEEE. Definuje komunikaci mezi jednotlivými zařízeními prostřednictvím rámců. Rozlišují se 4 typy rámců:

• Datový – přenos užitečných informací
• Signální – signální zprávy od koordinátora, synchronizace zařízení, možnost uvádět koncová zařízení do režimu spánku
• Potvrzující – pro komunikace, která vyžaduje potvrzování
• Příkazový – pro potřeby centralizovaného konfigurování a správy

Síťová vrstva

Síťovou vrstvu definuje již ZigBee aliance. Úkolem této vrstvy je připojování a odpojování zařízení od sítě, zabezpečení přednášených dat a směrování paketů. Dále pak nalezení dalšího zařízení v rámci jednoho přeskoku a v případě koordinátora sítě za start sítě a přiřazování adres jednotlivým zařízením.

Zabezpečení může být nulové, pomocí přístupových seznamů nebo autentizace a šifrování pomocí AES (advanced encryption standard).

ZigBee nelze považovat za konkurenta například pro BlueTooth, ale jako výplněk prostoru mezi například Wi-Fi a BlueTooth. Díky nízké spotřebě je vhodné do aplikací s bateriovým napájením. Nižší přenosová rychlost poskytuje větší odolnost proti rušení.