Оборудование, приборы, инструментарий

Цель работы

1) создание программ, создающих сеть ZigBee из трех устройств, обменивающихся данными;

2) обеспечение работы одного из узлов в режиме энергосбережения.

 

Продолжительность

Лабораторная работа рассчитана на 0,1 зачетных единицы, 4 часа.

 

Оборудование, приборы, инструментарий

В состав лабораторного стенда входит: лабораторная установка «Сенсорные сети ZigBee», ПК, USB-кабель.

Краткие теоретические сведения

Сеть ZigBee – самоорганизующаяся, и ее функционирование начинается с формирования сети. При проектировании одно из устройств назначается координатором персональной сети, и оно определяет и выделяет для связи канал, свободный от помех. Устройства, желающие присоединиться к сети, посылают широковещательный запрос, и координатор присоединяет устройства к сети. Когда в сети появляются новые устройства, те из них, которые выполняют роли маршрутизаторов, могут присоединять следующие устройства к сети.

Существует два основных способа присоединения новых устройств к сети ZigBee: MAC ассоциация и повторное сетевое присоединение.

MAC ассоциация осуществляется на MAC уровне и доступна любому устройству стандарта ZigBee. Координатор или маршрутизатор, способный присоединять другие устройства, на MAC уровне устанавливает разрешение на соединение. Устройство, пытающееся присоединиться к сети, передает широковещательный запрос на подключение. Получив отклик от устройств, готовых присоединить данный узел к сети, последний определяет, к какой сети и какому устройству оно присоединится, выставляет на MAC уровне требование о присоединении к сети и отправляет на выбранное устройство запрос соединения. В ответ подключаемое устройство получает собственный сетевой адрес. При таком подключении данные передаются в незашифрованном виде.

Повторное сетевое присоединение осуществляется на сетевом уровне и может выполняться как при повторном, так и при первичном соединении. Если присоединяемое устройство знает текущий сетевой ключ, обмен данными может происходить безопасно. Желающее присоединиться к сети устройство выставляет на сетевом уровне запрос присоединения и обменивается пакетами с подключающими устройствами.

 

Функционирование низкоскоростных беспроводных персональных сетей регламентируется стандартом IEEE 802.15.4 на физическом и MAC уровне и стандартом ZigBee на сетевом уровне и уровне приложений. На сетевом уровне ZigBee сетей поддерживаются такие функции, как управление безопасностью сети, управление сетью и маршрутизация.

Маршрутизация в сетях ZigBee обычно осуществляется по алгоритму «Ad Hoc On Demand Distance Vector» (AODV), основным понятием которого является «вектор расстояния» - логическое расстояние от источника сообщения до текущего узла сети, зависящее от качества связи между узлами. Алгоритм работает следующим образом:

· устройство, желающее отправить сообщение, (источник) инициирует процесс поиска маршрута до узла адресата;

· каждое устройство, получившее запрос маршрута, делает в своей памяти запись, в которой содержится логическое расстояние от источника и адрес источника, и ретранслируют запрос, включая в него эти данные,

· устройства, получившие ретранслированный запрос, сохраняют адрес предыдущего узла и логическое расстояние от источника, и транслируют запрос дальше;

· таким образом, логическое расстояние с каждой ретрансляцией увеличивается до тех пор, пока не будет найден адресат, причем к адресату, как правило, приходит несколько ретранслированных запросов с разными логическими расстояниями;

· адресат отправляет источнику пакет по маршруту, имеющему наименьшее логическое расстояние, и пакет будет возвращаться в соответствии со своей таблицей маршрута;

· источник может начинать передачу сообщения адресату по наиболее короткому маршруту.

Такой алгоритм отличается универсальностью и высокой эффективностью, однако требует большого объема памяти устройств для хранения маршрутов, что повышает конечную стоимость устройств, поэтому в сетях ZigBee также реализован алгоритм иерархической маршрутизации.

Иерархическая маршрутизация реализуется значительно проще, но для нее необходимо задавать адреса всем сетевым устройствам в иерархическом порядке, начиная с координатора. Таким образом, любое устройств сети, зная адрес получателя пакета и свой адрес, принимает решение, передавать ли пакет дочернему устройству, если адресат принадлежит к «нисходящей ветви», или же передавать пакет в направлении координатора, если в иерархии устройств адресат находится в другом месте. Такой алгоритм не требует большого расхода ресурсов, однако имеет один существенный недостаток: возможны случаи, в которых пакеты будут двигаться до координатора и обратно в том случае, когда отправитель и получателя находятся очень близко друг к другу.

 

На уровне приложений стандарта ZigBee определяется объект устройства(ZigBee Device Object), то есть роль устройства (координатор, маршрутизатор или оконечное устройство), процессы инициации запросов поиска и присоединения и ответы на запросы, а также политика безопасности сети ZigBee. Подуровень поддержки приложений (Application Support Sublayer – APS) отвечает за предоставление данных приложениям и профилям устройства ZigBee.

Профилем называется совокупность настроек программного обеспечения узлов сети, обеспечивающая их совместную работу. Спецификация профиля определяет такие параметры, как способы задания идентификационных параметров сети, режимы образования сети и способы защиты данных. Выделяют такие профили, как Smart Energy (Рациональное использование энергии) Home Automation (Домашняя автоматизация) и др. Для каждого профиля выпускаются свои стандарты; это делается для того, чтобы обеспечить возможность совместной работы в одной беспроводной ZigBee сети устройств различных производителей.