Na konci roku 2007 vydalo konsorcium ZigBee Alliance, které je zodpovědné za vývoj chytrých autonomních sítí, novou specifikaci pro bezdrátovou Zigbee komunikaci nazvanou ZigBee PRO. To svými vylepšeními maximalizovalo schopnosti již tak dobré základní ZigBee specifikace pracující ve volném ISM pásmu 2.4 GHz s přenosovou rychlostí 250 kb/s a navíc přiřadilo funkce pro zjednodušení provozu velkých sítí a snížení spotřeby.

Variantu PRO charakterizuje:

• Rozšiřitelnost sítí - vylepšená podpora realizace a provozu velkých sítí a snadnější rozšiřitelnost
• Segmentování - nová schopnost dělit delší zprávy a možnost interakce s jinými protokoly a systémy
• Proměnná vysílací frekvence - dynamická změna kanálů sítě v závislost na rušení
• Automatické přidělování adres zařízením - optimalizované pro velké sítě přidáním řízení sítě a konfiguračních nástrojů
• Skupinové adresování - nabízí přidanou optimalizaci provozu ve velkých sítích
• Bezdrátové zprovoznění - doplnění o schopnosti bezpečného bezdrátového zprovoznění
• Centralizovaný sběr dat - vyladěný speciálně pro optimalizace informačního toku ve velkých sítích

Trocha historie ZigBee a ZigBee PRO

Bezdrátový standard ZigBee, který je určen pro průmyslovou automatizaci, automatizaci budov a spotřební elektroniku, byl ve verzi 1.0 schválen v prosinci roku 2004 jako nadstavba fyzické a linkové vrstvy standardu IEEE 802.15.4, který definuje v pásmu ISM 2,4 GHz celkem šestnáct kanálů s přenosovou rychlostí 250 kb/s a dále definuje možnost použití pásem ISM 868 MHz (jeden kanál 20 kb/s) a pro USA pásmo 915 MHz (deset kanálů, 40 kb/s). Během několika následujících roků se v praxi ukázalo, že jinak velmi zajímavý a dobře použitelný standard obsahuje některé nedostatky, které brání jeho úspěšné implementaci hlavně v rozsáhlých sítích obsahujících větší množství zařízení. Vzhledem k tomu, že tyto problémy nešlo jednoduše vyřešit v rámci původní specifikace standardu, začal se v roce 2005 připravovat inovovaný standard ZigBee, nejdříve označovaný jako ZigBee verze 1.1 nebo následně ZigBee 2006. Ten sice vznikl, ale prakticky nakonec hlavně posloužil členům ZigBee Alliance ke vzniku (certifikaci) následující pěti "firemních" komunikačních platforem (Golden Units), k nimž budou certifikovány jednotlivé komponenty vývojových systémů i finálních produktů:

• EmberZNet společnosti Ember
• BeeStack společnosti Freescale
• USB Dongle společnosti Integration Associates
• Z-Stack společnosti Texas Instruments
• AirBee firmy Airbee Wireless využívající hardwarovou platformu Texas Instruments
• a další platformy jsou průběžně certifikovány

Následně pak bylo ZigBee 2006 použito i pro potřeby dalšího vylepšení, pro verzi nejdříve pracovně označenou jako ZigBee 2007, která pak dostala oficiální finální obchodní označení ZigBee PRO. Prakticky tedy v případě samotné ZigBee specifikace jako takové, máme historicky dvě verze: "klasické" ZigBee a nové ZigBee PRO. I když původně s ohledem na charakter nedostatků a plánovaných úprav se uvádělo, že nebudou zařízení pracující podle starého a podle nového standardu navzájem slučitelná, prakticky to platí jen částečně. Jinak řečeno za určitých podmínek jsou zařízení se ZigBee a ZigBee PRO vzájemně použitelné a mohou spolu komunikovat (viz dále).

Jaké jsou hlavní rozdíly mezi ZigBee a ZigBee PRO ?

Od doby, kdy se na světě objevila ZigBee komunikace, již uplynula dost dlouhá doba, ve které si tento zajímavý standard našel svoje pole působnosti jak v průmyslové automatizaci, tak v řízení budov nebo automatizaci domácností a spotřební elektroniky. Požadavek na stále větší sítě však již narážel na jeho limity. Mimo to zde byly "tlaky" na sjednocení komunikační topologie a směrování jen na MESH sítě a zvýšení požadavku na zabezpečení komunikace. Proto vznikla nová verze pod označením ZigBee PRO.

Adresování a směrování komunikace

I když je ZigBee PRO s "klasickým" ZigBee částečně zpětně kompatibilní, jeden z významných základních rozdílů je úprava adresování. Zatímco ZigBee zahrnovalo adresování topologií typu strom (tree), unicast, AODV mesh směrování (AODV mesh routing), broadcast a skupinovou komunikaci, ZigBee PRO již topologii strom úplně zavrhlo a místo toho využívá stochastické (náhodné) přidělování adres s mechanismem detekce kolizí adresování při použití stejného AODV mesh směrování (AODV mesh routing). Avšak i zde zůstala alternativa stromu v podobě možnosti MESH směrování typu "více uzlů na jeden" (many-to-one routing). Také podporuje zvýšené zabezpečení a umožňuje omezené broadcast adresování. Obě tyto vlastnosti umožňují zlepšené možnosti pro změnu vysílací frekvence a segmentování.

Se zavrhnutím klasické topologie strom / hvězda pak souvisí i hlavní rozdíl obou specifikací, tedy způsob, jakým se provádí samotné adresování. Zatímco "stromové" adresování přiřazuje adresy hierarchicky, schéma stochastického adresování reprezentované ZigBee PRO přiřazuje adresy jednotlivým zařízením zcela náhodně. To si však vyžádalo použití řešení případných konfliktů neustálým monitorováním sítě a reagováním na provoz. To však je jen malé "mínus" k jinak velkému "plusu". Rozdíl je v tom, že zatímco původní adresování ZigBee protokolu sice umožňuje garantovat unikátní adresu bez jakéhokoliv nadřazeného monitorování, ale je omezené, verze PRO benefituje ze snadné rozšiřitelnosti sítě v případě, že se dosáhne limitu počtu adres. To se může stát u sítí skládající se z více než z 5 odskoků nebo v dnes častém případě, kdy hodně koncových zařízení je tzv. mobilních a přechází ze sítě do sítě. Tato změna totiž umožňuje následně výrazně zvětšit velikost sítě ze stovek zařízení až na řádově tisíce. ZigBee PRO je proto schopno adresovat tyto komplexní sítě, ale za to vyžaduje více času pro potřebu zjištění případných konfliktů adres (každé + má i své - ).

Oba principy adresování (hierarchický i stochastický) sice lze využít v AODV směrování (ad-hoc on-demand distance vector routing) v MESH sítích, ale pouze PRO poskytuje v MESH režimu funkci směrování komunikace mnoha jednotek k jedné (many-to-one source routing function). Toto umožňuje rychle založení potřeby komunikace mnoha jednotek (například senzorů) k jedné "centrální" jednotce (například PLC). Na druhou stranu si to ale žádá větší protokolový stack, což však při dnešním objemu integrovaných pamětí v MCU není prakticky problém. V situaci, kde se vyskytují nevyžádané obousměrné a peer-to-peer signály, tak jako je tomu u chytré napájecí sítě, však tato funkce není tak efektivní.

Další zajímavá věc u ZigBee PRO je podpora tzv. limitovaného (omezeného) adresování skupin, které chrání celou síť před "zaplavením", když všichni její členové jsou umístěni v těsné blízkosti. Zároveň je užitečný pro snížení celkového provozu velkých sítí, ale zase vyžaduje přidání dalšího kódu a tedy zabírá větší programový prostor (code space).

Proměnná vysílací frekvence

Jestliže je ZigBee provozováno v ISM pásmu, mohou rušení od jiných aplikací (WiFi, Bluetooth a dalších bezdrátových zařízení) používaných v průmyslu i domácnostech způsobit zhoršenou kvalitu přenosu. Implementací metod proměnné vysílací frekvence (frequency agility methods) umožňuje ZigBee PRO zmírnit negativní dopady kolizí a opakovaného přenosu z důvodu rušení. Technologie proměnné frekvence (frequency agility) sice není nová, ale novinkou je to, jak jsou o změně frekvence iniciované interferujícím zařízením informovány ostatní uzly. Mechanismus proměnné frekvence dává celou kontrolu na měnícími se kanály centralizovanému správci řízení sítě a poskytuje tak standardní metodu pro změnu šířky kanálů sítě.

Pro řešení dalších problémů v PAN sítích (Personal Area Network), jako jsou konflikty PAN ID vytvořené prostřednictvím konfiguračních chyb, které se vyskytují hlavně ve velkých sítích, ZigBee obsahuje mechanismus pro automatickou detekci a vyřešení konfliktů bez potřeby intervence samotné aplikace.

Správa / řízení napájení (Power management)

Ve velkých sítích, hlavně v těch, ve kterých jsou uzly koncových zařízení bateriově napájené, je potřeba zajistit kvalitní řízení napájení. Výsledkem toho je, že ZigBee PRO stack profil již neposkytuje síťový synchronizační mechanismus (beacon) pro spící koncová zařízení ZED (ZigBee End Device). Místo toho poskytuje prostředky umožňující, aby ZED uzly mohly na určitý pevný časový úsek zvaný "spící perioda" (periodic wake-poll-sleep cycle) zcela vypnout. Délka tohoto úseku je max. 7.5 s, po kterou je ZigBee router schopen ve své vyrovnávací paměti držet zprávu pro právě spící koncové zařízení, které k němu přísluší. ZED mohou sice být dost jednoduchá zařízení, ale musí být schopna probuzení před skončením povoleného časového úseku. Jinak může dojít ke ztrátě / nedoručení některých zpráv. Zároveň tak ZigBee PRO protokol umožňuje jít za tuto úroveň řízení napájení (power management), kdy například společnost Ember implementovala ZED zařízením schopnost jít do hibernace (delší než spící perioda) nebo "zdřímnout si = napping" (kratší než spící perioda) podle aktuálních požadavků aplikace.

Zabezpečení přenosu a komunikace

Také bylo vylepšeno zabezpečení, i když zůstalo symetrické kódování AES šifrou s klíčem o délce 128 bitů. Standardní úroveň zabezpečení bezdrátové komunikace ZigBee PRO vytváří povinné celosíťové šifrovací klíče. Centralizované centrum důvěry (trust center) slouží mimo jiné i jako tzv. správce síťového klíče (network key administration). Také však zajišťuje doplňkovou aplikační hladinu šifrování přenosu do a z trust centra a mezi páry uzlů. Velkou výhodou této koncepce je pak i větší podpora zabezpečení komunikace, kde je možné do peer-peer spojení zařadit šifrovací klíče a tím zajistit větší zabezpečení komunikace na úrovni aplikační vrstvy.

ZigBee PRO síť by tedy měla mít tzv. centrum důvěry (trust center), které unikátně ukazuje na každé zařízení v síti prostřednictvím apsTrustCenterAddress uvnitř každého zařízení, které je členem sítě. Všechna zařízení tak v síti ukazují na jedno unikátní Trust Center a to jim poskytuje zabezpečovací služby (šifrovací klíče). Trust Center také určuje bezpečnostní parametry sítě, jako například, který klíč sítě se použije, nastavení tabulky povolených služeb, kdy je umožněno zařízením používat nezabezpečené asociace k síti a kdy povolí nastavení spojovacího klíče (link key) mezi dvěma zařízeními. Pro součinnost lze v ZigBee PRO stack profilu zvolit jednu ze dvou bezpečnostních úrovní: standardní a vysoké zabezpečení, které určují použití šifrovacích klíčů a podmínky pro přijetí nebo odmítnutí přístupu zařízení do sítě. Sítě mohou během určitého časového úseku existovat i bez Trust center, ale některé operace potřebují mít centrum k dispozici.

Zpětná kompatibilita ZigBee a ZigBee PRO

I když je ZigBee PRO s "klasickým" ZigBee částečně zpětně kompatibilní je důležité poznamenat, že již založené sítě pracující ještě jako "klasické ZigBee" lze ZigBee PRO jednotky připojit pouze jako koncová zařízení. Jinými slovy v ZigBee sítích mohou ZigBee PRO zařízení komunikovat s ostatními jen přes směrovací zařízení, ale nemohou sami převzít funkci směrování. Stejně tak v ZigBee PRO sítích lze "klasická" ZigBee jednotky připojit jen jako koncová zařízení. Je to logické, když verze PRO má funkci směrování jinou. Nekompatibilita spočívá ve funkci směrovače (router), tzv. že nelze volně zaměnit ZigBee router se ZigBee PRO routerem.

Co tedy znamená ZigBee PRO pro aplikace ?

Pro sítě o více jak 50 uzlech může ZigBee PRO poskytovat rychlejší, bezpečnější a více robustní síť. Ačkoliv koncová zařízení se ZigBee 2006 a ZigBee PRO si navzájem rozumí, v režimu směrovače již kompatibilní nejsou. Dále ZigBee PRO dostalo do vínku nové aplikační profily, jako jsou automatické čtení elektroměrů, automatizace komerčních budov nebo automatizace domácností. Obecně nové vlastnosti a funkce implementované do ZigBee PRO podporují provoz větších sítí.

Jedním ze specifických problémů ZigBee PRO zahrnuje vypořádání se s velmi komplexními směrovacími tabulkami, které jsou typické u velkých sítích "klasického" ZigBee. V současné době je zde k dispozici více metod ke zjednodušení směrovací struktury. Navíc směrovací tabulky jsou z pohledu jejich velikosti dobře konfigurovatelné a omezené prakticky jen velikostí RAM paměti, která je k dispozici.

Hierarchické přidělování adres, které ještě ZigBee 2006 využívá, může vést k masivnímu přeznačování adres v případě přibrání nového zařízení ve velké síti. To se v ZigBee realizovalo stochastickým adresováním, kdy zařízení nepotřebují přeadresování, když se do sítě připojuje nový člen. To zjednodušuje formování a provoz sítě. Další výhodou stochastického adresování je vlastnost, že nevede k vyčerpání adres "vířením" síťových tabulek, jako může způsobit struktura stromového adresování. ZigBee také přijalo techniky manipulace s asymetrickým spojením (asymmetric link handling techniques) pro vyhnutí se nesymetrickým spojením, což vede k zlepšení spolehlivosti sítě a zvýšení propustnosti. Manipulace s asymetrickým spojením provádí nejdříve detekci asymetrického spojení a pak využívá těchto pozorování k optimalizaci volby cesty. Ve většině případů jsou RF spojení mezi dvěma zařízeními asymetrické (jeden směr je více efektivní než další). ZigBee PRO udržuje trasu těch propojení, která jsou asymetrická a využívá je ve prospěch symetrických propojení, která jsou zvýhodněna. Ta poskytují v síti spolehlivější směrování a méně nového opakovaného vyhledávání komunikačních tras.

ZigBee také obsahuje funkce směrování více uzlů na jeden (many-to-one routing) a zdrojové směrování (source routing), které oba pomáhají v síti k agregaci bodu. To minimalizuje velikost směrovací tabulky pro všechna síťová zařízení a minimalizuje broadcast komunikaci pro vyhledání cesty, které poskytují větší šířku pásma pro data. Zdrojové směrování také vytváří síť více efektivní, protože agregátor generuje kompletní cestu do cílového místa a umístí informaci o cestě do rámce, který je potřeba vyslat.

Kdy tedy nasadit ZigBee PRO ?

• Když očekáváme síť o 50 a více uzlech / zařízeních
• Když síť hlásí zpětná data centrálnímu bodu díky zjednodušení směrovacích tabulek implementované agregací. To také snižuje počet broadcast přenosu v síti.
• Jestliže aplikace chtějí použít spojovací klíče (link keys) k zajištění updatování síťového klíče (network key) pro spící zařízení, která mohou "zmeškat" updatování klíče.
• Jestliže zařízení raději pracují s jinou aplikací využívající ZigBee PRO.

Použití, certifikace, profily

Mnoho produktů využívající ZigBee je v podstatě implementováno a využíváno v patentovaných nebo privátních projektech nebo aplikacích. To znamená, že daná síť by měla pouze obsahovat zařízení prodávaná určitou společností nebo skupinou výrobců. To je speciálně případ ve zdravotnictví, kde do současné doby nebyl zaveden veřejný profil. V tomto případě bude ZigBee využíváno pro svoje vlastnosti jako jsou směrovací MESH protokol (mesh routing protocol), komunikační redundanci a provoz při nízkopříkonovém napájení.

Na trhu, kde zařízení různých výrobců musí pracovat v jedné kooperující síti, aby vykonávala požadovanou službu nebo funkci, musí být specifikovány veřejné profily, aby bylo zajištěno, že všechny zařízení v síti budou spolu komunikovat "stejným jazykem" a můžou dosáhnout součinnosti. Součinnost v tomto kontextu znamená, že produkt ze společnosti A (spínač světla) bude komunikovat s produktem druhé společnosti (světlem) bez toho, že tyto společnosti spolu spolupracují k zajištění správné společné funkce.

Během úvodních roků ZigBee se tato technologie bezdrátové komunikace hlavně zaměřovala na oblast automatizace domovů a komerčních budov. Postupně však se nacházely další možné a vhodné aplikace. Jednou z nich je i rozšířená infrastruktura elektroměrů / měřičů AMI (Advanced Metering Infrastructure), stejně tak se ZigBee rozšířil do oblasti zdravotní péče, zdravotnictví, telekomunikací, pohybu a sledování, zábavního průmyslu apod.

Vedle ratifikace specifikace ZigBee PRO, se proto také Zigbee Alliance zaměřila na dokončení a testování několika aplikačních profilů, které definují typy zařízení podporované v síti a komunikační jazyk mezi těmito zařízeními. Automatizace domácností HA (Home automation) byla první ratifikovaný veřejný profil. Dalšími je chytrá energie SE (Smart energy) pro potřeby AMI, automatizace komerčních budov CBA ( Commercial building automation ). Další pak budou následovat, jako jsou speciální profily pro osobní a nemocniční péči PHHC (personal health and hospital care).

Do současné doby se standard ZigBee zabydlel jako populární volba pro tzv. chytré napájecí sítě (smart power grids). Všude po světě je zakládáno stále více a více sítí chytrých elektroměrů.

Závěr

Nová verze ZigBee PRO však není určena k úplné náhradě "klasického" ZigBee. Dle specifikace budou nadále obě verze koexistovat bok po boku a záležet bude jen na vývojáři zařízení či uživateli, které verze bude pro konkrétní aplikaci použita. Pro základní jednoduché aplikace s jen několika komunikujícími zařízeními lze i nadále v klidu použít základní ZigBee, protože nové funkce ZigBee PRO se v tomto případě nevyužijí. Pokud však má jít v budoucnu již o trochu složitější síť, je určitě lepší použít ZigBee PRO.

DOWNLOAD & Odkazy

• Stránky konsorcium ZigBee Alliance - www.zigbee.org
• Jack Shandle: "What does ZigBee Pro mean for your application?", www.rfdesignline.com
• Brian M. Blum: "ZigBee and ZigBee PRO: Which feature set is right for you?", www.rfdesignline.com
• Krátký výpis výhod ZigBee PRO na http://surinderdhar.blogspot.com/2007/10/zigbee-pro.html
• www.ifn.et.tu-dresden.de/%7Emarandin/ZigBee/ZigBeeSimulation.html
• Mikhail Galeev: "Embedded Systems Programming", www.embedded.com
• Stránky společnosti MeshNetics - www.meshnetics.com
• Stránky společnosti Ember - www.ember.com
• http://access.feld.cvut.cz/view.php?cisloclanku=2006032001
• P. Fiedler, Z. Bradáč, O. Hynčica, Z. Kaňa: "Kam kráčí standard ZigBee", www.automa.cz