ZigBee Nedir, Nasıl Çalışır?

ZigBee, adını arıların çiçekler arasındaki zig-zaglı karmaşık hareket yapılarından almıştır. Bu zig-zaglı yapı mesh (karmaşık) ağındaki düğümler arası haberleşmeyi sembolize eder. Ağ bileşenleri kraliçe arı, erkek arı ve işçi arıları temsil eder.

ZigBee birçok farklı alanda uygulamaya sahip olan yeni sayılabilecek bir kablosuz ağ teknolojisidir.Uluslar arası şirketlerin kurduğu küresel bir şirketler birliği olan “ZigBee Alliance”ın çalışmaları sonucunda oluşmuştur. ZigBee; IEEE 802.15.4 temelinde özelleşmiş endüstriyel, bilimsel ve medikal (Industrial, Scientific, and Medical-ISM) radyo bantlarında kullanılan teknolojik bir standarttır. Bu teknoloji, aletlerin birbirleriyle düşük güç kullanarak iletişim kurmasını ve böylece bataryaların daha uzun süre kullanılmasını sağlar. ZigBee düşük hızlı iletişim için ideal olduğundan otomasyonun birçok farklı çeşidini hedefler. Bu yüzden ZigBee’nin en önemli kullanım alanlarından biri de bina içi ortamlar için kablosuz haberleşme sistemleridir. Çünkü teknolojik yönden sık sık batarya değişimi pratik değildir. Aşağıdaki resimde basit ev otomasyon ağı gösterilmektedir.

 

 

ZigBee’nin önemli özellikleri:

• Güvenilirlik
• Fazla sayıda düğüm desteği
• Hızlı ve kolay kurulum
• Uzun pil ömrü
• Güvenlik
• Düşük maliyet
• Üretici/sağlayıcı bağımsızlığı

 

ZigBee Nedir?

ZigBee; IEEE 802.15.4 temelinde özelleşmiş, özel olarak kontrol ve sensör ağları için oluşturulmuş bir teknolojik standarttır. IEEE içerisinde 802 numaralı grup ağ operasyonları ve teknolojilerini içeren bölümdür. Grup 15 daha temel olarak kablosuz ağlarla(WLAN) ilgili detayları içerir ve görev grubu 4 ise 802.15.4 kablosuz kişisel alan ağlarında(WPAN) düşük veri hızları standartını içerir. WPAN düşük veri hızıyla beraber aynı zamanda düşük güç kullanımını ve düşük karmaşıklığı de kapsar. Veri hızı endüstriyel, bilimsel ve medikal (ISM) banda göre global 2.4 GHz’ de 250 kbps. Avrupa’da kullanılan banda göre 868 MHz’ de 20 kbps ve Kuzey Amerika ve Avustralya için 915 MHz’ de 40 kbps’ dir. ZigBee IEEE standartında oluşturulmuştur ve uzaktan denetim ile sensörlü ağ uygulamalarının kontrolünü adresler.

ZigBee, ilk olarak bu standarta uyan kontrol cihazını üretmeye çalışan birçok şirket ve endüstri liderleri tarafından oluşturulmuştur. 802.15.4; frekans ve veri hızı gibi özellikleri adresleyen orta erişim kontrolü katmanını (Medium Access Control - MAC) ve fiziksel katmanı (Physical - PHY) geliştirmiştir. Fiziksel katman aynı zamanda tam fonksiyonlu cihazlar (Full Function Devices - FDD) ve azaltılmış fonksiyonlu cihazlar (Reduced Function Devices – RFD) için geçerlidir. ZigBee ayrıca uygulama destek alt katmanını, ZigBee aygıt nesnesini ve son olarakta güvenlik servisini içeren ağ katmanı ile uygulama katmanını geliştirmiştir. Ağ katmanı ve uygulama katmanı IEEE katmanından daha fazla özelleşmiştir ve ZigBee ağ kurulumunu ve cihazların birbirleriyle iletişimini içerir. 

 

ZigBee’nin Yaptıkları:

ZigBee kablosuz kontrol cihazları ve sensörleri için dizayn edilmiştir. Evde, ofiste; ışıklar, kapılar ve çeşitli diğer cihazlarda kolaylıkla kullanılabilir. Bu cihazlar birbirleriyle kablolar olmadan iletişime geçer ve siz hepsini beraber kontrol edebilirsiniz. Tek bir kumanda cep telefonu da dahil olmak üzere tüm bu aletlerin kontrolü için kullanılabilir.

ZigBee’ de kullanılan radyo teknolojisi yeni olmasa da, garaj kapısının açılması, el çırpması ile ışıkların açılıp kapatılması gibi tek amaçlı kontrollerde çok gelişmiştir. Işıklar ve açma kapama düğmeleri, termostatlar ve ocaklar, klimalar ve kontrol panelleri gibi iki taraflı iletişimlerde kablosuz bağlantıyı sağlar. Uzun mesafelerde etkilidir ve birçok farklı göreve sahip sensörlerin yönetimini sağlar. 

 

ZigBee’ nin Çalışma Yapısı:

ZigBee temelde aletlere diğerleriyle iletişim kurma izni veren dijital radyoları kullanır. Tipik bir ZigBee ağı birkaç tip aygıttan oluşur. Ağı kuran, ağ koordinatörü ağın her düğümünün (node) farkındadır ve network içindeki alınmış ya da gönderilmiş bilgiyi her safhada yönetir. Her ZigBee networkü bir koordinatör içerir. Başka tam fonksiyonel cihazlar (FFD) ağ içinde bulunabilir ve bu aygıtlar bütün 802.15.4 fonksiyonlarını destekler. Bunlar bütün network koordinatörlerine, network dağıtıcılarına ya da fiziksel dünyayla bağlantılı bütün cihazlara hizmet ederler. Networkte bulunan uç cihaz ise indirgenmiş fonksiyonlu aygıt (RFD) sadece fiziksel dünyayla bağlantılı aygıtlara hizmet eder. 

 

ZigBee birkaç topolojiyi destekler bunlar star, mesh ve cluster ağacıdır. Star ve mesh ağlarının ikiside yukardaki şekilde gösterilmektedir. Görüldüğü gibi star topoloji en kullanışlıdır çünkü birtakım uç aygıtlar arasında bunlar birbirine yakın yerleştirilmiştir. Böylece tek dağıtıcı, tek dağıtıcı düğüm ile haberleşebilirler. Bu düğüm ağ koordinatörüyle en yüksek iletişimi sağlayan büyükçe bir mesh ağının bir parçası olabilir. Mesh ağ yapma düğüm bağlantılarının azaltılmasına izin verir. Böylece bir düğüm bozulursa aygıt başka biriyle iletişim kurmak için uygun bir yol bulabilir.

 

ZigBee iki ana modda çalışır:

    a-) Beacon     b-) Non-Beacon

Beacon modda; cihazlar birbirleri ile tamamen koordinelidir. Ağ koordinatörü periyodik olarak cihazlara bir “wake-up” işareti gönderir. Bunun sonrasında cihaz uyanır ve eğer bir mesaj iletmesi gerekiyorsa iletir, gerekmiyorsa uyumaya devam eder. Bu işlemleri tamamladıktan sonra ağ koordinatörü de uyku moduna geçer.

Non-Beacon mod; ise daha az koordineli çalışır. Her cihaz yalnızca ihtiyaç duyduğunda koordinatör ile haberleşir.  Fakat bu mod cihazların birbirleri ile karışmasına neden olabilir. Ayrıca koordinatörün ağı dinlemek için sürekli açık olmasını gerektirir, bu da daha fazla enerji harcaması demektir. Ama her iki durumda da ZigBee düşük enerji tüketimini korur çünkü ağda bulunan çoğu cihaz uzun periyotlarda uyku modunda olmaya devam eder.

ZigBee’ nin Diğer Kablosuz Standartlar ile Karşılaştırılması:

Video, ses gibi yüksek veri hızı ihtiyacını karşılayan yığınla kablosuz standart olmasına rağmen; sensörlerin ve kontrol cihazlarının isteklerini karşılayan bir standart ZigBee'den önce yoktu. Sensörler ve kontrol cihazlarının yüksek bant genişliğine ihtiyaçları yoktur, ancak düşük gecikme sürelerine, yüksek pil ömrü için düşük enerji tüketimine ve fazla sayıda cihaz bulunmasına ihtiyaçları vardır.

ZigBee düşük konfigurasyonu hedeflediği için bu ihtiyaçları karşılar. Sensör ve kontrol cihazları fazla veri iletmediğinden, ZigBee düşük veri iletimi için tasarlanmıştır.  250 kbps'lik veri iletim hızı, Wi-Fi'nin 20 Mbps'lik değeri ile karşılaştırılınca fark daha belirgin anlaşılabilir. Fakat bu yavaş iletim hızı sayesinde enerji tüketimi düşüktür. Bu sayede mesela bir cep telefonunu uzaktan-kontrol cihazı olarak kullanmak istediğimizde ZigBee; Wi-Fi, bluetooth ya da benzer teknolojilere göre daha uygun olacaktır.

ZigBee ile Bluetooth standartlarını karşılaştıracak olursak;

            

           ZigBee:

• Statik ve dinamik star ve mesh ağları ile 65535(2^16) üzerinde düğüm
• İletişim olmayan periyotlarda uzun zaman kalabilir
• Düşük veri hızı, düşük güç tüketimi ile küçük paketler üzerinde çalışır
• Kapanma için senkronizasyon bilgisine ihtiyaç duymaksızın uyku moduna geçebilir
• Çok düşük gecikme süresi
• Otomasyon ve kontrol üzerinde yoğunlaşmıştır

Bluetooth:

• Quasi-static star ağı ile 7 istemci birden fazla ağa katılabilir
• Yüksek veri hızı, düşük güç tüketimi ile büyük paketler üzerinde çalışır
• Ortalama gecikme süresi
• Genişletilmiş bir ağ kurmak çok zor ve senkronizasyon'u sağlamak maliyetli
• Laptop, PDA gibi cihazlar arasında bağlantıyı sağlamak için kullanışlıdır.

Not: Konuyla ilgili olarak daha önce hazırladığım bir sunuma aşağıdaki linkten ulaşabilirsiniz...

https://rapidshare.com/files/2021176486/Zigbee___IEEE_802.15.4.rar