ZigBeeテクノロジーアーキテクチャとそのアプリケーション

この現在の通信の世界では、利用可能な高データレートの通信規格が多数ありますが、これらのいずれもセンサーおよび制御デバイスの通信規格を満たしていません。これらの高データレート通信規格は、より低い帯域幅でも低遅延と低エネルギー消費を必要とします。利用可能な独自のワイヤレスシステムのZigbeeテクノロジーは、低コスト、低消費電力であり、その優れた優れた特性により、この通信は次の用途に最適です。 いくつかの組み込みアプリケーション 、産業用制御、ホームオートメーションなど。伝送距離のZigbeeテクノロジーの範囲は、主に出力と環境特性に基づいて10〜100メートルの範囲です。

Zigbeeテクノロジーとは何ですか？

Zigbee通信は、ワイヤレスパーソナルエリアネットワーク（WPAN）のIEEE 802.15.4標準に基づく制御およびセンサーネットワーク用に特別に構築されており、Zigbeeアライアンスの製品です。この 通信規格 物理層とメディアアクセス制御（MAC）層を定義して、多くのデバイスを低データレートで処理します。これらのZigbeeのWPANは、868 MHz、902〜928 MHz、および2.4GHzの周波数で動作します。 250 kbpsのデータレートは、センサーとコントローラー間のデータの定期的および中間的な双方向伝送に最適です。

Zigbeeテクノロジーとは何ですか？

Zigbeeは、アプリケーションの制御と監視のために広く展開されている低コストで低電力のメッシュネットワークであり、範囲内の10〜100メートルをカバーします。この通信システムは、他の独自の短距離よりも安価でシンプルです。 Bluetootとしてのワイヤレスセンサーネットワーク hとWi-Fi。

Zigbeeモデム

Zigbeeは、マスター間通信またはマスター間通信のさまざまなネットワーク構成をサポートしています。また、バッテリーの電力を節約できるため、さまざまなモードで操作できます。 Zigbeeネットワークはルーターを使用して拡張可能であり、多くのノードを相互接続して、より広いエリアのネットワークを構築できます。

Zigbeeテクノロジーの歴史

1990年には、自己組織化アドホックを備えたデジタル無線ネットワークが実装されました。 IEEE 802.15.4-2003のようなZigbee仕様は、2004年12月14日に承認されました。仕様1.0は、2005年6月13日にZigBee2004の仕様と呼ばれるZigbeeAllianceによって発表されました。

クラスターライブラリ

2006年9月、2004年のスタックを置き換えることでZigbee2006の仕様が発表されました。したがって、この仕様は主に、キー値のペア構造と、クラスターライブラリを介して2004スタック内で使用されるメッセージを置き換えます。

ライブラリには、Home Automation、Smart Energy、ZigBeeのLight Linkなどの名前のクラスターと呼ばれるグループの下に計画された、一貫性のあるコマンドのセットが含まれています。 2017年に、ライブラリはZigbee AllianceによってDotdotに名前が変更され、新しいプロトコルとして発表されました。したがって、このDotdotは、デフォルトのアプリケーション層としてほぼすべてのZigbeeデバイスで機能します。

Zigbee Pro

2007年には、Zigbee2007のようなZigbeeProが完成しました。これは、レガシーZigbeeネットワーク上で動作するデバイスの一種です。ルーティングのオプション内の不一致のため、これらのデバイスは、レガシーZigbeeネットワーク上で非ルーティングZEDまたはZigbeeエンドデバイス（ZED）に変わる必要があります。従来のZigbeeデバイスは、ZigbeeProのネットワーク上でZigbeeエンドデバイスに変換する必要があります。 2.4 GHz ISM帯域で機能し、サブGHz帯域も含まれます。

Zigbeeテクノロジーはどのように機能しますか？

Zigbeeテクノロジーは、さまざまなデバイスが相互に会話できるようにすることで、デジタルラジオと連携します。このネットワークで使用されるデバイスは、ルーター、コーディネーター、およびエンドデバイスです。これらのデバイスの主な機能は、コーディネーターから電球などのシングルエンドデバイスに指示とメッセージを配信することです。

このネットワークでは、コーディネーターはシステムの原点に配置される最も重要なデバイスです。ネットワークごとに、さまざまなタスクを実行するために使用されるコーディネーターが1人だけいます。彼らは、チャネルをスキャンするのに適したチャネルを選択し、干渉を最小限に抑えて最も適切なチャネルを見つけ、ネットワーク内のすべてのデバイスに排他的IDとアドレスを割り当てて、メッセージがネットワーク内で転送されるようにします。 。

ルーターは、コーディネーターと、さまざまなノード間のメッセージルーティングを担当するエンドデバイスの間に配置されます。ルーターはコーディネーターからメッセージを取得し、エンドデバイスがメッセージを取得できる状態になるまでメッセージを保存します。これらは、ルーターだけでなく他のエンドデバイスもネットワークに接続できるようにすることができます

このネットワークでは、Zigbeeネットワークタイプに基づいてルーターやコーディネーターなどの親ノードと通信することにより、エンドデバイスが小さな情報を制御できます。エンドデバイスは相互に直接会話しません。まず、すべてのトラフィックをルーターなどの親ノードにルーティングできます。ルーターは、デバイスの受信側がデータを認識できる状態になるまで、このデータを保持します。エンドデバイスは、親から待機しているメッセージを要求するために使用されます。

Zigbeeアーキテクチャ

Zigbeeシステム構造は、Zigbeeコーディネーター、ルーター、エンドデバイスの3種類のデバイスで構成されています。すべてのZigbeeネットワークは、ネットワークのルートおよびブリッジとして機能する少なくとも1つのコーディネーターで構成されている必要があります。コーディネーターは、データの送受信操作を実行しながら、情報を処理および保存する責任があります。

Zigbeeルーターは、データが他のデバイスとの間でやり取りできるようにする仲介デバイスとして機能します。エンドデバイスは、図に示すようにバッテリー電力が節約されるように、親ノードと通信する機能が制限されています。ルーター、コーディネーター、およびエンドデバイスの数は、スターネットワーク、ツリーネットワーク、メッシュネットワークなどのネットワークの種類によって異なります。

Zigbeeプロトコルアーキテクチャは、さまざまなレイヤーのスタックで構成されています。 IEEE 802.15.4 は物理層とMAC層によって定義されますが、このプロトコルはZigbee独自のネットワーク層とアプリケーション層を蓄積することによって完成します。

ZigBeeテクノロジーアーキテクチャ

物理層 ：この層は、信号を送信および受信するときに、それぞれ変調および復調操作を実行します。このレイヤーの周波数、データレート、およびチャネル数を以下に示します。

MAC層 ：この層は、キャリアセンス多元接続衝突回避（CSMA）を使用してさまざまなネットワークにアクセスすることにより、データの信頼性の高い送信を担当します。これはまた、通信を同期するためのビーコンフレームを送信します。

ネットワーク層 ：このレイヤーは、ネットワークセットアップ、エンドデバイス接続、ネットワークへの切断、ルーティング、デバイス構成など、ネットワーク関連のすべての操作を処理します。

アプリケーションサポートサブレイヤー ：このレイヤーは、Zigbeeデバイスオブジェクトとアプリケーションオブジェクトに必要なサービスが、データ管理サービスのネットワークレイヤーとインターフェイスできるようにします。このレイヤーは、サービスとニーズに応じて2つのデバイスを照合する役割を果たします。

アプリケーションフレームワーク ：キーと値のペアと汎用メッセージサービスの2種類のデータサービスを提供します。一般的なメッセージは開発者が定義した構造ですが、キーと値のペアはアプリケーションオブジェクト内の属性を取得するために使用されます。 ZDOは、アプリケーションオブジェクトとZigbeeデバイスのAPSレイヤー間のインターフェイスを提供します。他のデバイスを検出し、開始し、ネットワークにバインドする役割を果たします。

Zigbeeの動作モードとそのトポロジ

Zigbee双方向データは、非ビーコンモードとビーコンモードの2つのモードで転送されます。ビーコンモードでは、コーディネーターとルーターが着信データのアクティブ状態を継続的に監視するため、より多くの電力が消費されます。このモードでは、どのノードもウェイクアップして通信できるため、ルーターとコーディネーターはスリープしません。

ただし、ほとんどのデバイスがネットワーク内で長期間非アクティブ状態にあるため、より多くの電源が必要であり、全体的な消費電力は低くなります。ビーコンモードでは、エンドデバイスからのデータ通信がない場合、ルーターとコーディネーターはスリープ状態になります。このコーディネーターは定期的にウェイクアップし、ビーコンをネットワーク内のルーターに送信します。

これらのビーコンネットワークはタイムスロットで機能します。つまり、必要な通信によってデューティサイクルが低くなり、バッテリーの使用量が長くなるときに動作します。 Zigbeeのこれらのビーコンモードと非ビーコンモードは、定期的（センサーデータ）、断続的（ライトスイッチ）、および反復的なデータタイプを管理できます。

Zigbeeトポロジ

Zigbeeはいくつかのネットワークトポロジをサポートしていますが、最も一般的に使用される構成は、スター、メッシュ、およびクラスターツリートポロジです。トポロジは、1つ以上のコーディネーターで構成されます。スタートポロジでは、ネットワークは、ネットワークを介したデバイスの開始と管理を担当する1人のコーディネーターで構成されます。他のすべてのデバイスは、コーディネーターと直接通信するエンドデバイスと呼ばれます。

これは、すべてのエンドポイントデバイスが必要な業界で使用されます 中央制御装置と通信する 、およびこのトポロジはシンプルで展開が簡単です。メッシュおよびツリートポロジでは、Zigbeeネットワークは、コーディネーターがそれらを監視する責任があるいくつかのルーターで拡張されます。これらの構造により、任意のデバイスが他の隣接ノードと通信して、データに冗長性を提供できます。

いずれかのノードに障害が発生した場合、情報はこれらのトポロジによって他のデバイスに自動的にルーティングされます。冗長性は業界の主な要因であるため、メッシュトポロジが主に使用されます。クラスターツリーネットワークでは、各クラスターはリーフノードを持つコーディネーターで構成され、これらのコーディネーターはネットワーク全体を開始する親コーディネーターに接続されます。

低コストおよび低電力の動作モードとそのトポロジなどのZigbeeテクノロジの利点により、この短距離通信テクノロジは、Bluetooth、Wi-Fiなどの他の独自の通信と比較して、いくつかのアプリケーションに最適です。 Zigbeeの範囲、標準などの比較を以下に示します。

Zigbeeのデータレートが低いのはなぜですか？

Bluetoothや高速データを提供するWiFiなど、さまざまな種類のワイヤレステクノロジーが市場で入手可能であることを私たちは知っています。ただし、ZigBee開発の背後にある主な目的は、監視だけでなくワイヤレス制御でも使用することであるため、Zigbeeのデータレートは低くなります。

このようなアプリケーションで使用されるデータの量と通信の頻度は非常に少ないです。ただし、IEEE 802.15.4のようなネットワークは高いデータレートを達成する可能性が高いため、ZigbeeテクノロジーはネットワークIEEE802.15.4に基づいています。

IoTにおけるZigbeeテクノロジー

ZigbeeはBluetoothやWiFiに似た通信技術の一種であることはわかっていますが、ホームオートメーションのアプリケーションのオプションであるThreadのような新しいネットワークの選択肢も数多くあります。主要都市では、ホワイトスペーステクノロジーがIoTベースのより広い地域のユースケースに実装されました。

ZigBeeは、低電力WLAN（ワイヤレスローカルエリアネットワーク）仕様です。バッテリーをオフにするために頻繁に接続されるデバイスによって、より少ない電力でより少ないデータを提供します。このため、オープンスタンダードはM2M（マシンツーマシン）通信と産業用IoT（モノのインターネット）を介して接続されています。

Zigbeeは、世界中で受け入れられているIoTプロトコルになりました。すでにBluetooth、WiFi、およびスレッドと競合しています。

Zigbeeデバイス

IEEE 802.15.4 Zigbeeの仕様には、主に、全機能デバイス（FFD）と低機能デバイス（RFD）のような2つのデバイスが含まれています。 FFDデバイスは、仕様内で説明されているさまざまなタスクを実行し、ネットワーク内の任意のタスクを採用できます。

RFDデバイスには部分的な機能があるため、限られたタスクを実行し、このデバイスはネットワーク内の任意のデバイスと会話できます。ネットワーク内で機能するだけでなく、注意を払う必要があります。 RFDデバイスはFFDデバイスと簡単に会話でき、スイッチをアクティブ化および非アクティブ化して制御するなどの単純なアプリケーションで使用されます。

IEEE 802.15.4 n / wでは、Zigbeeデバイスは、コーディネーター、PANコーディネーター、デバイスなどの3つの異なる役割を果たします。ここで、FFDデバイスはコーディネーターおよびPANコーディネーターですが、デバイスはRFD / FFDデバイスのいずれかです。

コーディネーターの主な機能は、メッセージを中継することです。パーソナルエリアネットワークでは、PANコントローラーは必須のコントローラーであり、デバイスはコーディネーターではないかのように知られています。
ZigBee標準は、Zigbeeデバイス、PANコーディネーター、コーディネーター、および以下で説明するコーディネーター、ルーター、エンドデバイスなどのZigBeeの標準仕様に応じて3つのプロトコルデバイスを作成できます。

Zigbeeコーディネーター

FFDデバイスでは、ネットワークを形成するために使用されるPANコーディネーターです。ネットワークが確立されると、ネットワーク内で使用されるデバイスにネットワークのアドレスが割り当てられます。また、エンドデバイス間でメッセージをルーティングします。

Zigbeeルーター

Zigbeeルーターは、Zigbeeネットワークの範囲を許可するFFDデバイスです。このルーターは、ネットワークにデバイスを追加するために使用されます。時々、それはZigbeeエンドデバイスとして機能します。

Zigbeeエンドデバイス

これは、センサーに物理的に接続するルーターでもコーディネーターでもありません。それ以外の場合は、制御操作を実行します。アプリケーションに基づいて、RFDまたはFFDのいずれかになります。

なぜZigBeeがWiFiよりも優れているのですか？

Zigbeeでは、データ転送速度はWiFiに比べて遅いため、最高速度は単純に250kbpsです。 WiFiの速度が遅いのに比べて非常に遅いです。

Zigbeeのもう1つの最高の品質は、電力使用率とバッテリーの寿命です。一度組み立てると忘れてしまうので、そのプロトコルは数ヶ月続きます。

どのデバイスがZigBeeを使用していますか？

次のデバイスのリストは、ZigBeeプロトコルをサポートしています。

• Belkin WeMo
• サムスンSmartThings
• エールスマートロック
• フィリップス・ヒュー
• Honeywellのサーモスタット
• Ikea Tradfri
• ボッシュのセキュリティシステム
• SamsungのComcastXfinity Box
• ハイブアクティブヒーティング＆アクセサリー
• アマゾンエコープラス
• アマゾンエコーショー

すべてのZigbeeデバイスを個別に接続する代わりに、すべてのデバイスを制御するための中央ハブが必要です。上記のデバイス、つまりSmartThingsとAmazon Echo Plusは、Winkハブのように使用して、ネットワーク内で重要な役割を果たすこともできます。中央ハブは、サポートされているすべてのデバイスについてネットワークをスキャンし、中央アプリを使用して上記のデバイスを簡単に制御できるようにします。

ZigBeeとBluetoothの違いは何ですか？

ZigbeeとBluetoothの違いについては以下で説明します。

LoRaとZigBeeの違いは何ですか？

LoRaとZigbeeの主な違いについては、以下で説明します。

Zigbeeテクノロジーの長所と短所

Zigbeeの利点は次のとおりです。

• このネットワークは柔軟なネットワーク構造を持っています
• 電池寿命は良好です。
• 消費電力が少ない
• 修正は非常に簡単です。
• 約6500ノードをサポートします。
• より少ないコスト。
• それは自己回復するだけでなく、より信頼性があります。
• ネットワーク設定は非常に簡単でシンプルです。
• 中央制御装置が含まれていないため、負荷はネットワーク全体に均等に分散されます
• 家電製品の監視と制御は、リモートを使用して非常に簡単です
• ネットワークはスケーラブルであり、ZigBeeエンドデバイスをネットワークに簡単に追加/リモートできます。

Zigbeeの欠点は次のとおりです。

• 所有者のZigbeeベースのデバイスを制御するためのシステム情報が必要です。
• WiFiと比較して、それは安全ではありません。
• Zigbeeベースの家電製品内で問題が発生した場合の高い交換コスト
• Zigbeeの伝送速度が遅い
• 複数のエンドデバイスは含まれていません。
• 公式の個人情報に使用されることは非常に危険です。
• カバレッジ制限が少ないため、屋外無線通信システムとしては使用されていません。
• 他のタイプのワイヤレスシステムと同様に、このZigBee通信システムは許可されていない人に迷惑をかけがちです。

Zigbeeテクノロジーのアプリケーション

ZigBeeテクノロジーのアプリケーションには次のものがあります。

産業自動化： 製造業および生産業では、通信リンクがさまざまなパラメータと重要な機器を継続的に監視します。したがって、Zigbeeはこの通信コストを大幅に削減するだけでなく、制御プロセスを最適化して信頼性を高めます。

ホームオートメーション： Zigbeeは 家電製品をリモートで制御する 照明システム制御、電化製品制御、冷暖房システム制御、安全装置の操作と制御、監視などとして。

スマートメータリング： スマートメータリングのZigbeeリモート操作には、エネルギー消費応答、価格設定サポート、電力盗難に対するセキュリティなどが含まれます。

スマートグリッドモニタリング： このスマートグリッドでのZigbeeの運用には、 リモート温度監視 、障害の特定、無効電力管理など。

ZigBeeテクノロジーは、ワイヤレス指紋出席システムやホームオートメーションなどのエンジニアリングプロジェクトを構築するために使用されます。

これはすべて、Zigbeeテクノロジーのアーキテクチャ、操作モード、構成、およびアプリケーションの簡単な説明です。このタイトルについて十分に理解していただけるよう、十分な内容を提供していただければ幸いです。したがって、これはすべてZigbeeテクノロジーの概要に関するものであり、IEEE802.15.4ネットワークに基づいています。この技術の設計は非常に強力に行うことができるため、あらゆる種類の環境で動作します。

さまざまな環境に柔軟性とセキュリティを提供します。 Zigbeeテクノロジーは、ネットワークが広範囲の地域を制御できるようにすることで一貫したメッシュネットワーキングを提供し、低電力通信を提供するため、市場で非常に人気があります。つまり、これは完璧なIoTテクノロジーです。ここにあなたへの質問があります、市場で利用可能なさまざまな無線通信技術は何ですか？さらにヘルプや技術支援が必要な場合は、以下にコメントしてお問い合わせください。