Реферат выпускная квалификационная работа 76 с

52 
Рисунок 27 – Сравнение стеков протоколов стандартов ISA 100.11а и WirelessHart 
Оба стандарта в последних версиях поддерживают язык описания 
электронных устройств EDDL (Electronic Device Description Language) для 
обеспечения совместимости полевых устройств от разных производителей. 
Однако имеются и существенные отличия между этими протоколами (см. 
Рисунок 2.12 и табл. 5.4). В ISA 100.11a используется сетевой уровень модели OSI 
на базе протокола 6 LoWPAN (RFC4944), т.е. предусмотрена 128-битная IPv6-
адресация полевых устройств, которая в основном применяется на сетевом уровне 
магистральных маршрутизаторов или шлюзов. Внутри беспроводной сети ISA 
100.11a используется укороченный – 16-битовый адрес EUI (без инкапсуляции и 
компрессии IP-заголовка в рамках одной беспроводной сети и с инкапсуляцией и 
компрессией IP-заголовка при наличии двух или более беспроводных сетей). В то 
же время внутри беспроводной сети WirelessHart вообще отсутствует IP-
адресация оконечных устройств. Укороченная EUI-адресация и маршрутизация 
полевого беспроводного оборудования осуществляется на сетевом уровне в 
рамках одной беспроводной сети (не предусмотрена масштабируемость сетей). 

53 
На прикладном уровне модели OSI в ISA100.11a для проектирования 
приложений используется концепция объектно-ориентированной модели, а 
Wireless Hart – командно-ориентированная. В ISA100.11a на прикладном уровне 
хоста введен дополнительный подслой для управления UAP и между UAP, 
который по стандарту ISA для полевых шин IEC 61158 рассматривается отдельно 
от модели OSI. В Wireless Hart такое понятие отсутствует. 
ISA100.11a представляет собой полноценный и перспективный стандарт с 
технологической точки зрения. Он основан на открытых стандартах, а не 
собственных технологиях. Например, он поддерживает протокол IPv6 комитета 
IETF в беспроводных персональных сетях низкой мощности (6LoWPAN). 
Адресация устройств IPv6 позволяет использовать тысячи датчиков и упростить 
их подключение при переходе к интернету вещей. 
Хотя 
беспроводная 
система 
ISA100.11a 
полностью 
устраняет 
необходимость использования WirelessHART, на данный момент более 15-ти 
производителей поддерживают стандарт WirelessHART (IEC 62591), тогда как 
поддержка стандарта ISA100.11a ограниченавсего тремя производителями. 
Следует также отметить, что более дешевая технология ZigBee применима для 
домашней и офисной автоматизации, в то время как дорогостоящие технологии 
WirelessHART и ISA 100.11a предназначены для сетей промышленной 
автоматики. 
2.6 Стандарт Z-Wave 
Z-Wave – это первый открытый беспроводный стандарт домашней 
автоматизации (системы «умный» дом), в основе которой лежит ячеистая (mesh) 
сеть. Он основан на спецификации ITU G.9959 и определяет все аспекты 
взаимодействия устройств, поддерживающих этот протокол, а также 
обеспечивает их совместимость. Технология использует маломощные и 
миниатюрные радиочастотные модули, которые встраиваются в бытовую 
электронику и различные системы, такие как освещение, отопление, контроль 

54 
доступа, развлекательные системы и бытовую технику. Стек протокола Z-Wave 
представлен на рисунке 28. 
Рисунок 28 – Стек протокола Z-Wave 
В
отличие от Wi-Fi и других стандартов передачи данных IEEE 802.11, 
предназначенных в основном для больших потоков информации, стандарт Z-
Wave работает в диапазоне частот до 1 ГГц и оптимизирован для передачи 
простых управляющих команд (например, включить/выключить, изменить 
громкость, яркость и т.д.). Выбор низкого радиочастотного диапазона для Z-Wave 
обуславливается малым количеством потенциальных источников помех (в 
отличие от загруженного диапазона 2,4 ГГц, в котором приходится прибегать к 
мероприятиям, уменьшающим возможные помехи от работающих различных 
бытовых беспроводных устройств – Wi-Fi, ZigBee, Bluetooth). В России 
используется частотный диапазон 869 МГц. 
Также другими преимуществами стандарта можно отметить малое 
потребление энергии, низкую стоимость производства и встраивания модулей Z-
Wave в различные бытовые устройства. 
Скорость передачи данных в сети составляет 9,6 кбит/с или 40 кбит/с с 
полной совместимостью. Используется модуляция GFSK. Радиус действия 
приблизительно 30 метров в условиях прямой видимости, в помещении 
уменьшается в зависимости от формы и материала стен, а также от вида антенны. 

55 
В
сети Z-Wave узлы делятся на три типа: контроллеры (Controllers), 
маршрутизирующие 
исполнительные 
механизмы 
(Routing 
Slaves) 
и 
исполнительные механизмы (Slaves). В реальной сети все типы устройств могут 
работать в любой комбинации. 
Z-Wave использует ячеистую топологию сети с маршрутизацией 
сообщений от источника (англ. source routing) и имеет один основной контроллер 
и ноль или более вторичных контроллеров, которые управляют маршрутизацией и 
безопасностью. В ячеистой сети Z-Wave каждый узел или устройство может 
принимать и передавать управляющиесигналы другим устройствам сети, 
используя промежуточные соседние узлы. Это самоорганизующаяся сеть с 
маршрутизацией, зависимой от внешних факторов – например, при 
возникновении преграды между двумя ближайшими узлами сети, сигнал пойдет 
через другие узлы сети, находящиеся в радиусе действия. 
Z-Wave – это протокол для организации надежной беспроводной связи в 
полудуплексном режиме с низкой пропускной способностью. В основном 
предназначен для автоматизации и управления устройствами в рамках концепции 
IoT и умный дом. 
Изначально протокол Z-Wave был разработан в качестве стартапа группой 
специалистов из Дании, который впоследствии был приобретен американской 
компанией Sigma Designs – ведущим поставщиком системных решений 
для умного дома. В 2005 году группой ведущих специалистов компаний, 
занимающихся домашней автоматизацией, создала некоммерческую организацию 
Z-Wave Alliance. Целью данной организации является сертификация и 
обеспечение совместимости устройств Z-Wave от разных производителей. В Z-
Wave Alliance входят более 540 ведущий отраслевых компаний, среди которых: 
ADT, Fibaro, Huawei, Nexia, D-link, Ingersoll Rand, Jasco, LG Up
+
, Nortek Security & 
Control, Sigma Designs, Samsung, Bosch и другие. 
С 2012 года после выделения специальной частоты (869 МГц) технология 
Z-Wave применяется и в России. 

56 
В октябре 2013 года вышел второй стандарт Z-Wave – Z-Wave Plus, 
отличающийся улучшенными характеристиками и наличием новых функций. 
Технология Z-Wave описана в спецификации ITU-T G.9959. Z-Wave имеет 
ячеистую топологию сети, в которой каждый узел знает соседей и может 
выступать в качестве ретранслятора пакетов для успешного обмена сообщениями. 
Технические характеристики: 
а)
расстояние: 40…120 м (расстояние между устройствами при 
условии прямой видимости: 10…30 м); 
б)
максимальное количество устройств: 232; 
в)
скорость передачи данных: 9,6 кбит/с, 40 кбит/с или 100 кбит/с; 
г)
частота: до 1 ГГц (869,42 МГц в Европе, 908,4 МГц и 916 МГц в 
США, 922…926 МГц в Японии, 869 МГц в России). 
Устройства в сети Z-Wave могут быть разделены на две подгруппы: 
обычные узлы (находятся в режиме приема в любое время) и узлы с малой 
мощностью (большую часть времени находятся в режиме сна). Использование 
узлов с малой мощностью продлевает срок службы устройств за счет низкого 
электропитания. 
Основными 
преимуществами 
технологии 
Z-Wave 
является 
ее 
универсальность, т.е. совместимость устройств от различных производителей, 
простота установки и надежная передача данных. К недостаткам можно отнести 
невозможность передачи звука или видео с хорошим качеством.Цена устройств, 
использующих технологию Z-Wave, варьируется от 10 до 300 $. 
Технология Z-Wave активно используется для связи устройств умного 
дома: бытовая техника, шторы, освещение, климат-контроль, контроль доступа и 
т.д. На рынке представлены более 1700 готовых решений, например, уведомление 
об открытии/закрытии дверного замка, когда вы находитесь вне дома, голосовое 
управление освещением и обогревом помещения, сбор данных с различных 
сенсоров.[8] 

57 
Таким образом, Z-Wave сеть может иметь радиус передачи гораздо 
больший, чем дальность передачи одного узла. Однако из-за переприемов (hops) 
может быть получена небольшая задержка между командой управления и 
желаемым результатом. Для того чтобы Z-Wave устройства имели возможность 
маршрутизировать данные ими не запрашиваемые, они не могут находиться в 
спящем режиме. Таким образом, устройства с питанием от батареек не 
предназначены в качестве устройств ретрансляции. Сеть Z-Wave может включать 
до 232 устройств с возможностью расширения сети, если требуется еще несколько 
устройств. Дополнительные устройства в сеть могут быть добавлены в любое 
время, так же как и несколько управляющих контроллеров. 
Хотя технология Z-Wave является простым и дешевым решением, низкая 
скорость передачи данных исключает передачу изображений, звука и 
высокоскоростных данных. Кроме того, для решений, где требуется более 30 
устройств, Z-Wave-система является более дорогой, чем кабельные системы. Из-
за своих конструктивных особенностей, такие системы имеют ограниченные 
масштабы и радиус действия, и требуют использования повторителей или даже 
кабельные соединения. В мире насчитывается более 200 производителей, 
предлагающих товары с Z-Wave чипами или модулями. Отличительной 
особенностью Z-Wave является то, что все эти продукты совместимы между 
собой. Сравнение стека протокола Z-Wave в с другими технологиями приведено 
на рисунке 29.

58 
Рисунок29 – Характеристики технологии Z-wave 
Характеристики Z-wave: частотный диапазон 868/908/2400 МГц; битовая 
скорость 9,6/40/200 кбит/с; тип модуляции сигнала BPSK; чувствительность 
приемника минус 101 дБм; выходная мощность передатчика минус 20…0; размер 
данных пакета до 64 байт. 
2.7 Стандарт Bluetooth Low Energy 
Технология Bluetooth Low Energy (BLE) – Bluetooth 4.0 является 
технологией беспроводной связи для ближних коммуникаций, разработанной 
группой Bluetooth Special Interest Group (SIG). Изначально ориентирован на 
применение в системах сбора данных, мониторинга с автономным питанием. BLE 
потребляет в 10-20 раз меньше энергииспособен передавать данные в 50 раз 
быстрее, чем классические Bluetooth-решения. 
Стандарт Bluetooth Low Energy рассчитан на топологии типов: точка-точка 
и звезда. Основные области применения BLE это устройства обеспечения 
безопасности, управления электроприборами и отображения показаний, датчики с 
батарейным питанием, домашние медицинские приборы, спортивные тренажеры. 
Устройства BLE работают в диапазоне 2,4 ГГц. В стандарте определено 40 
частотных каналов с расстоянием в 2 МГц между каналами. На физическом 
уровне применена GFSK-модуляция (Gaussian Frequency Shift Keying) с индексом 

59 
модуляции в пределах от 0,45 до 0,55, что позволяет уменьшить пиковое 
потребление энергии. Скорость передачи на физическом уровне 1 Мбит/с. В 
стандарте BLE чувствительность приемника определена как уровень сигнала на 
приемнике, при котором частота битовых ошибок BER (Bit Error Rate) достигает 
уровня 10
-3
. Она должна составлять минус 70 дБм или лучше.[7] 
Технология 
адаптивной 
скачкообразной 
перестройки 
частоты, 
используемая в BLE, позволяет устройствам быстро изменять рабочую частоту в 
широком диапазоне рабочих частот. Это не только позволяет снизить 
интерференцию, но и уменьшить или полностью избежать переполнения в 
рабочем частотном диапазоне. Наряду с широковещательным режимом, BLE 
предлагает способ передачи данных, ориентированный на установленное между 
отдельными устройствами соединение. 
Стек BLE состоит из 2х основных частей: контроллера (controller) и узла 
сети (host, изображен на рисунке 30. Контроллер включает в себя физический и 
канальный уровень и часто реализуется в виде системы-на-кристалле с 
интегрированным беспроводным трансивером. Часть стека, именуемая узлом 
сети, реализуется программно на микроконтроллере приложений и включает в 
себя функциональность верхних уровней, изображено на рисунке 30: протокол 
адаптации L2CAP (Logical Link Control and Adaptation Protocol), протокол 
атрибутов ATT (Attribute Protocol), протокол атрибутов профилей устройств 
GATT (Generic Attribute Profile), протокол обеспечения безопасности SMP 
(Security Manager Protocol), протокол обеспечения доступа к функциям профиля 
устройств GAP (Generic Access Profile). Взаимодействие между верхней и нижней 
частями стека осуществляется через интерфейс HCI (Host Controller Interface). 
Дополнительная функциональность прикладного уровня может быть реализована 
поверх уровня узла сети. 

60 
Рисунок 30 – Структура стека протоколов Bluetooth Low Energy 
Несмотря на то, что некоторые функции контроллера BLE заимствованы у 
классического Bluetooth, они не совместимы между собой, т.е. устройство, 
поддерживающее только BLE (однорежимное устройство – single-mode device) не 
сможет взаимодействовать с устройством, поддерживающим только Bluetooth 
версий 2.x/3.0. Для осуществления взаимодействия между ними хотя бы одно из 
устройств должно поддерживать оба стека протоколов (двухрежимное устройство 
- dual-mode device). Однорежимные устройства обладают наименьшим 
энергопотреблением и в основном представляют собой конечные исполнительные 
устройства. 
Двухрежимные 
устройства 
предполагают 
возможность 
периодического получения энергии, располагаются на различных мобильных 
устройствах, а также могут функционировать и как обычные Bluetooth-
устройства. 
Характеристики BLE: частотный диапазон 2400 МГц; битовая скорость 
1000 кбит/с; тип модуляции сигнала GFSK; метод расширения спектра FNSS; 
чувствительность приемника минус 70…93 дБм; выходная мощность передатчика 
минус 20…0; размер данных пакета до 8…47 байт. 

61 
Характеристики Bluetooth – частотный диапазон 2400 МГц; битовая 
скорость 1000 кбит/с; тип модуляции сигнала GFSK; метод расширения спектра 
FNSS; чувствительность приемника минус 90 дБм; выходная мощность 
передатчика 20/4/0; размер данных пакета до 358 байт.[7] 
Низкое энергопотребление и более устойчивая работа в условиях 
большого количества аналогичных устройств в ряде случаев позволяет 
рассматривать BLE как альтернативу устройствам NFC, в частности RFID-меткам. 
Но более интересен вариант использования BLE совместно с NFC. В этом случае 
первые обеспечивают больший радиус устойчивой работы и большое количество 
совместно работающих устройств, а вторые служат для установления логического 
соединения между парой устройств, обеспечивая более высокий уровень 
безопасности за счет меньшего радиуса действия. 

62 

жүктеу/скачать 2,1 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: