Реферат выпускная квалификационная работа 76 с

37 
приложений APS (Application Support Sublayer), поддержки списков управления 
доступомACL (Access Control List) и 128-битного стандарта шифрования AES 
(Advanced EncryptionStandart). 
Таблица 1 – Стандарты и протоколы IoT 
Стандарт 
Частота, МГц 
Скорость 
кбит/с 
Уровни протокола 
Шифрова
ние 
PHY 
MAC 
NWK 
TRP 
APS 
ACL 
IEEE 802.15.4 868/915/2400 20/40/250 
+ 
+ 
- 
- 
- 
+ 
+ 
Zigbee 
2400 
250 
- 
- 
+ 
+ 
+ 
+ 
+ 
6LoWPAN 
- 
50...200 
- 
- 
+ 
- 
- 
+ 
+ 
WirelessHART 
2400 
250 
+ 
+ 
+ 
+ 
+ 
+ 
+ 
ISA 100.11a 
2400 
250 
+ 
+ 
+ 
+ 
+ 
+ 
+ 
Z-Wave 
865/915/869 
9,6/40 
+ 
+ 
+ 
- 
+ 
- 
- 
Bluetooth 
2400 
1000 
+ 
+ 
+ 
+ 
+ 
+ 
+ 
2.2 Стандарт IEEE 802.15.4 
Стандарт IEEE Std 802.15.4 предназначен для реализации беспроводных 
персональных сетей WPAN большой емкости с низким энергопотреблением и 
низкой скоростью передачи данных. Он реализует только два нижних уровня 
стека протоколов – физический уровень (PHY) и уровень доступа к среде (MAC). 
Стандарт 802.15.14 является базовой основой для более высокоуровневых 
протоколов, таких как ZigBee, WirelessHART и MiWi. Он может быть также 
использован совместно со стандартом 6LoWPAN и стандартными протоколами 
Интернета для построения беспроводных сенсорных сетей. Стек протоколов для 
стандарта изображен на рисунке 17.[3] 

38 
Рисунок 17 – Стек протоколов для стандарта IEEE Std 802.15.4 
Физический уровень 802.15.14 PHY определяет способ передачи данных, 
интерфейс организации связи, аппаратные особенности и параметры, 
необходимые для построения сети. На практике физический уровень управляет 
работой трансивера, выполняет выбор каналов, сигналов управления и уровня 
мощности передачи. 
На канальном уровне спецификация IEEE 802.15.4 определяет механизмы 
взаимодействия элементов сети на физическом уровне для обеспечения 
формирования фрагментов данных (кадров), проверки и исправления ошибок, 
отправки кадров на сетевой уровень. При этом подуровень MAC канального 
уровня регулирует множественный доступ к физической среде с разделением по 
времени, управляет связями трансиверов и обеспечивает безопасность. 
Стандарт определяет два типа узлов сети: 
а)
полнофункциональное устройство FFD (Fully Function Device), 
которое может реализовать как функцию координации работы и установки 
параметров сети, так и работать в режиме типового узла; 
б)
устройство с ограниченным набором функций RFD (Reduced
Function Device),обладающее только возможностью поддержания связи с 
полнофункциональными устройствами. 
Варианты топологии сетей стандарта изображены на рисунке 18. 

39 
Рисунок 18 – Варианты топологии сетей стандарта IEEE Std 802.15.4 
2.3 Стандарт ZigBee 
Cтандарт IEEE Std 802.15.4 описывает два нижних уровня сетевой модели 
OSI, при этом не определяеттребования к верхним уровням и условия их 
совместимости. Решения этих задач потребовало разработки специальных 
коммуникационных протоколов. Наиболее известными являются протоколы 
альянса ZigBee, которой был создан крупнейшими мировыми компаниями, 
специализирующимися в области разработки программно-аппаратных средств для 
инфокоммуникационных систем. Стандарт ZigBee включает полный стек 
протоколов для беспроводных сенсорных сетей. Название спецификации ZigBee 
произошло от Zig-zag – зигзаг и Вее – пчела. Подразумевалось, что топология 
сети будет напоминать зигзагообразную траекторию полета пчелы от цветка к 
цветку. 
Спецификация ZigBee ориентирована на приложения, требующие 
гарантированной безопасной передачи данных при относительно небольших 
скоростях и возможности длительной работы сетевых устройств от автономных 
источников питания (батарей). Она обеспечивает невысокое потребление энергии 
и передачу данных со скоростью до 250 Кбит/с на расстояние до 75 метров в 
условиях прямой видимости. Характеристики ZigBee: частотный диапазон 

40 
868/915/2400 МГц; битовая скорость 20/40/250 кбит/с; тип модуляции сигнала 
BPSK/BPSK/O-QPSK; метод расширения спектра DSSS; чувствительность 
приемника минус 92…минус 85 дБм; выходная мощность передатчика минус 
32…0; размер данных пакета до 127 байт.[3] 
Стандарт ZigBee включает описание сетевых процессов управления, 
совместимости и профилей устройств, а также информационной безопасности. На 
сетевом уровне в ZigBee определены механизмы маршрутизации и формирования 
логической топологии сети. Конфигурация представлена на рисунке 19. 
Рисунок 19– Конфигурация стеков протоколов 802.15.4 и ZigBee 
Основная особенность технологии ZigBee заключается в том, что она при 
малом энергопотреблении поддерживает не только простые топологии сети 
(«точка-точка», «дерево» и «звезда»), но и самоорганизующуюся и 
самовосстанавливающуюся ячеистую (mesh) топологию с ретрансляцией и 
маршрутизацией сообщений. Кроме того, спецификация ZigBee содержит 
возможность выбора алгоритма маршрутизации, в зависимости от требований 
приложения и состояния сети, механизм стандартизации приложений — профили 
приложений, библиотека стандартных кластеров, конечные точки, привязки, 

41 
гибкий механизм безопасности, а также обеспечивает простоту развертывания, 
обслуживания и модернизации.
В
области технологий беспроводных сенсорных сетей ZigBee является 
стандартом, в наибольшей степени подкрепленным представленными на рынке 
полностью совместимыми аппаратными и программными средствами. Кроме того 
протоколы ZigBee позволяют сетевым устройствам находиться в спящем режиме 
большую часть времени, что существенно увеличивает ресурс работы узлов при 
питании от батарейных источников. ВБСС на основе ZigBee поддерживается 
режим «профилей устройств» или профилей для различных датчиков, которые 
совместимы на уровне стека протокола и могут объединяться в сеть, передавать, 
принимать и ретранслировать информацию. В то же время «понимать» эту 
информацию будет только то устройство, для которого она предназначена. 
Все устройства стандарта ZigBee в зависимости от уровня сложности 
подразделяются на три класса, высший из которых – координатор – управляет 
процессом формирования сети, хранит данные о ее топологии и служит шлюзом 
для передачи данных собираемых от всех сенсоров БСС для их дальнейшей 
обработки. В сети, как правило, используется только один PAN-координатор. 
Среднее по сложности устройство – маршрутизатор – способно ретранслировать 
сообщения, поддерживать все топологии сети, а также выполнять функции 
координатора кластера. И, наконец, самое простой узел – оконечное устройство – 
способен лишь передавать данные ближайшему маршрутизатору. 
Таким образом, стандарт ZigBee поддерживает сеть с кластерной 
архитектурой, сформированной из обычных узлов, объединенных в кластеры 
посредством маршрутизаторов. Маршрутизаторы кластеров запрашивают 
сенсорные данные от устройств и, ретранслируя их друг другу, передают 
координатору, который обычно имеет связь с внешней IP-сетью, куда и 
отправляет информацию для накопления и окончательной обработки. Топология 
изображена на рисунке 20. 

42 
Рисунок 20– Типовая топология сети ZigBee 
Сеть ZigBee является самоорганизующейся, то есть все узлы способны 
самостоятельно определять и корректировать маршруты доставки данных. 
Данные передаются с помощью радиопередатчиков от одних узлов к другим по 
цепочке, и в итоге ближайшие к шлюзу узлы сбрасывают всю аккумулированную 
информацию на шлюз. Эта информация включает данные, считываемые с 
сенсорных датчиков, а также данные о состоянии устройств и результатах 
процесса передачи информации. В случае выхода части устройств из строя, 
работа сенсорной сети после реконфигурации должна продолжиться. 
Беспроводные узлы функционируют под управлением специального приложения. 
Обычно все узлы сенсорной сети используют одну и ту же управляющую 
программу, обеспечивающую их функциональность и выполнение сетевых 
протоколов.Концерн RF4CE (Radio Frequency for Consumer Electronics)
совместно сальянсомZigBee разработал стандартизированную спецификацию 
ZigBee RF4CE, предназначенную для использования в бытовых дистанционно 
управляемых аудио/видео устройствах, таких как телевизоры, телеприставки и 
игровые консоли. Она имеет ряд преимуществ по сравнению с существующими 
техническими решениями для дистанционного управления, включая управление 
работой в зоне непрямой видимости, функциональность манипулятора типа 
"мышь" и клавиатуры, управление с распознаванием жестов и сенсорным вводом, 
двусторонняя связь, более длительное время работы от аккумулятора. 

43 
2.4 Стандарт 6LoWPAN 
6LoWPAN (IPv6 Low-Power Wireless Personal Area Network) 
– 
стандарт,обеспечивающий взаимодействие малых беспроводных сетей с сетями IP 
по протоколу IPv6 с малым энергопотреблением. Стандарт разработан группой 
IETF и описан в RFC 4944 и RFC 4919. Технология используется в основном для 
организации сетей датчиков и автоматизации жилого и офисного помещения с 
возможностью управления через интернет, однако может использоваться и 
автономно для реализации простых беспроводных сетей датчиков. Передача 
данных в стандарте 6LoWPAN подразумевает использование субгигагерцового 
диапазона и обеспечивает скорость передачи от 50 до 200 Кбит/с на расстояние до 
800 метров.[3] 
Архитектура сетей 6LoWPAN несколько отличается от традиционных 
архитектур 
IP-сетей 
(наличие 
специализированного 
коммутационного 
оборудования, маршрутизаторов, медиа-конверторов) и от сложившихся 
архитектур беспроводных сетей сбора данных. Ближе всего к ней находится 
архитектура WiFi-сетей, хотя и от нее есть ряд отличий. 
Выделяют три типа сетей 6LoWPAN, изображены на рисунке 21: 
ad-hoc (самоорганизующаяся, динамическая);
простая 6LoWPAN-сеть; 
расширенная 6LoWPAN-сеть. 

44 
Рисунок 21– Типы сетей 6LoWPAN (R-маршрутизатор, Н – хост) 
Ad-hoc-сеть является самоорганизующейся сетью, использует стек 
протоколов 6loWPAN. Не имеет граничного маршрутизатора, не имеет 
подключения к внешней IP-сети. 
Простая 6LoWPAN-сеть подключена к другой IP-сети при помощи одного 
граничного маршрутизатора. Граничный маршрутизатор может быть подключен к 
внешней IP-сети напрямую или может входить в состав кампусной сети 
(например, сети организации). 
Расширенная 6LoWPAN-сеть состоит из одной или нескольких подсетей, 
подключенных к внешней IP-cети через несколько граничных маршрутизаторов, 
подключенных к одной сети (например, локальная сеть организации). При этом 
граничные маршрутизаторы в расширенной сети разделяют один и тот же сетевой 
префикс. Узлы расширенной сети могут свободно перемещаться в пределах сети и 
осуществлять обмен с внешней сетью через любой граничный маршрутизатор 
(обычно выбирается маршрут с наилучшими показателями качества сигнала – 
уровень ошибок, уровень сигнала). 
Взаимодействие между узлами в сети 6LoWPAN, а также взаимодействие с 
внешними узлами осуществляется так же, как и в обычной IP-сети. Каждый узел 
имеет свой уникальный IPv6-адрес и может принимать и передавать пакеты IPv6. 

45 
Упрощенная структура стека протоколов 6LoWPAN в сравнении со стеками 
TCP/IP и ZigBee представлена на рисунке 22. Обычно узлы имеют поддержку 
протокола ICMPv6 и UDP. Прикладные протоколы чаще всего используют 
бинарный формат данных при работе по UDP-протоколу в сетях 6LoWPAN. В 
отличие от TCP/IP-стека, в 6LoWPAN нет поддержки протокола транспортного 
уровня TCP – из-за больших накладных расходов на формирование пакетов и из-
за особенностей работы протокола, которые существенно затрудняют его 
применение в сенсорных беспроводных сетях (подтверждение пакетов и 
установление/разрыв соединения требуют частой работы приемопередатчика 
узла, и, как следствие, повышенного потребления энергии). 
Рисунок 22 – Сравнение стеков протоколов TCP/IP, 6LoWAPN и ZigBee 
Так 
же 
как 
и 
сети 
ZigBee, 
сети 
6LoWPAN 
являются 
самоорганизующимися. Для этого используется стандартная техника сетей IPv6. 
На базе заданных параметров стека автоматически устанавливается оптимальная 
топология связей между узлами в сети. Оптимальные маршруты определяются на 
основе метрик. 
В отличие от стандартов ZigBee, 6LoWPAN расширяет стандартизацию до 
уровня прикладных задач, параллельно решая проблемы с интеграцией 
небольших беспроводных узлов в IP-сети. 

46 
Целевые приложения стека 6LoWPAN включают в себя достаточно 
большие масштабируемые сети с подключением к IP-сетям (интернет, интранет 
или экстранет). Несмотря на хорошую масштабируемость, потенциально 
прозрачное управление и легкий доступ к узлам, 6LoWPAN подходит не для всех 
применений. В частности, текущая версия стандарта стека протоколов требует 
постоянной активности маршрутизаторов для корректной передачи данных, что 
затруднительно в сенсорных беспроводных сетях. Тем не менее, эта особенность 
позволяет минимизировать занимаемый стеком 6LoWPAN объем flash-памяти в 
конечном устройстве и, следовательно, минимизировать стоимость сетевого 
процессора. 
Основные области применения стандарта 6LoWPAN: интеллектуальные 
системы 
учета; 
управление 
уличным 
освещением; 
промышленная 
автоматика;логистические системы, отслеживание товаров или объектов 
инвентаризации; коммерческие охранные системы, системы контроля и 
управления доступом; некоторые военные приложения. 
Некоторые области применений 6LoWPAN перекликаются с рядом 
стандартов ZigBee, однако в данном случае конкуренция отсутствует, скорее – 
взаимодействие и дополнение друг друга, особенно в плане интеграции сервисов, 
расширения зон действия сети.
2.5 Стандарты WirelessHART и ISA100.11a 
Стандарты промышленных беспроводных сетей WirelessHART и 
ISA100.11a, как и рассмотренные ранее технологии ZigBee и 6LoWPAN, являются 
надстройками над физическим уровнем стандарта IEEE 802.15.4. Оба стандарта 
имеют общий принцип работы и конкурируют между собой.
WirelessHART – протокол передачи данных по беспроводной линии связи, 
разработанный фондом HART Communication Foundation для передачи данных в 
виде HART-сообщений в беспроводной среде. Исходный протокол обмена 
данными HART в проводных сетях был предназначен для взаимодействия с 

47 
полевыми датчиками на основе расширяемого набора простых команд «запрос-
ответ», передаваемых в цифровом виде по двухпроводной линии с током 4…20 
мА. Его беспроводный вариант WirelessHART обеспечивает передачу данных со 
скоростью до 250 кбит/с на расстояние до 200 м (в пределах прямой видимости) 
при частоте передачи данных в диапазоне 2,4 ГГц. WirelessHART одобрен 
международной электротехнической комиссией (МЭК) в качестве первого 
международного стандарта беспроводной связи промышленной автоматизации 
под номером IEC 62591. Сравнение изображено стеков на рисунке 23. 
Рисунок 23 – Сравнение стеков 
Беспроводная сеть WirelessHART состоит из трех основных элементов, 
архитектура представлена на рисунке 24: 
а)
беспроводные 
полевые 
устройства, 
подсоединенные 
к 
промышленному оборудованию. Это может быть устройство со встроенной 
проводной технологией WirelessHART или уже имеющееся установленное 
проводное HART-устройство с адаптеромWirelessHART; 
б)
шлюзы – обеспечивают обмен данными между полевыми 
устройствами и хост-приложениями, подсоединенными к высокоскоростной 
магистральной или другой имеющейся на предприятии коммуникационной сети; 

48 
в)
администратор 
сети/менеджер безопасности – отвечает за 
конфигурирование сети, планирование обмена данными между устройствами, 
маршрутизацию сообщений и мониторинг состояния сети. Администратор сети 
может быть встроен в шлюз, хост-приложение или контроллер автоматизации 
технологического процесса. 
Рисунок 24 – Архитектура сети WirelessHART 
Сеть WirelessHART основана на совместимых с IEEE 802.15.4 
радиопередатчиках, работающих в ISM диапазоне 2,4 ГГц. В них используется 
технология широкополосного сигнала с прямой последовательностью и 
переключением каналов для обеспечения коммуникационной безопасности и 
надежности, а также технология синхронизированного многостанционного 
доступа с временным разделением каналов (TDMA) и контролируемой задержкой 
для связи между устройствами в сети. 
Каждое устройство в сети может служить в качестве маршрутизатора для 
сообщений от других устройств. Иными словами, устройство не имеет 
необходимости обращаться напрямую к шлюзу; оно просто передает свое 

49 
сообщение на ближайшее соседнее устройство. Это расширяет масштаб сети и 
обеспечивает избыточные каналы передачи данных для повышения надежности. 
Администратор сети определяет избыточные каналы на основе времени 
задержки, эффективности и надежности передачи. Чтобы обеспечить открытость 
и свободность избыточных каналов, передача сообщений попеременно 
осуществляется по каждому из них. 
Схема сети WirelessHART также позволяет легко добавлять и перемещать 
устройства. Устройство всегда остается на связи, когда оно находится в зоне 
действия других устройств в сети. 
Для обеспечения гибкости при разных условиях применения стандарт 
WirelessHART поддерживает несколько режимов передачи данных, включая 
однонаправленную публикацию значений параметров технологического процесса 
и управления, мгновенное уведомление по исключению, специальный 
запрос/отклик и передача больших наборов данных с автоматическим 
сегментированием. Эти возможности позволяют настраивать передачу данных в 
соответствии 
с 
производственными 
требованиями, 
что 
снижает 
энергопотребление и непроизводительные издержки. 
ISA100.11a – стандарт организации промышленных сенсорных сетей, 
сетей датчиков и приводов. Стандарт разработан Международным обществом по 
автоматике ISA (International Society of Automation) и одобрен МЭК в качестве 
общедоступной спецификации. В настоящее время идет процесс одобрения 
спецификации в качестве стандарта. Для передачи промышленных данных 
используется низкоскоростная беспроводная связь с использованием элементов с 
низким энергопотреблением. Обмен данными осуществляется на частоте в районе 
2,4 ГГц и скорости порядка 250 кбит/с. В основе архитектуры ISA100.11a, как и в 
протоколе WirelessHART, лежит стандарт IEEE 802.15.4-2006, сравнение показано 
на рисунке 25.[3] 

50 
Рисунок 25 – Сравнение стеков протоколов OSI, TCP/IP и ISA100.11a 
Беспроводная сеть стандарта ISA100.11a содержит следующие 
компоненты, как показано на рисунке 26 – полевое устройство с функцией 
маршрутизатора; 
полевое 
устройство 
без 
функции 
маршрутизатора; 
магистральный 
маршрутизатор; 
шлюз; 
системный 
менеджер;менеджер 
безопасности. 
Рисунок 26 - Архитектура беспроводной сети по стандарту SP100.11а 

51 
ISA100.11a поддерживает протоколы Fieldbus Foundation, Profibus-PA и 
HART,работающие на уровне приложений. Фактически, он способен 
поддерживать несколько кластеров устройств, работающих с указанными 
протоколами. Он также может поддерживать различные типы датчиков (HART, 
Profibus и др.) в одном кластере. 
Стандарт ISA100.11a использует топологию сетей датчиков типа «ячеистая 
сеть» или «звезда». Сети с топологией типа «ячеистая сеть», выполняющие 
множество переключений, используют больше заряда батарей, чем сети с 
топологией типа «звезда», но являются более безопасными. Таким образом, у 
пользователя есть выбор и он может отдать предпочтение тому или иному 
способу построения сетей, в зависимости от решаемых задач. 
Протоколы WirelessHART и ISA100.11a имеют много общего, т.к. за 
основу взят стандарт IEEE 802.15.4-2006. С целью повышения надежности 
беспроводных систем для предприятий в обоих случаях на физическом уровне 
используется технология псевдослучайной перестройки рабочей частоты FHSS 
(Frequency Hopping Spread Spectrum), а на канальном уровне метод кодового 

жүктеу/скачать 2,1 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: