はじめに

IoT（「モノのインターネット」）の概念については、至る所で話されています。 ワイヤレスインターフェースを介してネットワーク（Bluetooth / Wi-Fi）に接続し、洗濯/調理/お湯のタスクが完了したという通知の送信を開始できる「スマート」な家電製品があります。 これらのスマートデバイスのほとんどは、主電源から直接電力を受け取ります。 しかし、ワイヤレス温度計から情報を受信し、毎週バッテリーを交換しない場合はどうでしょうか？ または、壁を捨てる必要のない小さなバッテリーを備えたワイヤレススイッチをお持ちですか？ そして、そのようなデバイスを単一の分散ネットワークに組み合わせて、リモートで制御でき、センサー/検出器/カウンターの読み取り値に基づいていくつかの決定を下すことができると便利です。



特にこのような問題を解決するために、ZigBeeワイヤレステクノロジが作成されました。これについて説明します。

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無線のネットワーク技術

多数のワイヤレステクノロジがあり、それぞれに独自の特性があります。 次の表は、2.4 GHzの周波数のワイヤレス通信プロトコルを示しています。



一般的なワイヤレス技術の比較表

1. Wi-Fiテクノロジー
   
   Wi-Fiテクノロジーは、有線イーサネットインターフェイスの代わりとして作成されました。 したがって、この技術は高いデータ転送速度を提供しますが、高電力消費のために小容量の電源から長時間動作するノードの開発を許可しません。
2. Bluetoothテクノロジー
   
   標準4.0（Bluetooth SmartまたはBluetooth Low Energy）の登場によるBluetoothテクノロジーは、以前のバージョンと比較してエネルギー消費が数倍削減されたため、ウェアラブルエレクトロニクスの開発者にとってはるかに魅力的になりました[ 1 ]。 しかし、タスクが複数の部屋や建物をカバーするワイヤレス低電力システムを構築することである場合、 スター型ネットワークトポロジのみがサポートされるため、このテクノロジーは機能しません。 Wi-Fiについても同じことが言えます。
3. ZigBeeおよびスレッドテクノロジー
   
   ZigBeeおよびThreadテクノロジーはもともと、低データ転送レートで信頼性の高いセンサーと制御デバイスの分散ネットワークを作成するために開発されました。 これらのテクノロジーは、ネットワークメッシュトポロジ、スリープノード、モバイルノード、およびリレーおよび自己修復アルゴリズムを提供するノードをサポートしています。 表は250 kbpsの速度を示しています-これは最大ネットワーク帯域幅です。 有用な速度は、隣接ノード内で30〜40 kbit / s程度で、リレーを使用する場合は5〜25 kbit / sです。 ZigBeeのThreadテクノロジーとの主な違いは、IPプロトコルのサポートが追加されることです。これにより、スレッドネットワークとネットワークアプリケーションの統合が簡単になります。 スレッドテクノロジーの機能については別の機会に話します。

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ネットワークトポロジの比較

前の章でサポートされているネットワークトポロジについては言及されていましたが、機能については言及されていませんでした。 この例を考えてみましょう：

スター対 メッシュ

BluetoothおよびWi-Fiネットワークでは、ネットワーク通信は中央ゲートウェイを経由します。 そして、それが失敗すると、データの交換は不可能になります。

さらに、無線信号の経路に沿って突然障害物が発生した場合、個々のノードは接続されないままになる場合があります。



ZigBeeおよびThreadネットワークでは、デバイス間の冗長接続の存在により通信の信頼性が向上しています。 スリープモードに移行しないすべてのデバイスは、ネットワークトラフィックのルーティング、最適なルートの選択、およびパケットの中継を担当するルーターとして機能します。 ネットワークオーガナイザーとして機能するデバイスに障害が発生した場合でも、ZigBeeネットワークはさらに機能し続けます。 干渉や障害の発生、およびルーターの障害は、過剰な接続が存在するため重要ではありません。 したがって、定常電力を持ち、ルーターのタスクを実行できる追加のノードを導入すると、ネットワークの信頼性が高まります。

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典型的なZigBeeネットワーク構造

ここで、ZigBeeネットワーク自体の構造と、その中に含まれる可能性のあるデバイスのタイプについて説明します。

典型的なZigBeeネットワーク構造

コーディネーターは、ネットワークを編成したホストです。 ネットワークセキュリティポリシーを選択し、ネットワークへの新しいデバイスの接続を許可または禁止するのは彼です。また、電波の干渉がある場合、ネットワーク内のすべてのデバイスを別の周波数チャネルに転送するプロセスを開始します。

ルーターは、定電力を備えているため、常にネットワークに参加できるノードです。 コーディネーターはルーターでもあります。 このタイプのノードには、ネットワークトラフィックをルーティングする役割があります。 ルーターは常に特別なルーティングテーブルをサポートしています。これは、デバイスが突然故障した場合に最適なルートをレイアウトし、新しいルートを検索するために使用されます。 たとえば、ZigBeeネットワークのルーターは、スマートソケット、照明制御ユニット、または電源に接続されている他のデバイスです。

エンドデバイスは、親ノード（ルーターまたはコーディネーター）を介してネットワークに接続するデバイスであり、トラフィックのルーティングに参加しません。 それらのネットワークとのすべての通信は、「親」ノードへのパケットの送信またはそこからの受信データの読み取りに限定されます。 このようなデバイスの「親」は、任意のルーターまたはコーディネーターにすることができます。 ほとんどの場合、エンドデバイスはスリープモードにあり、通常、特定のイベント（スイッチボタンを押す、窓やドアを開く）の後にのみ、制御または情報メッセージを送信します。 これにより、内蔵電源のエネルギーを長時間保持できます。 ZigBeeネットワークのエンドデバイスの例には、ランプの動作を制御し、バッテリーで動作するワイヤレススイッチ、漏水センサー、ドア開閉センサーがあります。 エンドデバイスは3つのカテゴリに分けられ、それぞれに独自の特性がありますが、それらについては次のパートで説明する価値があります。



エンドデバイスはほとんどの時間をスリープモードで使用し、自身のメッセージまたはデータ転送のために親ノードをポーリングするためだけにウェイクアップするため、これによりバッテリー電源のエネルギーを節約できます。 ETRX357モジュールに基づいて、さまざまな動作モードでのスリープエンドデバイスの経験したエネルギー消費測定：

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標準ZigBeeデバイスの開発

素晴らしい、読者は考えるでしょう。 -メッシュトポロジをサポートする別の独自プロトコル。 これで誰も驚かないでしょう。」 ただし、ZigBeeテクノロジが存在するすべての年のZigBeeアライアンスは、ネットワークレベルだけでなく、開発されたデバイスのアプリケーションレベルも標準化するために多くの作業を行ってきました[ 2 ]。 ZigBeeクラスター（ZCL）の大きなライブラリがあり、スイッチ、照明制御ユニット、センサー、メーターなどを接続するためのインターフェースなど、200以上のデバイスを記述しています[ 3 ]。 また、一部のタイプのシステム（ホームオートメーションシステム、検針システムなど）については、標準デバイスのセット全体を含む特別なプロファイルが開発されています。 これにより、さまざまなメーカーのワイヤレスノードがアプリケーションレベルで相互に理解できるようになります。 標準プロファイルは、特定のデバイス（空調制御ユニットやランプ制御ユニットなど）の標準コマンドと動作を記述します。

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どこから始めますか？

無線モジュール

クイックスタートでは、ZigBeeソフトウェアスタックに対処する意欲も能力もない場合、ETRX357モジュールに注意を払う価値があります。 すべてのモジュールにはメーカーのファームウェアが組み込まれているため、一連のATコマンドを使用して、ネットワーク機能だけでなくアナログおよびデジタル周辺機器も操作できます。 無線モジュールの使用を開始するには、シリアルUARTインターフェイスの電力線とTxDおよびRxD線を接続するだけで十分です。

標準ファームウェアには、I / Oポート、タイマー/カウンターからの割り込み、または特定のイベント-ネットワークへの接続または無線モジュールの初期化で呼び出すことができる多くの機能も含まれています。 利用可能な機能の例：

• スイッチI / Oポートステータス
• 無線モジュールの16個のデジタル出力の状態、接続されたセンサーからのデジタル化されたデータ、および電圧レベルに関する情報に関するデータ収集ノードへの情報の送信
• アクティブモードまたは省電力モードへの切り替え
• ネットワーク上の別のデバイスで「透過チャネル」を開く

「トランスペアレントチャネル」について一言。 このモードに切り替えると、UARTインターフェイスを介して無線モジュールに送信されるすべての情報が、別の無線モジュールのUARTインターフェイスに送信されます。 このチャネルは双方向であり、ZigBeeテクノロジーの利点も継承します。ネットワークにルーターがある場合、「透過チャネル」のすべてのパケットが必要に応じて自動的に中継されるため、このような通信チャネルでデータ損失はありません。 このため、最大距離が数キロメートルの通信チャネルを編成することが可能です。

ZigBeeスタックのソフトウェア実装

標準のファームウェア機能では不十分な場合は、Silicon Labs-Ember ZNet PROのZigBeeソフトウェアスタックの実装を使用できます。 モジュールはEM357チップに基づいているため、標準ファームウェアから独自のアプリケーションの開発への移行には、デバイスのインサーキットデバッグとネットワークレベルでのアプリケーションのデバッグの両方が可能なISA3デバッガプログラマの購入のみが必要です。

右の図は、パッケージのパス上のデータとその復号化がどのように表示されるかの例を示しています。



アプリケーションの作成プロセスを簡素化するために、ZigBeeデバイスの選択された構成に対してアプリケーションフレームワークを生成し、開発者が必要なアプリケーションロジックを追加する必要がある機能を作成するアプリケーションビルダーが提供されます。

すべてのユーティリティはSimplicity Studioソフトウェアパッケージに含まれており、Ember ZNet PROスタックのデモバージョンも含まれています。 したがって、今すぐダウンロードして、どのように機能するかを確認できます。

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おわりに

この記事がZigBeeワイヤレステクノロジーの主な機能を理解するのに役立ち、どのアプリケーションを使用できるかを理解できることを願っています。 技術自体は完全にオープンであり、その仕様はすべてZigBeeアライアンスWebサイトからダウンロードできます。 また、クラスタの標準ライブラリは、毎日私たちを取り巻くデバイス（ホームオートメーションデバイス、セキュリティシステム、センサー機器など）間の相互作用の実際の言語です。

ご質問がある場合は、 メールで私に送信するか、コメントを書いてください。

PSテキストをマスターできなかった人のために、 ZigBeeテクノロジーを使用して紹介ビデオを見ることができます 。

記事一覧

1. ワイヤレスZigBeeネットワーク。 パート1 [入門]
2. ワイヤレスZigBeeネットワーク。 パート2 [ETRX35X無線モジュールの使用]