ZigBee v praxi: první zkušenosti s novou bezdrátovou technikou

ZigBee v praxi: první zkušenosti s novou bezdrátovou technikou

Ondřej Hynčica, Pavel Kacz, Zdeněk Bradáč, Petr Fiedler

Článek informuje o výsledcích získaných při prvních orientačních měřeních přenosových parametrů rádiového pojítka pro přenos dat podle standardu IEEE 802.15.4/ZigBee v budovách. Měření byla provedena v rámci výzkumných programů řešených pracovníky ústavu automatizace a měřicí techniky Fakulty elektrotechniky a komunikačních technologií Vysokého učení technického v Brně (UAMT FEKT VUT). Měřilo se v prostorách ústavu v nové budově fakulty v Kolejní ulici v Brně, přičemž cílem bylo zjistit vliv typické současné stavební konstrukce a jejích prvků a použitých materiálů (např. železobetonové konstrukce, zdiva z pálených cihelných materiálů a sádrokartonové příčky) na komunikační kanál. Jako problematické materiály z hlediska prostupu vysokofrekvenčních radiových signálů se jeví zejména železobeton a sádrokarton. Stručně jsou také uvedena určitá zjištění týkající se závislostí mezi rádiovými pojítky podle standardů ZigBee, Bluetooth a Wi-Fi.

1. Úvod

Mezinárodní komunikační standard ZigBee [1], ačkoliv je zatím používán v praxi jen minimálně, již lze počítat mezi uznávané standardy. Hodně pozornosti ke standardu ZigBee přitahují zejména velká očekávání. Protože ale neexistují šířeji používaná řešení anebo produkty, a tudíž ani žádné rozsáhlé zkušenosti, vyvstává mnoho otázek. Mezi první otázky vždy patří dotazy na základní vlastnosti rádiového přenosu – jaký má dosah a jak je spolehlivý a rychlý.

Obr. 1. Modul XBee (foto Max Stream)
Obr. 2. Modul s PAN4450 (foto UAMT)

Dodavatelé při očekávání úspěchu standardu ZigBee vycházejí z unikátního řešení rádiového pojítka s malou spotřebou a velkou spolehlivostí. Standard ZigBee jako taková však toto pojítko pouze využívá, konkrétně jako svou fyzickou a linkovou vrstvu podle standardu IEEE 802.15.4 [4]. Přesto je znalost parametrů rádiového pojítka klíčová pro to, aby bylo možné o standardu ZigBee získat reálnou představu.

V článku jsou na základě reálných měření ukázány některé vlastnosti rádiového pojítka tvořícího základ standardu ZigBee jako takového, a to především schopnost šíření jeho signálu v prostředí moderních budov.

2. Rádiové pojítko ZigBee

Při měřeních byly použity dva různé typy modulů, oba využívající rádiový čip od firmy Freescale řady MC13192 [6], a to moduly XBee od firmy Max Stream [7] a moduly typu PAN4450 od firmy Panasonic [8] – viz tab. 1.

Tab. 1. Základní vlastnosti modulů XBee a PAN4450 deklarované výrobci (zdroj [7], [8])

Moduly s hybridním čipem PAN4450 byly sestaveny v UAMT (obr. 1) a moduly XBee vyrábí firma Max Stream (obr. 2). Moduly XBee jsou sice rozměrově menší, avšak překvapivě mají významně vyšší spotřebu. Moduly XBee-Pro jsou na rozdíl od standardních modulů XBee a PAN4450 vybaveny výstupním vysokofrekvenčním zesilovačem, umožňujícím pracovat s vysílacím výkonem až 60 mW (maximálně 100 mW), a nízkošumovým vysokofrekvenčním zesilovačem na přijímací straně rádiového pojítka, umožňujícím dosáhnout vstupní citlivosti až –100 dBm.

3. Dosah

Běžně udávaný dosah standardních zařízení podle standardu ZigBee je 30 až 70 m. Tyto údaje ovšem zpravidla platí pro komunikaci ve volném prostoru bez překážek. Uvnitř budov efektivní dosah významně klesá z důvodu existence odrazů a útlumu na překážkách.

Obr. 3. Měření dosahu pojítka ZigBee v patře budovy

Konkrétní měření dosahu popsaná v tomto článku byla dlouhodobě vykonávána v prostorách UAMT FEKT VUT v Brně v areálu Kolejní 4. Jde o novou moderní kancelářskou budovu vyznačující se stavebními prvky charakteristickými pro moderní kancelářské budovy a současnou městskou architekturu. Budova poskytuje možnosti měření nejen v ryze kancelářském prostředí, ale také v prostředí blízkém laboratorním prostorám či lehké montáže nebo výroby.

Dlouhodobá měření byla prováděna v kancelářských prostorách tvořených navzájem sousedícími místnostmi o rozměrech asi 3,5 × 3,5 m. Příčky oddělující jednotlivé místnosti jsou většinou sádrokartonové, některé jsou však zděné z páleného cihelného materiálu. V uvedených prostorách je v praxi použitelná vzdálenost mezi dvěma zařízeními podle standardu ZigBee asi 15 m, přičemž komunikace probíhá přes tři příčky (tj. přes dvě místnosti). Tyto výsledky jsou charakteristické pro standardní moduly s vysílacím výkonem 0 dBm (1 mW) a běžnými prutovými všesměrovými anténami se ziskem 0,5 dB. Při použití modulů XBee-Pro osazenými výkonovým vysokofrekvenčním zesilovačem s vysílacím výkonem až 18 dBm (60 mW) bylo dosaženo spolehlivého spojení téměř po celém patře, tj. do vzdálenosti asi 50 m, přičemž rádiový signál procházel přes patnáct příček. Uváděné dosahy odpovídají maximální povolené četnosti výskytu chyb při přenosu na úrovni do 20 % nedoručených paketů. Pro lepší představu jsou na obr. 3 uvedeny plány pátého nadzemního patra budovy, kde se měřilo, s vyznačenou základnovou stanicí a osmi přijímacími stanovišti spolu s výsledky měření.

Obr. 4. Útlum signálu vlivem násobného příjmu (multipath effect)

Při měření v přízemí budovy s betonovými zdmi o tloušťce 45 cm byly naměřeny dosahy výrazně kratší. Zde platí, že běžné zařízení podle ZigBee dokáže navázat a udržet spojení přes jednu železobetonovou zeď, tj. do sousední místnosti, přičemž dosah v místnosti za touto zdí je jen asi 5 až 6 m. Tedy naměřený celkový dosah mezi zařízeními oddělenými jednou železobetonovou zdí byl přibližně 10 m.

Ačkoliv tyto výsledky nejsou na první pohled nijak ohromující, je zřejmé, že i při použití standardních zařízení podle ZigBee s výkonem 1 mW lze v moderní budově realizovat bezdrátovou síť. Standard ZigBee má být sice určen pro realizaci rozsáhlé sítě s velkým počtem zařízení, ovšem je zřejmé, že při použití v budovách, kde jsou dosahy krátké, bude k realizaci rozlehlejší sítě nutné mnohdy používat zařízení schopná realizovat funkci směrovače. Zmíněné zkoušky jsou podrobněji popsány ve [2].

Dalším zajímavým poznatkem je vliv odrazů na kvalitu přenosu. Při šíření vln na frekvencích 2,4 GHz dochází k odrazům od překážek a k jejich následnému několikanásobnému příjmu (tzv. multipath effect). Protože odražené vlny jsou zpožděny oproti signálu šířenému po přímé trase, dochází na přijímači k interferenci a k následnému poklesu úrovně přijatého signálu (obr. 4).

Obr. 5. Úroveň přijímaného signálu v závislosti na vysílacím výkonu (vlivem odrazů)

Uvedený jev může mít zajímavý účinek. Vlivem odrazů může nastat situace, že vyšší hodnoty vysílacího výkonu přinesou pokles kvality přijímaného signálu. Rádiová pojítka ZigBee obecně mají možnost měnit nastavení vysílacího výkonu, čehož lze využít k optimalizaci dosahu. Překvapivým zjištěním je, že zvýšení kvality příjmu, a tedy prodloužení dosahu, je možné v některých případech dosáhnout zmenšením výstupního výkonu. Takováto situace je doložena výsledky měření znázorněnými na obr. 5, kde na ose x je vynesen nastavený vysílací výkon a na ose y úroveň přijímaného signálu. Je patrné, že zvýšení vysílacího výkonu v některých případech nevede ke zvýšení kvality přijímaného signálu, ale naopak kvalitu signálu snižuje.

Zmíněný účinek odrazů se projevil pouze při zkouškách v malých kancelářských místnostech UAMT. Při měřeních ve větších místnostech nebyl tento jev zaznamenán.

Významný vliv na šíření signálu má přítomnost překážek. Přestože je přímá spojnice antén vysílače a přijímače volná, je nezbytné, aby v okolí této spojnice byl dostatek volného místa, přičemž zmíněným okolím je v daném případě tzv. první Fresnelova zóna [9]. Pokud není tato oblast volná, dochází vždy k útlumu signálu. Fresnelova zóna má tvar rotačního elipsoidu (obr. 6), nejmenší přípustnou vzdálenost překážky od přímé spojnice komunikujících zařízení lze určit podle vztahu

r₁ = Ö[(ld₁d₂)/D]          (1)

kde r₁ je poloměr první Fresnelovy zóny v dané vzdálenosti, l vlnová délka (12,5 cm pro 2,4 GHz), D vzdálenost mezi přijímačem a vysílačem, d₁, d₂ vzdálenost překážky od přijímače, popř. vysílače (viz obr. 6).

Obr. 6. Stanovení první Fresnelovy zóny

Při vzdálenosti přijímače a vysílače 10 m vychází průměr volného prostoru asi 1 m.

V blízkosti antény platí, že by kolem ní měl být volný prostor až do vzdálenosti minimálně h podle vztahu

h = (2L²)/D          (2)

kde L je největší rozměr antény.

Nachází-li se v blízkosti antény, a to v libovolném směru, nějaký objekt (zvláště elektricky vodivý), je vyzařovací charakteristika antény deformována a vznikají tzv. stíny. V případě půlvlnné antény (5,8 cm) je minimální přípustná vzdálenost objektu od antény asi 6 cm.

4. ZigBee a ostatní pojítka pásmu 2,4 GHz

Volné pásmo ISM 2,4 GHz (ISM – Industry, Science, Medical) je již běžně využíváno vedle ZigBee také jinými komunikačními standardy. Mezi nejznámější patří Bluetooth a Wi-Fi. Na úvod je třeba říci, že autoři během popisovaných měření neuskutečnili žádná přesná měření vlivu vzájemného rušení. Tato měření se v současné době připravují. V úvodní fázi měření bylo pouze vyzkoušeno současné použití ZigBee, Bluetooth a Wi-Fi. Při těchto předběžných testech nebyl na straně pojítka ZigBee zaznamenán žádný zásadní vliv. Nicméně měřitelný vliv lze zejména při nižších úrovních přijímaného signálu vysledovat. Výsledek těchto pozorování je znázorněn na obr. 7, kde je pro různé kanály ZigBee znázorněna úspěšnost přenosu paketu při současném provozu v tomtéž prostředí dvou sítí Wi-Fi na dvou různých kanálech. Standard Wi-Fi používá kanály o šířce 22 MHz (šířka kanálu ZigBee je 3 MHz). Kanály obsazené Wi-Fi (5 a 13) svou střední frekvencí odpovídají zobrazeným kanálům ZigBee, tj. kanálům 5 až 6 a 14 až 15. Vysílací výkon zařízení podle ZigBee byl v tomto případě nastaven velmi malý, na hodnotu –8,8 dBm. Při větších vysílacích výkonech zařízení podle ZigBee nebyl již tento pokles patrný.

Obr. 7. Podíl úspěšně přijatých paketů ZigBee za přítomnosti pojítka Wi-Fi (při nízké úrovni signálu ZigBee)

5. Souhrn

Výsledky měření popsaných v článku dokumentují efektivní dosah standardních zařízení podle standardu IEEE 802.15.4/ZigBee v budovách. Z provedených zkoušek vyplývá, že efektivní dosah tohoto pojítka v současných běžných kancelářských budovách je 12 až 15 m, přičemž komunikace může probíhat přes dvě až tři stavební příčky. S využitím větších vyzařovacích výkonů (s vysokofrekvenčními zesilovači a nebo se směrovými anténami s větším ziskem) lze mezi jednotlivými zařízeními podle ZigBee dosáhnout řádově většího dosahu. Zkoušky také ukázaly významný vliv odrazů na kvalitu komunikace. Předběžné zkoušky vlivu souběžně provozovaných zařízení podle Bluetooth a Wi-Fi ve stejném pásmu ISM dávají tušit, že sítě podle standardu ZigBee nebudou těmito současnými metodami rádiového přenosu dat významně rušeny, a že jejich koexistence s pojítky podle ZigBee je reálně možná.

Poděkování
Měření popsaná v článku byla provedena za podpory grantů Grantové agentury ČR č. GA 102/03/1097 a č. GA 102/05/0663, výzkumného záměru MSM 0021630503 financovaného Ministerstvem školství, mládeže a tělovýchovy ČR a projektem FT-TA2/095 financovaným Ministerstvem průmyslu a obchodu ČR.

Literatura:
[1] BRADÁČ, Z. – FIEDLER, P., – HYNČICA, O.: Design of ZigBee Device. In: Proceedings of WSEAS ACMOS 2005, Prague.
[2] HYNČICA, O. – BRADÁČ, Z. – FIEDLER, P.: Test Framework for ZigBee. In: Ceepus 2005 Summer School, Brno.
[3] CROSS, P.: Zeroing in on ZigBee. Circuit Cellar, 2005, 175.
[4] IEEE Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks (LR-WPANs). IEEE Standard 802.15.4-2003, 2003.
[5] ZigBee Specification 1.00. ZigBee Alliance, 2004.
[6] Simple Media Access Controller, User Guide. Freescale Semiconductor, 2005.
[7] XBee/XBee-Pro OEM RF Modules, Product Manual v1.0. Max Stream, 2005.
[8] ZigBee-Ready PAN 4450 Datasheet. Panasonic, 2005.
[9] Fresnel zone definition. Dostupné na http://en.wikipedia.org/wiki/Fresnel_zone

Ondřej Hynčica, Pavel Kacz,
Zdeněk Bradáč, Petr Fiedler,
UAMT FEKT VUT Brno
(bradac@feec.vutbr.cz)

Autoři jsou členy Skupiny průmyslové automatizace (Skupra), činné v ústavu automatizace a měřicí techniky Fakulty elektrotechniky a komunikačních technologií Vysokého učení technického v Brně. Skupina působí především v oblasti automatizace strojů, výrobních linek a technologických procesů a zčásti také technických zařízení budov a domácností. Od toho se odvíjí i celková povaha činnosti členů skupiny, kteří se nyní zaměřují zejména na problematiku řízení v reálném čase a související metody přenosu dat v průmyslu.