Goedkope draadloze sensoren volgens de ZigBee-standaard vormen robuuste, zelfhelende en goedkope controlenetwerken. De toepassingsmogelijkheden zijn enorm uitgebreid en variëren van thuisautomatisering tot intelligente straatverlichting. ZigBee speelt in op de groeiende behoefte aan draadloze sensoren, zowel op de thuis- als op de bedrijfsmarkt.
| Technische achtergrond Kloppend hart van elke ZigBee-sensor is een krachtige fysieke radio die functioneert volgens de IEEE 802.15.4 specificatie. Wereldwijd is de 2,4 GHz ISM radioband beschikbaar voor gebruik door ZigBee. Die band biedt zestien zend- en ontvangstkanalen en een maximale doorvoersnelheid van 250 kbit/s, met terugvalsnelheden tot 40 en 20 kbit/s. In Europa is ook de 868 MHz radioband beschikbaar, maar die biedt slechts één kanaal en een beperktere doorvoersnelheid van 20 kbit/s. De IEEE 802.15.4-compatibele radio in ZigBee-sensoren wordt aangedreven door een zeer energiezuinige en goedkope 8-bit microcontroller (bijvoorbeeld een 80c51). Afhankelijk van de toepassing kan een dergelijke module het jarenlang uithouden op slechts twee AA-batterijen. Aan de IEEE 802.15.4-specificatie voegt de ZigBee-standaard logische netwerk-, beveiligings- en applicatielagen toe. Bekijken we ZigBee volgens het OSI-model, dan beantwoorden de fysieke en datalinklagen volledig aan de IEEE 802.15.4-specificatie. De lagen 3, 4, 5 en 6 (netwerk, transport, sessie en presentatie) worden ingevuld door de bepalingen van het ZigBee-platform. De applicatielaag ten slotte kan door een OEM worden ingevuld, hoewel ZigBee ook een aantal applicaties definieert. Een netwerk van ZigBee-sensoren bestaat uit maximaal 65.536 nodes (sensoren) met minstens één PAN (Personal Area Network)-coördinator (vergelijkbaar met een AP of Access Point in een WiFi-netwerk). Behalve volgens een mesh (maas)-netwerkconfiguratie kunnen ZigBee-netwerken ook gebouwd worden in ster- of clusterboom-configuraties. De mesh-configuratie verdient de voorkeur omwille van zijn grote robuustheid en eenvoudige installatie. ZigBee-modules zijn snel genoeg om ze in te zetten voor tijdskritieke toepassingen. Typisch volstaan 30 milliseconden om een module toe te laten tot het ZigBee-netwerk. Een module in rusttoestand heeft niet meer dan 15 ms nodig om opnieuw actief te worden. |
ZigBee maakt draadloze sensorennetwerken robuust door in elke module de radio-ontvanger, de netwerkprocessor en het geheugen in te bouwen. ZigBee-sensoren of -modules zijn eigenlijk kleine draadloze computertjes met een volwaardige processor. De theorie achter ZigBee bestond al langer, maar omdat er vandaag goedkopere chips en krachtigere miniprocessoren op de markt zijn, kan de theorie ook in de praktijk worden gebracht. De eerste versie van de ZigBee-standaard werd eind vorig jaar goedgekeurd door de ZigBee Alliance, een consortium van meer dan honderd bedrijven, geleid door onder andere Honeywell, Philips, Motorola, Mitsubishi en Samsung.
Zodra een ZigBee-sensor wordt ingeschakeld, gaat hij volautomatisch op zoek naar andere sensoren in de buurt. Zo ontstaat een zelfvormend en zelfcorrigerend fijnmazig controlenetwerk (“mesh network”) waarmee grote afstanden kunnen worden overbrugd, zonder dat er punt-naar-puntverbindingen hoeven te worden gelegd.
Een ZigBee-netwerk werkt ongeveer zoals het internet. Elke boodschap van een draadloze sensor probeert zelfstandig zijn weg te vinden door het netwerk. Daarom is een ZigBee-netwerk erg robuust. Elke sensor probeert te communiceren met minstens twee andere sensoren. Vallen er sensoren uit, dan blijft het controlenetwerk toch nog functioneren.
Drukke radioband
ZigBee-netwerken functioneren in dezelfde drukke 2,4 GHz ISM (Industrial, Scientific, Medical)-radioband die wordt gebruikt door WiFi, Bluetooth, medische apparatuur en zelfs magnetrons (zie kader). ZigBee-sensoren houden echter rekening met de drukte op die band. Interferentie is uitgesloten door de gebruikte technologie, hot channel swapping geheten. Als er bijvoorbeeld opeens een WiFi-zender begint uit te zenden, migreren de modules onmiddellijk naar een andere frequentie. Stoorzenders worden dus gewoon ontweken, zodat het netwerk stabiel blijft. In Europa mag ZigBee ook werken in de 868 MHz band, terwijl in Amerika de 915 MHz band beschikbaar is. Deze beide banden bieden echter minder kanalen en een kleinere doorvoersnelheid en zijn dus alleen bedoeld voor heel specifieke toepassingen.
Elke module heeft een gemiddeld bereik van dertig tot zestig meter binnenshuis en driehonderd meter buitenshuis. Het aantal sensoren of modules in één netwerk is bijna onbeperkt: ZigBee-netwerken kunnen bestaan uit duizenden draadloze sensoren die allemaal vanaf een centrale locatie worden bestuurd en gecontroleerd. Dergelijke netwerken kunnen honderden meters tot zelfs enkele kilometers overbruggen.
Veiligheid
Draadloze controlenetwerken mogen dan al de natte droom zijn van iedereen die te maken heeft met automatisering, hoe zit het echter met de veiligheid? Wat weerhoudt terroristen of dieven er bijvoorbeeld van op afstand draadloze beveiligingen uit te schakelen of in de war te sturen? Dat is volgens de ZigBee Alliance uitgesloten, omdat de standaard is ontworpen met de veiligheid in het achterhoofd. Alle communicatie tussen de sensoren is versleuteld met 128 bit AES-encryptie (AES is de officiële standaardenbenaming voor de supersterke Rijndael-encryptie die werd bedacht door twee Belgische wetenschappers).
Iemand die inbreekt op het ZigBee-controlenetwerk kan de datastroom wel zien, maar hem niet ontcijferen. Ook het sturen van valse boodschappen om het netwerk in de war te sturen is onmogelijk. Als een berichtje later wordt uitgestuurd, dan zullen de andere ZigBee-modules dat merken en de boodschap verwerpen.
De ZigBee Alliance gelooft dat deze dubbele beveiliging nog jarenlang stand zal houden. Als het moet, kan de standaard in de toekomst gemakkelijk worden uitgebreid met een nog sterkere vorm van encryptie.
Toepassingen
Volgens het Amerikaanse onderzoeksbureau Frost & Sullivan zullen er de komende tien jaar in elk gebouw gemiddeld tussen de honderd en honderdvijftig draadloze sensoren worden geïnstalleerd.
De grote behoefte aan betaalbare draadloze controle- en stuurnetwerken voor al die sensoren wordt het best geïllustreerd aan de hand van een concreet voorbeeld. Het vullen en controleren van minibars in hotelkamers is zeer arbeidsintensief. In sommige hotels is dit geautomatiseerd. De minibars kunnen vanuit een centrale locatie worden geopend en gesloten. Sensoren registreren of een klant een drankje of snack uit de minibar neemt. In bestaande gebouwen is het echter niet altijd mogelijk om de benodigde bekabeling te leggen. Kabels zijn bovendien duur en niet flexibel: bij verbouwingen liggen de aansluitpunten niet altijd op de gewenste plaats. Dankzij ZigBee is het voortaan mogelijk om de minibars draadloos met elkaar te verbinden en centraal te controleren en te besturen.
Het Belgische bedrijf Ubiwave, lid van de ZigBee Alliance, ontwikkelde een draadloze ZigBee-controlemodule die onder andere in een minibar kan worden ingebouwd en deze volautomatisch omtovert tot een node in een draadloos controlenetwerk. De ZigBee-modules van Ubiwave worden in Nederland gedistribueerd door Sensor Data in Rijswijk.
Compact
ZigBee-sensoren zijn doorgaans zeer compact, zodat ze overal discreet kunnen worden geïntegreerd. De eerste generatie Zigbee-sensoren van Ubiwave meten bijvoorbeeld zes bij vier centimeter, maar zullen in de toekomst nog kleiner worden. In de afmetingen is alles inbegrepen, ook de antenne. Omdat elektriciens de sensoren moeten kunnen installeren, functioneren ze heel eenvoudig. Er zit maar één ledje op dat rood kleurt als er geen contact is met een andere sensor, oranje als één andere sensor is gevonden en groen wanneer er contact is met minstens twee andere sensoren. ZigBee-sensoren verbruiken zeer weinig stroom en kunnen, afhankelijk van de concrete toepassing, soms jarenlang op één batterijlading functioneren.
De toepassingen voor ZigBee zijn legio. Denk bijvoorbeeld aan het uitlezen van gas-, water- en elektriciteitslezers. Als die in een fijnmazig, centraal bestuurd controlenetwerk worden geplaatst, kost het uitlezen ervan veel minder tijd en dus minder geld.
Of denk aan de straatverlichting. De enige manier om nu te controleren of een straatlamp goed werkt, is ze visueel te controleren. Maar als in elke armatuur een ZigBee-module wordt ingebouwd, is het mogelijk op afstand te controleren of een lamp nog in orde is. Bovendien kan men dan de straatverlichting centraal uitschakelen of dimmen.
Een concreet project van Ubiwave is bijvoorbeeld de automatisering van waarschuwingsverlichting in een niet nader genoemde Belgische haven. Sensoren lezen de windsterkte uit en zetten bij storm een alarm in werking waardoor over het gehele haventerrein automatisch de waarschuwingsverlichting wordt aangestoken. In dit concrete project kan niet met kabels worden gewerkt omwille van de hoge kosten en de kwetsbaarheid van de bekabeling.
Thuisautomatisering
De professionele ZigBee-sensoren van Ubiwave kosten tussen de 200 en de 300 euro, afhankelijk van de toepassing. ZigBee is echter ook en misschien vooral bedoeld voor toepassingen in huis, zoals beveiliging, bediening op afstand of thuisautomatisering.
| Webinformatie IEEE 802.15 WPAN Task Group 4: http://www.ieee802.org/15/pub/TG4.html ZigBee Alliance: http://www.ZigBee.org Ubiwave: http://www.ubiwave.com Sensor Data: http://www.sensordata.nl |
Het is de bedoeling dat de ZigBee-sensoren voor de thuismarkt eenvoudig kunnen worden gekoppeld aan bestaande toepassingen voor thuisautomatisering. Een alarmcentrale zou dan bijvoorbeeld achteraf nog kunnen worden uitgerust met draadloze sensoren die functioneren volgens de ZigBee-standaard. De uiteindelijke bedoeling is dat de gebruiker alle ZigBees in huis kan bedienen en controleren vanaf zijn pc of met een speciale afstandsbediening. Die ene afstandsbediening zal dan bijvoorbeeld ook dienen om de met ZigBee uitgeruste dvd-recorder of hifi-installatie te bedienen. Omdat het draadloos en niet met infrarood werkt, hoeft de gebruiker ook niet in de buurt te blijven van het te bedienen apparaat. De eerste ZigBee-toepassingen voor thuisgebruik komen nog dit jaar op de markt.
ZigBee in vergelijking met Bluetooth en WiFi
ZigBee kent technisch vele overeenkomsten met WiFi (IEEE 802.11x) en Bluetooth. Deze drie draadloze netwerken functioneren in dezelfde licentievrije 2,4 GHz ISM-radioband en gebruiken vergelijkbare netwerkprotocollen. ZigBee is echter specifiek bedoeld voor toepassingen waar lage kosten, een hoge inzetbaarheid en een zeer eenvoudige installatie belangrijk zijn. Om de kosten en het energieverbruik te drukken biedt ZigBee een veel lagere doorvoersnelheid dan Bluetooth of WiFi. Voor controletoepassingen is een grote bandbreedte immers minder essentieel. Verder kan een ZigBee-netwerk uit enorm veel nodes (modules) bestaan, terwijl dat bij Bluetooth en WiFi eerder beperkt is. Onderstaande tabel toont de belangrijkste verschillen en gelijkenissen tussen deze drie draadloze netwerksystemen:
