Технология развертывания локальных беспроводных радиосетей ZigBee в системах промышленной автоматизации и диспетчеризации

Что такое ZigBee

ZigBee/IEEE 802.15.4 – открытый глобальный стандарт локальных (персональных) беспроводных радиосетей в нелицензируемом частотном диапазоне. Основное предназначение этого, относительно нового для российского рынка средства организации радиоканала обмена данными, – построение беспроводных сетей объектов автоматизации и диспетчеризации.
Решением ГКРЧ от 19 августа 2009 г. № 09-04-07 (Приложение № 1) определена допустимая мощность для персональных радиосетей на основе технологии ZigBee (2400–2483, 5 МГц) в 100 мВт для использования внутри зданий, складских помещений и производственных территорий. Использование ZigBee (100 мВт) вне помещений определено для целей сбора информации телеметрии в составе автоматизированных систем контроля и учета ресурсов или систем охраны.
В отличие от сетей сотовой связи общего пользования, ZigBee,  также как Bluetooth и Wi-Fi, является персональной радиосетью  При этом, работая на относительно небольших скоростях,  ZigBee обеспечивает более высокую дальность передачи сигнала,  низкое энергопотребление, а также формирует самоорганизующуюся и самовосстанавливающуюся ячеистую (mesh) структуру покрытия Изначально, при разработке стандарта, ориентир ставился на системы охранно-пожарной сигнализации и управления инженерными сетями «умного дома», что предопределило невысокие скоростные характеристики передачи данных ZigBee устройств: на практике – порядка 40 кбит/с. Основной упор был сделан на малоеэнергопотребление, высокую надежность и безопасность, дальность передачи сигнала, а также возможность организации сложных сетевых структур. 

Применение ZigBee 

Стандарт ZigBee предназначен для объединения в единую локальную беспроводную сеть удаленных объектов промышленной автоматизации, управления, мониторинга и диспетчеризации  Сети ZigBee могут найти и уже находят применение во многих областях учета и телемеханики: автоматизация жилых и строящихся помещений, промышленное управление и мониторинг, жилищно-коммунальное хозяйство,  управление освещением, создание индивидуального диагностического медицинского оборудования, а также бытовая электроника и персональные компьютеры.Способность ZigBee сетей к масштабируемости без какого-либо вмешательства в работу устройств, быстрой переконфигурации сети по мере добавления в нее новых узлов, организации передачи данных через узлы-ретрансляторы с высокой степенью надежности, поддержке сложных сетевых топологий – все это открывает новые возможности для автоматизации и диспетчеризации удаленных объектов.

Топология «mesh» ZigBee сетей 

Главная особенность технологии ZigBee заключается в том, что она, при относительно невысоком энергопотреблении, поддерживает не только простые топологии беспроводной связи («точка-точка» и «звезда»), но и сложные беспроводные сети типа «кластерное дерево», а также ячеистую топологию (mesh) – с ретрансляцией и маршрутизацией сообщений. Для построения mesh-сетей используются два типа логических устройств ZigBee: «координатор» и «маршрутизатор». «Координатор» осуществляет формирование сети,  управление узлами, а также хранит информацию о настройках каждого узла, подсоединенного к сети; в локальной сети ZigBee используется только один узел-«координатор». К «маршрутизаторам» подключается оконечное оборудование данных (ООД); кроме того, они отвечают за выбор пути доставки сообщений между узлами сети, и также способны присоединять новые узлы.
При построении сети ZigBee с использованием «координатора» и «маршрутизаторов», реализуется полноценная mesh-сеть, в которой каждый узел сети участвует в процессе доставки данных и способен присоединять новые узлы.Доступ к узлам сети осуществляется через «координатор», под-ключаемый к управляющему компьютеру напрямую через COM-порт, либо через шлюзы (например, GSM или Ethernet).

Узел mesh-сети ZigBee 
Что же должны представлять собой узлы mesh-сети ZigBee? Каким образом должен выглядеть процесс построения сети и добавления новых узлов? Как осуществить стыковку диспетчерского программного обеспечения с интерфейсами ООД? Ответы на эти вопросы должны давать производители модемов – устройств связи для организации каналов передачи данных между ООД и диспетчерским ПО. Для успешного развертывания локальной беспроводной сети в системах учета или телемеханики, подобные устройства должны иметь:
- промышленное исполнение;
- поддержку режимов работы «маршрутизатор» и «координатор»;
- возможность организации доступа в mesh-сеть ZigBee через «координатор» напрямую с диспетчерского ПК, либо через Ethernet или GSM шлюз;
- стандартизированные интерфейсы подключения оконечного оборудования данных (ООД) и датчиков телесигнализации (ТС);
- коммуникационное серверное программное обеспечение для организации адресного доступа диспетчерского ПО к интерфейсам ООД и входам телесигнализации модема;
- программный комплекс для обеспечения процесса автоматизированного развертывания mesh-сетей ZigBee;
- комплект настроечных утилит для пуско-наладки и диагностики модема.
Рассмотрим подробнее технологию развертывания локальных беспроводных сетей на базе ZigBee модемов с учетом предъявляемых к ним требований.

Промышленные ZigBee модемы 

Итак, что же должны представлять собой узлы mesh-сети ZigBee? Это модемы в промышленном исполнении, построенные на базе ZigBee модулей, оснащенные последовательным интерфейсом подключения ООД, а также дискретными входами для подключения датчиков телесигнали-зации.

Построение сетей с топологией mesh предполагает использование модемов на базе полнофункциональных модулей ZigBee, поддерживающих режимы работы «координатор» и «маршрутизатор». Причем, для обеспечения максимально возможной дальности передачи сигнала и простоты развертывания сетей большого размера, необходимо использовать модули стандарта ZigBee Pro. Наличие стандартных последовательных интерфейсов подключения к ООД, входов телесигнализации для подключения 
охранно-по жарных датчиков, а также встроенный в модем адаптер первичного питания с поддержкой широкого диапазона питающих напряжений – позволит адаптироваться к практически любой структуре распределенной сети, разнородному парку объектов промышленной автоматизации, управления, мониторинга и диспетчеризации. Использование модемов в промышленных условиях выдвигает требования по исполнению устройства: крепление на DIN-рейку, RP-SMA соединитель со штыревой частью разъема для подключения внешней антенны, работа в широком температурном диапазоне.Наличие светодиодной индикации значительно облегчает процесс пуско-наладки оборудования,  
а также диагностику и устранение неисправностей в сети. Для обеспечения уверенного приема необходима внешняя ZigBee-антенна с высоким коэффициентом усиления и малым затуханием в кабеле. Она должна обеспечивать работу в условиях влажного помещения, иметь антивандальное исполнение и прочное крепление.

 Унификация интерфейсов 

В системах учета и диспетчеризации, как правило, необходимо обеспечить диспетчерскому программному обеспечению удаленный доступ к большому количеству объектов автоматизации: счетчикам, датчикам, контроллерам, регуляторам и т. п. То есть, по сути, организовать множество прозрачных каналов обмена данными «ООД – диспетчерское ПО». Такой канал представляет собой совокупность определенных элементов: «маршрутизатор» на стороне ООД, «координатор», шлюз доступа в сеть ZigBee с диспетчерского ПК, а также программный коммуникационный сервер.

Коммуникационное серверное программное обеспечение является обязательным связующим звеном между ZigBee модемами и диспетчерским ПО. Наличие у производителя модемов оригинального серверного ПО значительно упрощает процесс развертывания локальных беспроводных ZigBee сетей, позволяя не затрачивать время и ресурсы на создание собственного инструментария обмена данными с узлами сети.Подобная организация обмена данными между ООД и диспетчерским ПО предопределяет необходимость:
- Унификации интерфейсов на передающей и приемной сторонах канала:
   - на стороне узла учета – унификация интерфейсов подключения модемов к ООД: чаще всего речь идет о поддержке модемом самых распространенных типов     промышленных интерфейсов – RS-232 и RS-485;
  - на стороне диспетчерского пункта – унификация подключений коммуникационного серверного ПО к диспетчерским программным приложениям: стыковка по TCP- или COM портам.
- Организации доступа в сеть ZigBee с диспетчерского ПК:
   - соединение с «координатором» напрямую через COM-порт (RS-232);
   - либо доступ к «координатору» через локальную сеть предприятия по технологии Ethernet;

либо доступ к «координатору», подключенному к GPRS/EDGE модему, по сети Internet.
 Варианты доступа в mesh-сеть ZigBee 

Доступ в mesh-сеть осуществляется через узел – «координатор», и при реализации автоматизированного рабочего места в зоне покрытия ZigBee сети, «координатор» 
подключается непосредственно к ПК на диспетчерском пункте.Однако, при наличии нескольких mesh-сетей на ограниченной площади (например, в пределах завода или предприятия), «координаторы» каждой из них могут быть подключены к локальной сети предприятия для организации доступа в каждую из сетей из единого диспетчерского пункта.Объединение разрозненных mesh-сетей для управления и мониторинга географически распределенных систем учета из единого диспетчерского пункта по сети Internet, осуществляется с использованием каналов передачи данных сотовых сетей связи. Адресный доступ к модемам mesh-сетей ZigBee по GSM каналу осуществляется с помощью ZigBee/GSM шлюзов, реализованных, например, в виде соединенных между собой «координатора» и GPRS/EDGE модема. В этом случае, к GSM модемам предъявляются повышенные требования по организации надежного и безопасного канала связи с диспетчерским пунктом. Также необходимо обратить внимание на наличие поддержки коммуникационным серверным ПО одновременной работы с несколькими mesh-сетями, причем с возможностью организации различных вариантов доступа к «координаторам»: как напрямую через COM-порт диспетчерского ПК, так и путем шлюзования через Ethernet, либо сотовые сети связи – с помощью GSM модемов.

Программная поддержка процесса развертывания ZigBee сетей 

Основной причиной невысокой распространенности ZigBee решений на рынке промышленной автоматизации, на наш взгляд, является отсутствие поддержки процесса развертывания сетей. Сами-то радиомодули есть и продаются, но программная поддержка построения распределенных систем автоматизации и диспетчеризации 
на их основе в большинстве случаев отсутствует.Тем не менее, технология развертывания сети и добавлениеновых узлов должна быть представлена непосредственно производителями модемов – в виде программно-аппаратного комплексного решения «ZigBee модемы + программный коммуникационный сервер + технологические утилиты для тестирования и настройки» 

Задачей программного коммуникационного сервера является в общем случае:
- создание канала связи с «координатором» напрямую или через шлюзы (например, GSM или Ethernet);
- разрешение или запрет на добавление новых узлов в сеть (для предотвращения несанкционированного ввода в сеть новых устройств);
- сканирование ZigBee устройств в зоне покрытия;
- привязка конкретного модема, оснащенного уникальным идентификатором, к определенному узлу системы (модем ID№XXXXX = дом № 5, этаж 3);
- занесение обнаруженных в процессе сканирования модемов в конфигурацию программного коммуникационного сервера;
- поддержка диспетчерского программного обеспечения, работающего по TCP- или COM-портам;
- настройка адресного доступа диспетчерского ПО к интерфейсам подключенного к модемам ООД и охранно-пожарных датчиков; в отличие от широковещательного, адресный - доступ позволяет обеспечить оперативный обмен данными с ООД при минимизации времени доставки данных и нагрузки на сеть;
- вывод информации о состоянии подключений (контроль соединения на TCP-портах).

Заключение 

ZigBee – перспективный энергосберегающий стандарт локаль-ных беспроводных радиосетей, работающих в нелицензируемом частотном диапазоне. Передача данных с помощью ZigBee Pro модемов, на характерных для систем учета, диспетчеризации и телемеханики скоростях, осуществляет-ся на расстояния до 4 километров  в зоне прямой видимости.Для успешного развертывания самоорганизующихся и самовосстанавливающихся ячеистых (mesh) структур покрытия больших площадей с автоматической ретрансляцией передаваемых данных для систем учета или телемеханики, необходимо применять ZigBee Pro модемы, способные работатьв режимах «маршрутизатор» и «координатор». Промышленное исполнение модемов должно обеспечивать поддержку разнородного парка объектов за счет применения стандартизированных интерфейсов подключения ООД и датчиков телесигнализации. Полный автоматизированный цикл развертывания mesh-сетей ZigBee и организация прямого адресного доступа диспетчерского ПО ко всем узлам сети должна поддерживаться программным коммуникационным сервером, а также комплектом пуско-наладочных утилит. В случае невозможности организации автоматизированного рабочего места диспетчера в зоне покрытия ZigBee сети, а также при объединении разрозненных mesh-сетей для осуществления управления и мониторинга географически распределенных систем из единого диспетчерского пункта, необходимо предусмотреть возможность шлюзования через Ethernet, либо сотовые сети связи с помощью GSM модемов.

Размещено компанией Аналитик-ТС