ZigBee. Совместимость устройств, профили приложений, кластеры, конечные точки, привязки

Основное назначение сетей ZigBee – связь между устройствами в автоматизированных системах. Области применения сетей ZigBee – самые различные. Типы и назначение связываемых устройств – также весьма разнообразны. Связь может устанавливаться между выключателем и светильником в «умном доме», приборами учета и сервером сетевой обслуживающей компании, датчиком движения и пультом охраны. Возможно, просматривая этот топик, Вы, сами того не подозревая, пользуетесь сетью ZigBee – многие беспроводные мыши с USB адаптером 2,4 ГГц соответствуют ZigBee RF4CE specification.

В этом топике речь пойдет о регламентированных спецификацией ZigBee механизмах, обеспечивающих совместимость и взаимодействие устройств автоматики (приложений) через сеть ZigBee.
О построении и работе сетей ZigBee я писал в предыдущих топиках (можно посмотреть также здесь).

Очень коротко о «железе»

ZigBee совместимые устройства автоматики обычно поступают «сетестроителям» в готовом виде. В виде «умных» розеток и светильников, различных датчиков, приводов, измерительных приборов, IP (Wi-Fi, USB и т.п.) шлюзов, пультов управления, контроллеров и так далее. Впрочем, любители поработать с паяльником могут легко найти ZigBee чипы, и даже специальные наборы, чтобы подключить их к собственным устройствам, тем самым сделав эти устройства ZigBee совместимыми.
Из таких изделий, снабженных ZigBee устройствами, и строится любая автоматизированная система с беспроводной передачей данных по сети ZigBee. Как именно строится, зависит от поставленных задач. Чтобы построить ZigBee сеть между мышью и системным блоком, достаточно вставить адаптер в USB порт и «накормить» мышку батарейкой. Чтобы построить систему автоматизации интеллектуального здания, потребуются усилия проектной организации.

Библиотека кластеров ZigBee (ZCL)

Когда «железо» спроектировано, наступает момент программирования. И тут хорошим подспорьем становятся заложенные в спецификацию ZigBee встроенные механизмы.

Одной из главных целей разработки спецификации ZigBee было обеспечение совместимости устройств разных производителей. И такая совместимость обеспечивается на уровне приложений путем использования библиотеки кластеров ZigBee – ZigBee Cluster Library (ZCL).
Кластер подобен классу в объектно-ориентированном программировании и включает:
• описание стандартного устройства (светильника, диммера, счетчика);
• описание стандартных атрибутов этого устройства (включение/выключение, управление яркостью, показания счетчика);
• описание стандартных команд устройства (включить/выключить, установить уровень яркости, считать показания).
Каждый кластер состоит из двух связанных через сеть элементов – клиента и сервера. Связь между элементами кластера устанавливается привязкой, речь о которой пойдет ниже.

ZigBee сервер хранит значения атрибута, а ZigBee клиент дистанционно считывает или записывает значение этого атрибута. Например, стандартные устройства «лампочка» и «выключатель» могут функционировать как стандартный кластер «включить/выключить». При этом «лампочка» будет серверной частью кластера, хранящей значение атрибута «включено/выключено». А «выключатель» (клиент) будет дистанционно устанавливать значение атрибута.
ZigBee устройство может одновременно поддерживать несколько клиентских частей одних кластеров и серверных частей других. Например, «выключатель» может содержать еще и серверную часть кластера «конфигурация», с помощью которого будет получать информацию о режимах работы от конфигурирующего устройства.

Библиотека кластеров ZigBee
Библиотека ZCL содержит богатый набор стандартных кластеров, который постоянно пополняется. Для удобства пользования кластеры в библиотеке сгруппированы по функциональному признаку:
• общего назначения,
• работа с датчиками,
• управление освещением,
• управление вентиляцией,
• управление безопасностью
• и т.д.
В соответствии со спецификацией ZigBee PRO Feature Set пересылка сообщений в сетях ZigBee осуществляется только с использованием стандартных кластеров.

Приложения

Приложение – это, собственно, как раз то, ради чего и создавалась спецификация ZigBee. Приложения реализуют каналы связи между устройствами систем автоматизации и обеспечивают гарантированную и безопасную доставку пакетов. Каждое приложение определяется его профилем.

Профиль приложения – это совокупность настроек узлов сети (устройств ZigBee), обеспечивающая их совместную работу. Спецификация профиля определяет способы задания идентификационных параметров, режимы формирования сети, методы защиты данных, список используемых кластеров, конечные точки, привязки и т.д. Профиль может включать кластеры из разных функциональных групп библиотеки.
Для уникальной идентификации приложений каждому приложению выделяется идентификатор профиля.

Конечная точка определяет, через какой объект приложения из имеющихся в устройстве ZigBee реализуется данное приложение.
Например, в пульте дистанционного управления можно выделить конечную точку 10 для управления освещением в прихожей, конечную точку 25 для управления мультимедиа, а конечную точку 50 для управления отоплением. В результате пульт дистанционного управления сможет устанавливать независимую связь с соответствующими устройствами и различать пакеты, предназначенные для каждого приложения и каждого устройства.
В каждом устройстве ZigBee есть 240 объектов приложений, что позволяет создавать до 240 конечных точек – с первой по 240-ю. Нулевой объект – объект устройства ZigBee (ZD0), обеспечивающий управление самим устройством.

Привязка
Привязка программирует соединение между конечными точками – содержит адреса устройств и конечные точки клиента и сервера определенного кластера. Каждая привязка поддерживает соответствующий профиль приложения, и каждый тип сообщения определяется кластером в этом профиле.
Привязки создаются как между отдельными конечными точками, так и между их группами, которые имеют один и тот же идентификатор кластера, например, между светильниками и выключателями.
Привязка может быть прямой («привязка источника»). При этом адреса устройств и идентификаторы конечных точек всех приложений, с которыми запрограммировано взаимодействие, хранятся в исходном устройстве.
При косвенной привязке эти сведения могут храниться в выделенном для этих целей устройстве, которое поддерживает таблицу подстановки, соотносящую все конечные точки источников и получателей.