ZigBee-verkot ja evaluointilaitteen suunnittelu

In this thesis a closer look at ZigBee wireless network protocol was made and a ZigBee evaluation device was designed and built for testing it. ZigBee is a digital wireless network technology published in 2004, which was developed for wireless control and automation systems. It is based on the IEEE 802.15.4-2003 standard, and its aim was to create a reliable wireless networking protocol with secure data transmissions, low power consumption and low manufacturing costs. The low power consumption requirement has also led to a slow data rate and a short range, but in a ZigBee network individual network devices can route messages to each other, so short range is not a problem. In automation and control systems a fast data rate is not usually an important requirement either. ZigBee network can form automatically and one ZigBee network can theoretically include thousands of devices, all of which can communicate with each other. ZigBee network is also self-healing, so an individual device dropping out of the network, like breaking down, does not affect functionality of the network. Evaluation device was designed and implemented in four different versions, which were tested with six different antenna designs. All antennas were tested at a range of 100 meters in an open terrain using two different frequencies and transmission powers. Also a range test was performed for selected antennas using transmission power of 4,5 dBm, which was maximum power of the ZigBee chip used in the evaluation device. Range test resulted in a measured range of several hundred meters, which can be considered as a good result for a short-range technology.

Tässä diplomityössä perehdyttiin langattomaan ZigBee-verkkoprotokollaan ja sen ominaisuuksiin, sekä suunniteltiin ja toteutettiin evaluointilaite ZigBee:n testausta varten. ZigBee on vuonna 2004 julkaistu digitaalinen langaton verkkotekniikka, joka kehitettiin langattomia ohjaus- ja automaatiojärjestelmiä varten. ZigBee perustuu IEEE 802.15.4-2003 -standardiin ja sen tavoitteena oli luoda erittäin luotettavalla ja turvallisella tiedonsiirrolla varustettu langaton verkkoprotokolla, jolla on lisäksi pieni tehonkulutus ja alhaiset valmistuskustannukset. Alhaisen tehonkulutuksen saavuttamiseksi määrittelyssä on päädytty myös pieneen tiedonsiirtonopeuteen ja lyhyeen kantamaan. ZigBee-verkossa yksittäiset verkon laitteet voivat reitittää viestejä toisilleen, joten lyhyt kantama ei ole ongelma. Erilaisissa automaatio- ja ohjausjärjestelmissä myöskään suuri tiedonsiirtonopeus ei ole tärkeä vaatimus. ZigBee-verkko pystyy muodostumaan automaattisesti ja yhdessä ZigBee-verkossa voi teoriassa olla tuhansia laitteita, jotka kaikki voivat kommunikoida keskenään. Muodostunut verkko on myös itseparantuva, joten yksittäisten laitteiden tippuminen, eli käytännössä hajoaminen, ei haittaa muuta verkon toimintaa. Evaluointilaitteesta suunniteltiin ja toteutettiin neljä erilaista versiota, joilla testattiin kuutta erityyppistä antenniratkaisua. Antennit testattiin 100 metrin matkalla avoimessa maastossa kahdella eri taajuudella ja lähetysteholla, sekä osalle antenneista suoritettiin kantamatestit. Evaluointilaitteessa käytetyn ZigBee-piirin maksimilähetysteho oli 4,5 dBm, jolla saavutettiin satojen metrien kantama vertailutestin antenneilla, jota voidaan pitää hyvänä tuloksena lyhyen kantaman tekniikalle.