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Componenti della rete Zigbee

ZigBee: come End Device, router e coordinatore collaborano per creare un sistema di comunicazione stabile ed efficiente.
ZigBee: come End Device, router e coordinatore collaborano per creare un sistema di comunicazione stabile ed efficiente.
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Quando parliamo dei componenti di una rete ZigBee, ci troviamo di fronte a una tecnologia molto versatile. Progettata per dispositivi a basso consumo energetico che richiedono comunicazioni a breve e medio raggio. In questo contesto, esistono tre principali tipi di dispositivi che collaborano per formare una rete efficiente: dispositivi terminali (End Device), coordinatore ZigBee e router ZigBee. Ognuno di essi svolge un ruolo specifico e garantisce una comunicazione fluida e una copertura ottimale della rete. In questa lezione ci occuperemo di visionare ognuno di questi componenti.

End device

I dispositivi terminali, spesso chiamati End Device, sono gli elementi finali della rete ZigBee. Si tratta di dispositivi che non partecipano al routing del traffico di rete. Si limitano a inviare e ricevere dati.

Questi dispositivi sono tipicamente sensori, attuatori o controller che svolgono funzioni specifiche come monitorare l'ambiente, controllare luci o attivare motori. In altre parole, gli end device raccolgono informazioni dall'ambiente, o eseguono comandi specifici, e le inviano al coordinatore o ai router della rete.

Gli end device svolgono funzioni molto importanti nella rete ZigBee. Ad esempio, raccolgono dati dall'ambiente circostante come temperatura, umidità o movimento. Inviano inoltre queste informazioni al coordinatore o ai router.

In alternativa, possono anche eseguire comandi che ricevono da questi dispositivi. Come accendere o spegnere una luce, attivare un sistema di riscaldamento o aprire una porta. Questi dispositivi, dunque, fungono da collegamento tra l’ambiente fisico e la rete ZigBee. Trasmettendo dati utili al coordinatore che poi li elabora o li utilizza per prendere decisioni.

End device e risparmio energetico

Una delle caratteristiche più importanti degli end device ZigBee è la loro capacità di operare a basso consumo energetico. Molti di questi dispositivi sono alimentati a batteria e possono rimanere in modalità sleep per la maggior parte del tempo, risvegliandosi solo quando necessario. Ad esempio per inviare o ricevere dati.

Questa modalità di funzionamento consente di ridurre notevolmente il consumo energetico. Rendendo ZigBee una scelta ideale per applicazioni in cui la durata della batteria è un fattore critico. Un esempio pratico potrebbe essere quello dei sensori wireless installati in punti difficili da raggiungere, come nei soffitti o all’esterno di edifici.

Gli End Device, come accennato, non comunicano direttamente tra loro. Inviano i dati a un router ZigBee o al coordinatore ZigBee, a seconda della topologia della rete. Una volta completata la trasmissione, possono tornare in modalità sleep per risparmiare energia. Questo tipo di comunicazione indirizzata consente agli end device di essere molto efficienti dal punto di vista dei consumi, poiché non devono gestire il routing dei pacchetti per altri dispositivi. Si limitano invece a svolgere la loro funzione specifica e a comunicare con il coordinatore o i router della rete.

Coordinatore ZigBee

Il coordinatore ZigBee è il componente più cruciale di qualsiasi rete ZigBee. Funge infatti da centro nevralgico per la gestione e il funzionamento dell'intero sistema. Senza la presenza del coordinatore, la rete non potrebbe esistere né operare correttamente poiché questo dispositivo svolge numerose funzioni fondamentali per garantire la comunicazione efficiente tra i vari dispositivi connessi.

A differenza degli altri componenti della rete, come i router e gli End Device, il coordinatore è responsabile della creazione, della gestione e del mantenimento della rete, nonché della gestione della sicurezza e della sincronizzazione dei dispositivi.

Quando viene attivato per la prima volta, il coordinatore ZigBee crea una nuova rete ZigBee. Questo processo coinvolge diverse fasi chiave. Innanzitutto, il coordinatore seleziona un canale di comunicazione tra quelli disponibili. ZigBee opera su diverse bande di frequenza, tra cui la più comune è la banda a 2.4 GHz. Ma sono utilizzate anche bande a 868 MHz e 915 MHz. Il canale scelto dal coordinatore è importante perché deve minimizzare le interferenze con altre reti o dispositivi che operano su frequenze simili, come reti Wi-Fi o Bluetooth.

Oltre a selezionare il canale, il coordinatore assegna un PAN ID (Personal Area Network Identifier). Identificativo univoco che permette ai dispositivi all'interno della rete di riconoscere di far parte dello stesso gruppo. Il PAN ID è un elemento fondamentale per evitare sovrapposizioni con altre reti ZigBee che potrebbero operare nelle vicinanze, garantendo così un sistema di comunicazione chiaro e senza interferenze. Una volta creato il canale di comunicazione e assegnato il PAN ID, il coordinatore è pronto per permettere ad altri dispositivi di unirsi alla rete.

I device come router ed End Device devono "registrarsi" con il coordinatore. Esso assegna loro un indirizzo di rete univoco. Questo processo di registrazione e indirizzamento è automatico e viene gestito completamente dal coordinatore.

Router ZigBee

I Router ZigBee fungono da intermediari tra il coordinatore ZigBee e i dispositivi terminali. Estendendo la portata della rete e garantendo la comunicazione tra dispositivi che non sono in grado di comunicare direttamente con il coordinatore. I router sono essenziali in reti di grandi dimensioni o in ambienti con ostacoli fisici che possono disturbare il segnale. Di seguito le caratteristiche principali dei router ZigBee:

  1. Instradamento dei dati:

    • Come suggerisce il nome, il compito principale del router ZigBee è instradare i pacchetti di dati tra i vari dispositivi della rete. Se un dispositivo terminale non è in grado di comunicare direttamente con il coordinatore a causa della distanza o di ostacoli, il router trasmette i dati tra il dispositivo e il coordinatore.
    • Questo è particolarmente utile in reti mesh, dove i dati possono viaggiare attraverso percorsi alternativi per raggiungere la destinazione, migliorando la resilienza della rete.
  2. Espansione della rete:

    • I router consentono di estendere la copertura della rete ZigBee. In una rete a stella, i dispositivi devono essere entro il raggio d'azione del coordinatore. In una rete a maglia i router permettono invece di collegare dispositivi che altrimenti sarebbero fuori portata.
    • Ogni router agisce come un nodo che consente ai dispositivi più lontani di comunicare con il coordinatore, creando una rete molto più ampia e flessibile.
  3. Funzionamento continuo:

    • A differenza dei dispositivi terminali, che possono entrare in modalità sleep per risparmiare energia, i router ZigBee devono essere operativi in modo continuo. Questo perché potrebbero essere necessari per inoltrare i dati di altri dispositivi in qualsiasi momento.
    • Questo fa sì che i router siano spesso alimentati tramite rete elettrica invece che a batteria.
  4. Funzioni di sicurezza:

    • I router ZigBee supportano la crittografia e l’autenticazione dei dati. Possono ricevere messaggi cifrati dai dispositivi e garantire che la comunicazione sia sicura mentre instradano i dati verso la destinazione finale.

Conclusioni

In questa lezione abbiamo visto come i componenti principali di una rete ZigBee – dispositivi terminali, router e coordinatore – collaborano per creare un sistema di comunicazione stabile, scalabile ed efficiente. Il coordinatore agisce come il cuore della rete, gestendo la comunicazione e la sicurezza, mentre i router estendono la copertura della rete, facilitando la connessione tra i dispositivi terminali, che eseguono compiti specifici come il monitoraggio e il controllo.

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