Мэри Поппинс

В наше время «глобализации» и «централизации» бизнеса электросвязи, в пору всеобщего стремления к расширению зон влияния совершенно неожиданным оказался интерес к той категории радиоэлектронных средств, которая известна как устройства малого радиуса действия (Short Range Devices — SRD). Дело в том, что, помимо малой мощности и небольшой дальности, они, как правило, способны мирно уживаться в общих полосах частот с другими радиоэлектронными средствами, не создавая им сколько-нибудь ощутимых помех и не ухудшая качества их работы. Еще пять-семь лет назад многим казалось, что эти устройства вовсе не заслуживают к себе внимания профессионалов — подумаешь, вещица с микроваттной мощностью… Но законы физики не отменить, и если таких игрушек много, то проблемы могут возникнуть самые что ни на есть взрослые.

SRD — где и когда?

В международной практике устройства малого радиуса действия принято классифицировать по области их применения:

• устройства общего назначения — они используются для передачи сигналов телеметрии, телеуправления и сигнализации, данных и др. применений;
• локальные радиосети передачи данных;
• устройства предупреждения о сходе снежных лавин;
• устройства для железных дорог;
• средства обработки и передачи сигналов управления дорожным транспортом и его движением;
• датчики движения;
• системы охранной сигнализации;
• системы управления движением радиомоделей в воздухе, на земле и в воде;
• устройства для индуктивных приложений;
• радиомикрофоны;
• очень маломощные активные медицинские приборы;
• различные беспроводные аудиоустройства (например, наушники для плееров, мобильных телефонов и др.);
• устройства радиочастотной идентификации (RFID).

Однако эта классификация постоянно пополняется, так как прогресс не стоит на месте и постоянно появляются и активно внедряются новые технологии доступа, разработанные специально для применения на небольших расстояниях. Действительно, сегодня для решения задач промышленной телеметрии и приложений бытовой автоматизации требуется иметь устройства, способные передавать данные на очень небольшие расстояния. Такие задачи успешно решаются, и сегодня уже ни один портативный компьютер не выпускается без интерфейсов Wi-Fi и Bluetooth. Тем не менее, все удобства этих решений меркнут, когда кончается заряд батареи или мы делаем лишний шаг в сторону и «выпадаем» из зоны действия сети.

Не вставая с дивана

Вы заметили, что для того чтобы включить кондиционер, переключить канал на телевизоре или закрыть шторы, мы все реже встаем с дивана и все чаще озираемся в поисках пульта дистанционного управления? Сколько их в нашем доме? Телевизор и видеоплеер, кондиционер и микроволновая печь, музыкальный центр и электрические выключатели, устройства управления шторами и автоматическими воротами гаража… Пальцев на руках не хватает. А еще есть датчики дыма и огня, температуры и давления, системы охранной сигнализации и видеонаблюдения… Все они должны куда-то передать какие-то данные или откуда-то получить команды, то есть нуждаются в некоей сети, которая передавала бы их сигналы туда, где их можно принять, распознать и отреагировать на них. Очень похожая ситуация и на производстве. Только площадь чуть побольше, задачи посерьезнее и спектр управляемых устройств несколько шире.

Дизайнеры интерьера и разработчики мебели уже придумывают для наших беспроводных помощников специальные стойки и держатели. Но гораздо удобнее иметь стандартный интерфейс управления, который мог бы объединить их всех в единую радиосеть, — эдакую радионяню для нашего дома или офиса, которая и о пожаре предупредит, и плиту вовремя выключит, и дверь откроет. На первый взгляд, это кажется нереальным. Как соединить такое множество разномастных устройств, разработанных по разным стандартам, созданных различными производителями и выполняющих различные функции?

И все же, если посмотреть поближе, какие данные передаются в такой сети, объединяющей датчики и пульты управления, легко увидеть, что это, в большинстве своем, небольшие пакеты, достаточно редко путешествующие по каналам связи. Во многих приложениях, например в датчиках дыма и углекислого газа или в системах охранной сигнализации, передатчики большую часть времени пассивны и только во время возникновения ситуации срабатывания (появление дыма, повреждение стекла, движение и т. п.) передают короткие пакеты данных. Следовательно, от таких устройств не требуется широкополосности и высокой производительности, а требуется малое энергопотребление, способность долгое время находиться в пассивном состоянии, простота изготовления и использования и, конечно же, невысокая цена. Кроме того, в такой сети из разнородных устройств желательно иметь возможность поддерживать разнообразную конфигурацию, с тем чтобы эффективно охватывать всю площадь квартиры, дома, офиса.

История

Идея создания сетей, которые имели бы все перечисленные возможности, начала обсуждаться где-то в 1998 году, когда многие инженеры поняли, что для некоторых приложений ни Wi-Fi, ни Bluetooth, скорее всего, не пригодны. Эта мысль окончательно оформилась в социальный заказ на специализированные цифровые радиосети невысокой пропускной способности. В 2001 г. Институту инженеров электротехники и электроники (IEEE) было предложено выработать стандарт, который позволил бы создавать устройства с функциональностью, аналогичной Wi-Fi и Bluetooth, но с максимально сниженным энергопотреблением. С этой целью в 2002 г. был основан Альянс ZigBee. В октябре 2004 г. Альянс объявил, что в его состав входит более 100 компаний, к апрелю 2005 г. число членов Альянса превысило 150 и продолжает расти. Разработка стандарта IEEE 802.15.4, спецификации протоколов которого получили имя ZigBee, была завершена в мае 2003 г. и одобрена в декабре 2004 года по названием ZigBee 1.0.

Так появился стандарт ZigBee. Сегодня это название спецификации комплекта высокоуровневых протоколов связи с применением крошечных маломощных цифровых передатчиков, в основу которых положен стандарт IEEE 802.15.4 для беспроводных сетей малого радиуса действия — так называемых персональных сетей. Связь между IEEE 802.15.4 и ZigBee аналогична той, что существует между IEEE 802.11 и Wi-Fi.

Место в строю

Протоколы ZigBee предназначены для приложений, где высоких скоростей не требуется. Основная категория применения ZigBee — это те системы, которым требуются многоцелевые, недорогие, самоорганизующиеся сети с низким энергопотреблением, которые имели бы еще и способность самовосстановления. Такие сети используются для передачи небольших объемов данных в приложениях управления производственными процессами или работой инженерного оборудования промышленных, офисных и жилых зданий, для дистанционного снятия показаний медицинских приборов, передачи сигналов тревоги при срабатывании датчиков дыма или датчиков движения и т. п. Для сравнения, рассмотрим характеристики доступных сегодня устройств, используемых там, куда собирается завтра прийти ZigBee (см. таблицу).

Место, которое должен был бы, по идее, занять стандарт ZigBee на общей рыночной «площадке» аналогичных устройств, видно на рисунке.

На первый взгляд, технология ZigBee похожа на горошину среди горошин, и нет у нее никаких особых преимуществ перед Bluetooth. Новый стандарт использует те же частоты, а объем информации, которую он позволяет передавать, на целых 75–90% меньше. Однако Bluetooth слишком громоздок для таких миниатюрных приборов, как чувствительные элементы медицинской аппаратуры, устройства сигнализации, сенсорные выключатели или беспроводные мыши.

Если говорить о дальности действия, то хотя само ZigBee-оборудование не может обеспечить передачу данных на расстояние свыше 70–80 метров, но оно может организовать туннель для транспортировки трафика, используя доступные мощности и ресурсы Wi-Fi или Bluetooth, естественно, если таковые окажутся доступны. Но главный плюс ZigBee — экономия электроэнергии, что в современном мире уже само по себе  довольно весомый аргумент. Согласно теоретическим выкладкам, одного элемента типа ААА хватает для поддержания работоспособности ZigBee-оборудования на протяжении срока от нескольких месяцев до нескольких лет. Но вряд ли стоило разрабатывать новый стандарт только ради экономии десятка-другого киловатт-часов. У стандарта есть еще и другие достоинства — это хорошая масштабируемость, возможность самовосстановления в случае сбоев и простота настройки. 64-битная адресация практически не ограничивает число устройств, которые могут быть объединены в сеть.

Что дальше?

Перспективы внедрения технологии ZigBee сегодня кажутся практически безграничными. Это — приложения мониторинга и контроля, распределенные сети датчиков, беспроводные сети для недорогих малопотребляющих систем, используемых в коммерческой, промышленной и бытовой автоматике. Среди прочего:

• системы автоматизированного управления освещением (промышленные, муниципальные и бытовые);
• системы автоматизированного управления промышленными и бытовыми системами жизнеобеспечения (отопление, вентиляция и кондиционирование, вспомогательные устройства и оборудование);
• системы управления бытовой техникой (музыкальным и видеооборудованием, компьютерами, игровыми консолями, стиральными машинами, кофеварками, кондиционерами, воздушными фильтрами и т. д.);
• системы сигнализации, аварийного оповещения, контроля доступа, бесконтактные ключи, датчики дыма, газа, движения, температуры, давления и т. д.;
• устройства медицинской диагностики, мониторинга состояния пациентов, биодатчики и медицинское оборудование;
• системы управления технологическими процессами, в том числе движущимися аппаратами, станками, промышленным оборудованием, холодильными установками, устройства телеметрии;
• мониторинг промышленных и портовых активов, логистика;
• мониторинг систем водо-, газо- и теплоснабжения, системы управления и инструментального контроля электроэнергии;
• беспроводные устройства обмена информацией;
• автомобильная электроника (системы контроля давления в шинах, противоугонные системы, системы идентификации и диагностики) и т. д.

Предполагается также, что связь ZigBee станет неотъемлемой частью «цифрового дома», позволяя пользователям управлять работой разнообразных бытовых приборов, систем и устройств, без привязки к месту (пульту управления) или времени. Контроллеры ZigBee будут связываться не только с датчиками систем безопасности и сигнализации, но и с бытовой техникой: кондиционерами, видеомагнитофонами, телевизорами — и с электрическими выключателями. Это позволит контролировать работу всех приборов при помощи унифицированного пульта дистанционного управления или даже мобильного телефона [Уже в конце 2005 года компания Pantech & Curitel продемонстрировала мобильный телефон со встроенным контроллером ZigBee и с реализованными функциями пульта дистанционного управления.]. В сфере медицины беспроводная связь ZigBee поможет отслеживать состояние пациентов во время операции и в послеоперационных блоках. Вместо датчиков с проводами и всем известными резиновыми или пластиковыми присосками на руку пациента будет одет электронный браслет с сенсорами давления, температуры, частоты пульса. Показания будут периодически передаваться на сервер, который в случае опасности выдаст сигнал тревоги.

А что говорит регулятор?

Да пока ничего. Что странно. Ведь говорят о ZigBee уже давно, международные организации одобрили стандарт, производители начали производство оборудования, скоро объявятся первые пользователи. Объявятся и спросят — а как, собственно говоря, все это великолепие можно заставить работать на благо и во имя? В России ответа на этот вопрос пока нет. При этом в США Федеральная комиссия по связи приняла ряд решений, оговорены правила игры и в Европейском Союзе. Там даже предусмотрено перемещение и трансграничные перевозки оборудования ZigBee без специальных разрешений. Такое, на взгляд нашего зарегулированного оператора, «легкомысленное» отношение к делу обусловлено несколькими причинами.

В Регламенте радиосвязи диапазоны, на которые распространяется стандарт ZigBee, — 915 МГц (для США), 868 МГц (для Европы) и 2 400–2 483,5 МГц (по всему миру) — отводятся для бытовых, промышленных, научных и медицинских применений (например микроволновых печей или агрегатов для литья зубных протезов), не подверженных влиянию помех. Мало того, согласно тому же Регламенту, системы связи, работающие в указанной полосе, должны мириться с помехами и от себе подобных, и от тех самых печей. Эти полосы получили статус «нелицензируемых» именно потому, что нигде (кроме России и еще пары-тройки стран) для работы в этих полосах частот специальных разрешений получать не требуется. Поэтому нет ничего неожиданного в выборе для ZigBee именно этих частот. Такой выбор позволит избежать регуляторных затяжек, лицензионных неясностей и туманности в правилах использования спектра.

Общеизвестно, что во многих странах системы передачи данных в полосе 2 400 — 2 483,5 МГц используются на регистрационной основе. Это значит: купил, зарегистрировал и можешь работать. Никаких тебе решений ГКРЧ, договоров с ФГУП «Главный радиочастотный центр», разрешений Россвязи, согласований с военными... Экономятся и время, и деньги. У нас, как всегда, все иначе.

Первые гражданские системы связи, работающие в полосе 2 400–2 483,5 МГц (типа ARLAN), появились в России уже довольно давно. Все эти годы наши «регуляторы» подбирали для них частоты, используя методики, созданные еще для радиорелейных линий. Жизнь была прекрасна до тех пор, пока спрос на частоты удовлетворялся. Никто не выказывал недовольства, да и сомнений в правильности частотного планирования не возникало. Стали даже поговаривать о накопленном опыте, об отработанной методике... Как всегда, было забыто, что новые способы передачи требуют принципиально иного подхода. И все же, если говорить о России, то в области частот у ZigBee есть только один путь — в полосу 2 400–2 483,5 МГц.

Признали, но не всех

Наши регуляторы неоднократно упрощали процедуры использования в России диапазона 2 400 МГц. Не вдаваясь в подробности и перипетии этого пути, который не всегда вел только вперед, отмечу, что если ZigBee можно отнести к внутриофисным устройствам, то на них будет распространяться утвержденное решением ГКРЧ (№ 18/3) Положение «О порядке использования на территории Российской Федерации внутриофисных систем передачи данных в полосе частот», в соответствии с которым необходимо обратиться с заявкой в ФГУП «Главный радиочастотный центр», который ее в течение 30 дней должен рассмотреть и подготовить счет, после оплаты которого заявителю выдается заключение об электромагнитной совместимости. Но это — не все. Вы теперь должны подать еще одну заявку — теперь уже в Россвязь, и ждать оговоренные Федеральным законом «О связи» 120 дней, после чего вам выдадут разрешение на использование частот для создания внутриофисных систем. Этот процесс, хотя и довольно длителен, но намного лучше того, что ждет вас, если вы захотите строить «уличную» систему. Тогда вам придется сначала ждать решения ГКРЧ (примерно с год), потом оплачивать расчеты ЭМС с теми гражданскими и военными системами, которые уже развернуты на интересующей вас территории. Но и это еще не все. Дело в том, что «упрощенный» механизм распространяется не на все офисные системы, а только на те из них, параметры которых соответствуют приложению к этому решению ГКРЧ от 2002 года. Тогда, конечно, о ZigBee никто еще ничего не слышал, и неудивительно, что его параметры под действие решения не попадают.

Выходов здесь три. Либо — включаться и работать без разрешений, полагая, что у Россвязьнадзора слишком много других дел и ему совершенно нет дела до ваших милливаттных игрушек; и тогда вы сможете создавать свою сеть уже на другой день после появления устройств ZigBee в продаже. Либо — получать все разрешения, и тогда к моменту получения финальной бумажки ваши устройства, скорее всего, уже безвозвратно устареют. Либо — убеждать регулятора в необходимости менять правила применения таких устройств, как это было сделано в свое время, когда появился Bluetooth, его ведь тоже пытались «тащить» и «не пущать».