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직비(ZigBee)를 알아보자

영어로 ZigBee 한글로직비라 불리는 이 녀석은 소형, 저전력의 특징을 갖는 개인 근거리 무선통신 표준 기술이다. 한 마디로 '직비는 무선통신 표준이다'. 지그비라 쓰기도 하던데 우리말도 아닌지라유튜브에서 외국사람들이 부르는 걸 들어보면 '직비'라 하더라. 그래서 본 포스팅에서는 편의상 직비라 부르기로 했다.

크게 보면 직비는 WPAN(Wireless Personal Area Network, 무선 개인영역 네트워크)에 속하는 표준이다. 직비는기존에 있던 근거리 무선통신 표준인 IEEE 802.15.4(직비) 표준에 네트워크 계층, 애플리케이션 계층, 직비 장치 객체, 애플리케이션 객체의 4개 요소가 추가된것이다. 그래서 직비는 IEEE 802.15.4 표준을 포함하는 표준이라고 봐야한다. 첨엔 둘이 같은 표준인지 헷갈렸다. ㅜ..ㅜ

직비는 IEEE 802.15.4를 포함한다.

근거리 무선 네트워크를 위한 단순 데이터 패킷 프로토콜 표준이 IEEE 802.15.4 이고 이 표준 상위 단에 네트워크 계층과 애플리케이션 계층을 덧붙여서 만든 표준 기술이 직비이다.

직비 표준 = IEEE 802.15.4 표준 + 네트워크 계층 + 애플리케이션 계층 = ( PHY + MAC ) + NWK + ( APS + {Security, Application Framework, ZDO} ) 가 된다.

직비 특징

와이파이는 몇일을 쓸 수 있는데 반해서 몇년을 쓸 수 있을 정도의저전력과 작은 사이즈, 싼 가격, 다양한 망구성은 직비의 특징이다. 데이터 전송속도는 2.4GHz에서 250킬로 비트로 와이파이에 비해서 턱없이 낮은 전송 속도를 갖는다. 하지만 절전 상태에서 활성화 상태로 돌아오는데 10ms 밖에 걸리지 않아서 빠른 응답성을 갖는등 여튼 가끔 혹은 주기적으로 데이터를 보내야 하는 저전력 장치들의 구현에 효과적이다.

* 최저전력 : 100mW 미만

* 통신거리 : 100미터 정도

* 통신주파수 : 2.4GHz (16채널) , 915MHz (10채널) , 868MHz (1채널)

직비는 어느곳에 쓰이는가?

직비는 저전력과 작은 사이즈, 다양한 망구성 덕분에 홈네트워크, 산업기기, 환경모니터링 등 다양한 곳에 사용된다.

직비 계층구조

앞서 이야기 했듯이 직비는 IEEE 802.15.4 표준을 기반으로 되어 있기때문에 가장 아랫단에 IEEE 802.15.4 표준에서 정의 한 PHY(Physical Layer, 물리 계층 : 무선(radio frequency), MAC(Medium Access Control Layer : 충돌방지)가 위치하고 직비 연합에서 만든 표준인 NWK(Network, 네트워크) Layer, APS(Application Support) Layer 가 있다. 추가적으로 SSP(Security Service Provider, 보안), ZDO(ZigBee Device Object)를 두고 있으며 마지막 가장 상위 레이어로 APL(Application Layer, 응용계층)이 있다. APL은 직비를 적용하고자 하는 회사에서 APL을 정의, 프로그램 하여 직비 제품을 만들게 된다.



APL

APS

NWK

MAC

PHY

APS

두개의 장치를 연결하기 위한 바인딩 테이블 관리. 바인딩 된 장치간에 메시지를 전달하는 방법 정의.

ZDO

네트워크에서 각 장치의 역할에 대한 정의. 바인딩 초기화. 바인딩 과정. 네트워크 장치간의 보안. 장치들이 제공하는 서비스 발견 방법 정의.

NWK

노드가 네트워크에 접속하거나 끊는 방법. 보안 적용된 데이터 프레임. 목적지 까지 데이터, 프레임을 전송하기 위한 방법인 라우팅 알고리즘 정의. 프레임 전달방법 정의.

직비 주요 특징

Global operation in the 2.4GHz frequency band according to IEEE 802.15.4

Regional operation in the 915Mhz (Americas) and 868Mhz (Europe).

Frequency agile solution operating over 16 channels in the 2.4GHz frequency

Incorporates power saving mechanisms for all device classes, plus support for battery-less devices

Discovery mechanism with full application confirmation

Pairing mechanism with full application confirmation

Multiple star topology and inter-personal area network (PAN) communication

Various transmission options including broadcast

Security key generation mechanism

Utilizes the industry standard AES-128 security scheme

Supports Alliance standards or manufacturer specific innovations

직비의 주요 특징과 잇점은 아래 PDF를 참조

07-5299.pdf

직비 기기 종류

직비는 디바이스의 성능에 따라 전기능기기(FFD, Full Function Device)와 축소기능기기(RFD, Reduced Function Device) 2가지로 나뉜다. 이렇게 나누는 이유는 RFD의 기능을 최소화 해서 전력소모를 줄이기 위한 목적이다.

또한 직비는 디바이스의 사용 용도에 따라 직비 PAN 코디네이터, 직비 라우터, 직비 종단기기 3가지로 나뉜다.


* 성능에 따른 분류 : FFD, RFD

* 용도에 따른 분류 : PAN Coordinator, Router, End Device


성능과 용도의 분류에 따른 관계를 보면.FFD는 직비 코디네이터, 직비 라우터, ZigBee 종단기기로 사용가능 하지만 RFD는 종단기기로만 동작 가능하다.

더 얘기하면 용도에 따른 분류에서코디네이터(PAN coordinator), 라우터(Router), 종단기기(end device)는 네트워크 망 구성에 따른 노드의 요소를 말한다.( IEEE 802.15.4 토폴로지(망의 형태)는 스타 토폴로지(Star Topology), 메쉬 토폴로지(Mesh Topology), 트리 토폴로지(Tree Topology)가 있다. )


3가지 노드 요소에 대하여 알아보자.

1. 코디네이터 : 네트워크를 만든다.PAN Coordinator는 각각의 노드를 관장하고 각각의 네트워크에서 하나만 존재한다. PAN 코디네이터는네트워크 형성의 기초가 되는 노드이다. 또한 네트워크 주소를 할당한다.

2. 라우터 : Coordinator FFD(Full Function Device)는 네트워크 커버리지를 넓히고 자식노드를 관리하는 역할을 한다. 네트워크를 연장하는 역할 또한 한다.멀티홉(multi-hop) 라우팅 메시지 전달의 역할 수행.

3. 종단기기 혹은엔드 디바이스(End device) : End Device RFD(Reduced Function Device), 엔드디바이스는 코디네이터, 라우터에 붙어있는 아주 간단한 기능의 제한된 프로토콜의 저전력 장치들을 지칭한다. 네트워크에 참여만 하게 되는 모드이다. RFD는 라우터나 코디네이터와만 대화가 가능하다. RFD 서로간의 대화는 불가능. 메모리가 적게 들고 전력소비가 적어 FFD 기기보다 가격이 저렴하다. 또 메시지의 수신만 가능하고 저전력 모드가 가능한 유일한 모드이다.


참고로 코디네이터와 라우터 모드에서 각 기기에 대한 연결은 최대 8개까지만 가능하다.

직비 통신 방법?

유니캐스트 : 특정 타겟으로 보내기

멀티캐스트 : 특정 장비 그룹으로 데이터 보내기.

브로드캐스트 : 네트워크 상에 있는 모든 장비들에게 데이터 보내기.

특정 디바이스에 대해서 데이터를 보내려고 할 때 어떻게 해당 디바이스를 지칭할 수 있을까? 직비 디바이스는 2개의 어드레스 타입을 갖는데 64비트 IEEE 어드레스와 16비트 네트워크 어드레스이다. 64비트 어드레스는 제조 과정에서 부여되고 16비트 어드레스는 네트워크 참여시 할당된다.

자세한 건 표준을 참조하자

직비는 IEEE 802.15.4 표준과 그 위의 계층으로 구성된다고 하였다. 아래 계층인 IEEE 802.15.4는 IEEE 802.15 워킹그룹에서 관리하고 전기전자기술협회(www.ieee.org)에서 참조하면 된다. 그 위에 레이어는 직비연합(http://www.zigbee.org)에서 만드니깐 직비연합(ZigBee Alliance)을 참조하면 된다.

사이트 가서 다운로드 받는 수고를 덜기 위해 2014년 10월 1일자 직비 스펙문서를 첨부해 놓는다.

ZigBee-PRO Stack Profile: Platform 7 restrictions for compliant platform testing 8 and interoperability :

2.docs-07-4855-05-0csg-zigbee-pro-stack-profile-2.pdf


ZIGBEE SPECIFICATION :

docs-05-3474-20-0csg-zigbee-specification.pdf