Admin

Возможности протокола ZigBee: применение в системе мониторинга

РОЕНКОВ Дмитрий Николаевич, Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I, кафедра «Электрическая связь», доцент, канд. техн. наук, Санкт-Петербург, Россия
БОГДАНОВ Данил Ринатович, Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I, кафедра «Электрическая связь», аспирант, Санкт-Петербург, Россия

Ключевые слова: ZigBee, мониторинг, датчики, программно-определяемое радио, SDR
Аннотация. Возможности применения программно-определяемого радио SDR на железнодорожном транспорте, включая унификацию системы мониторинга состояния элементов железнодорожной инфраструктуры, были рассмотрены в [1-3]. Продолжая начатую тему, в данной статье дается описание протокола ZigBee, излагаются его возможности.Приводитсяпример использованияЗОВдляприемаианализа информации, полученной от устройств 21дВее,зтакжерекомендзции по настройке оборудованияипрограммногообеспечениядля работысустройствами ZigBee.


■ Один из протоколов, применяемых для обмена информацией, например, между устройствами умного дома, является ZigBee. Этот стандарт разработан в 2003 г. [4] и его активное развитие продолжается в настоящее время. В нем реализована поддержка сетевой топологии mesh (ячеистая топология компьютерной сети, где каждый узел выполняет роль коммутатора для поддержания связи между другими узлами), «спящих» и мобильных узлов, а также модулей, которые обеспечивают работу алгоритмов ретрансляции и самовосстановления сети даже при выходе из строя отдельных узлов. В основном используется диапазон 2,4 ГГц, который охватывает частоты от 2400 до 2483,5 МГц. Он поделен на 16 каналов (рис. 1) с шириной каждого из них 2 МГц.
Протокол ZigBee основан на квадратурной фазовой манипуляции со смещением OQPSK (Offset Quadrature Phase-Shift Keying). Причем дальность связи в помещении составляет 10-20 м (зависит от толщины и материла преград), а на местности в условиях
прямой видимости - до 100 м. Максимальная скорость передачи данных 一 250 кбит/с. Устройства могут длительное время находиться в «спящем» режиме, что дает возможность им работать от автономного (химического) источника питания более года.
Под названием ZigBee фактически скрыт набор протоколов и расширений к международному стандарту IEEE 802.15.4, с помощью которых достигается совместимость устройств различных производителей. Доступ к каналу осуществляется по контролю несущей, когда устройство прежде чем начать передачу, проверяет занятость эфира и только после этого ее выполняет. Стандарт поддерживает функцию Energy Detection, которая способствует выбору канала с наименьшим числом помех. Для обеспечения безопасности применяется шифрование AES-128.
В состав оборудования ZigBee входят координаторы, роутеры и конечные устройства (рис. 2). Координаторы управляют работой всей сети, а также служат мостом для перехода в другие сети. Роутеры могут получать и передавать информацию с другой аппаратуры, играя роль ретрансляторов. Конечные устройства производят отправку сообщений при возникновении определенных событий.


Главной альтернативой проприетарному ПО для работы с устройствами ZigBee является бесплатная платформа с открытым исходным кодом Home Assistant, которая локально функционирует на пользовательском оборудовании [5]. Она позволяет объединить оборудование от разных вендоров в единую сеть, осуществлять мониторинг и управление с помощью мобильного приложения или веб-страницы, открытой в браузере.
Для взаимодействия устройств ZigBee с Home Assistant требуются три компонента: программа Home Assistant, установленная на сервере (при исследованиях в качестве сервера применялся одноплатный компьютер Orange Pi 3B 8GB в пластмассовом корпусе, распечатанном на 3D-npuHTepe); координатор в формате ZigBee-адаптера или USB-донгла (выбрана модель SONOFF ZigBee3.0USBDongle). Третий компонент 一 это разные устройства ZigBee(длятeстирoвa-ния применялисьдатчик движения Tuya KOJIMA-VS-ZGB-LITE, реле 1CH TS0001 и автоматический выключатель Tuya ZIGBEE Smart Switch TO-Q-SYS-JZT).
Следует отметить, что перед использованием координатора необходимо обновить версию его прошивки. Для этого нужно установить драйвер CP210x USB to UART Bridge VCP [6] и перейти на сайт [7], где расположена новая версия. После подключения координатора к USB-порту ПК нужно нажать на кнопку CONNECT и обновить прошивку (рекомендуется прошивка EZSP, являющаяся стандартной версией, совместимой с большинством ZigBee-устройств). После обновления следует убедиться, что установлено обновление до последней версии и подключить координатор к серверу через интерфейс USB.
Подключение устройств происходит через дополнение ZigBee2MQTT (рис. 3), позволяющее управлять ими через протокол Message Queuing Telemetry Transport (MQTT), что гарантирует совместимость координатора с оборудованием различных вендоров.

После подключения можно на Обзорной панели (рис. 4.) узнать об их состоянии и управлять ими. Кроме того, возможно построить карту сети, на которой будут указаны все связимежду устройствами.
CooбщенияZigBee могут быть приняты с помощью протокола программно-определяемого радио SDR. Дляэтоговпрограмме GNU Radio была реализована схема демодулятора квадратурной фазовой манипуляции со смещением (OQPSK) (рис. 5).

После запуска схемы приемника и подключения устройства ZigBee к координатору производится запись трафика в файл. Затем сетевой трафик анализируется в программе Wireshark [8], дающей возможность перехватывать и детально изучать пакеты, передаваемые через сетевой интерфейс.
Для работы в Wireshark необходимо в настройках программы добавитьключLink Key для установки защищенного соединения приобмене данными между двумя устройствам в сети [9]. После этого в принятом от устройства ZigBee пакете Device Announcement нужно найтиключNetwork Key, предназначенный для шифрования данных на сетевом уровне ZigBee-стека. Его также нужно прописать в настройках программы. Если ключи указаны верно, программа Wireshark отобразит информацию об управляющих командах, таких как Report Attributes.
Благодаря указанным преимуществам оборудование ZigBee довольно широко реализуется в системах мониторинга на железных дорогах. Одно из ключевых применений - контроль состояния подвижного состава непосредственно в пути следования, где на основе ZigBee создаются внутрипоездные сети, осуществляющие сбор информации и передачу агрегированных данных в диспетчерский центр [10]. Это помогает организовать непрерывный мониторинг технического состояния поезда, включая дистанционную активацию стояночных тормозов, автоматическое определение порядкавагонов и их ориентацию приотправлении состава.
В рамках инфраструктурного мониторинга ZigBee успешно применяется для создания систем диагностики рельсового полотна и искусственных сооружений. Акустические датчики в паре с ZigBee-модулями применяются для оценки структурной целостности рельсов методом корреляции акустического шума, позволяя выявлять зарождающиеся дефекты.

Для безопасности работников на путях создается система оповещения о приближении поезда с помощью ZigBee. Вдоль пути организуется зона покрытия, передающая сигнал тревоги на носимые устройства персонала [11]. Кроме того, для контроля местонахождения бригад, работающих в опасных зонах, носимые ZigBee-модули могут автоматически определять, находится ли сотрудник в безопасной зоне, огражденной сигналами.
Существуют коммерческие реализации, представляющие собой автономные терминалы для грузовых вагонов, использующие
ZigBee для внутренней коммуникации датчиков. Они передают данные о местоположении, статусе загрузки и нештатных ситуациях через сети мобильной связи на серверы собственников подвижного состава [12].
Подводя итог, можно еще раз отметить, что протокол ZigBee представляет собой один из наиболее надежных и энергоэффективных протоколов, обеспечивающих стабильную связь между устройствами при низком энергопотреблении. Сети ZigBee, построенные по ячеистой топологии, легко масштабируются и демонстрируют высокую отказоустойчивость при выходе из строя отдельных узлов. Благодаря платформе Home Assistant и ее дополнению ZigBee2MQTT возможно развертывание системы мониторинга, осуществляющей взаимодействие с сотнями устройств разных изготовителей.
Как показали проведенные авторами исследования, унифицированная система мониторинга, построенная на основе программно-определяемого радио SDR, помогает в получении, обработке и дальнейшем использовании результатов о состоянии устройств, передаваемых по протоколу ZigBee.

СПИСОК ИСТОЧНИКОВ

1. Роенков Д.Н., Богданов Д.Р. Программно-определяемое радио для мониторинга состояния элементов инфраструктуры // Автоматика, связь, информатика. 2024. № 9. С. 2-4. EDN: IXMSGF.
2. Роенков Д.Н., Богданов Д.Р. Программно-определяемое радио для мониторинга состояния элементов инфраструктуры // Автоматика, связь,
информатика. 2024. № 10. С. 17-21. EDN: KBMMZN.
3. Роенков Д.Н., Богданов Д.Р. Программно-определяемое радио для мониторинга состояния элементов инфраструктуры // Автоматика, связь, информатика. 2024. № 11. С. 5-9. EDN: GNRGFE.
4. Бирюков А. Архитектура сетей ZigBee. URL: https://habr.com/ru/ companies/otus/articles/919250 (дата обращения 18.08,2025).
5. HomeAssistant:site. URL: https:// www.home-assistant.io (дата обращения 18.08,2025).
6. Драйвер USB to UART Bridge: site. URL: https://www.silabs.com/ software-and-tools/usb-to-uart-bridge-vcp-drivers?tab=downloads (дата обращения 25.08.2025).
7. Обновление прошивки для Sonoff ZigBee: site. URL: https:〃darkxst. github.io/silabs-firmware-builder (дата обращения 25.08.2025).
8. Sniff ZigBee traffic: site. URL: https://www.zigbee2mqtt.io/advanced/ zigbee/04_sniff_zigbee_traffic.html (дата обращения 09.09.2025).
9. 4.1.8.7 Беспроводные сети ZigBee и IEEE 802.15.4: site. URL: http:// book.itep.ru/4/41/zigbee.htm (дата обращения 20.09.2025).
10. Onboard Monitoring and Control - Wireless Sensor Networks Systems Integration: site. URL: https://railroads. fra.dot.gov/elibrary/onboard-monitoring-and-control-wireless-sensor-networks-systems-integration (дата обращения 21.09.2025).
11. Скоробогатов М.Э., Пультяков А.В., Козиенко Л.В. Выбор технологии передачи данных для автоматизированной системы контроля местонахождения работников железнодорожного транспорта // Наука и техника транспорта. 2024. № 4. С. 37-42. EDN: QQRCQY.
12. ООО «ТН-Трек» разработал «умные» датчики для грузовых вагонов [Электронный ресурс]. URL: https:// www.cnnrm.ru/blog/2703202

__________________
Телеграм-канал ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНИК