ZIGBEE - PROTOKÓŁ TRANSMISJI BEZPRZEWODOWEJ DLA SYSTEMÓW PRZEMYSŁOWYCH. Zygmunt Kubiak Instytut Informatyki Politechnika Poznańska

Transkrypt

1 ZIGBEE - PROTOKÓŁ TRANSMISJI BEZPRZEWODOWEJ DLA SYSTEMÓW PRZEMYSŁOWYCH Instytut Informatyki Politechnika Poznańska

2 ZigBee zig-zag taniec pszczół Obszary zastosowań 2

3 Obszary zastosowań Hipoteza o "języku tańca" pszczół została wysunięta przez Karla Rittera von Frischa 1947 roku. Pszczeli tancerz przekazuje "mową ciała" innym pszczołom z ula konkretną, zakodowaną wiadomość, opisującą kierunek i odległość od ula do nowego źródła pożywienia. Von Frisch twierdził, że pszczoły wykorzystują ten komunikat, aby dotrzeć do opisanych zasobów żywności. Odkrycie to przyniosło naukowcowi Nagrodę Nobla (1973 rok razem z Nikolaas Tinbergen i Konrad Lorenz). 3

4 Obszary zastosowań 4

5 Obszary zastosowań Obszary zastosowań rozwiazań IEEE /ZigBee; oznaczenia: AMR (ang. Automatic Meter Reading) automatyczny odczyt liczników, HVAC (ang. Heating, Ventilation and Air Conditioning) - klimatyzacja 5

6 Obszary zastosowań To co wyróżnia rozwiązania ZigBee wśród innych sieci bezprzewodowych to następujące parametry: bardzo niski pobór mocy (baterie starczają od 6 miesięcy do kilku lat); urządzenie ZigBee ma tylko dwa tryby pracy: albo jest active (nadawanie/odbieranie) albo sleep; w przypadku Bluetooth występuje wiele różnych trybów co zdecydowanie utrudnia optymalizację poboru mocy; niski koszt urządzeń, instalacji i eksploatacji; możliwa duża gęstość węzłów sieci; prosty protokół i łatwa implementacja; stos kodu protokołu jest szacowany na około ¼ w stosunku np. do Bluetooth; niezawodny transfer danych; wysoki poziom bezpieczeństwa transmisji. 6

7 IEEE Bluetooth UWB UWB Zigbee ZigBee 7

8 Historia Proposals Initial MRD RSI/TRD v0.2 Proposal to IEEE ZigBee Alliance formed ZigBee IEEE PAR Proposals Reviews Stand. Complete

9 Dokumenty 9

10 Stos protokołów APLIKACJA STOS ZIGBEE KRZEM Użytkownik IEEE ZigBee Alliance ZigBee Alliance Ponad 150 firm Definiuje górne warstwy stosu protokołów: styk warstwy sieciowej z aplikacją, zadania warstwy sieciowej, bezpieczeństwo transmisji IEEE Definiuje dolne warstwy stosu protokołów: warstwa MAC (Medium Access Control Layer) oraz warstwa fizyczna PHY (Physical Layer) 10

11 ZigBee Alliance ZigBee Alliance jest stowarzyszeniem skupiajacym aktualnie ponad 150 uczestników Promotorzy ZigBee: Chipcon, Ember, Freescale, Honeywell, Mitsubishi, Motorola, Philips i Samsung 11

12 Model warstwowy Użytkownik ZA1 ZA2 ZAn IA1 IAn Interfejs aplikacji API UDP Zarządzanie topologią, trasowanie, bezpieczeństwo transmisji, zarządzanie MAC Dostęp do kanału, tworzenie i sprawdzanie ramki Transmisja radiowa ciągu bitów, modulacja ZigBee NWK IEEE MAC (CPS) IEEE PHY IP LLC MAC (SSCS) 12

13 Model warstwowy ZA1 ZAn IA1 IAn Użytkownik API UDP Interfejs aplikacji ZigBee NWK IEEE MAC (CPS) IEEE PHY IP LLC MAC (SSCS) Zarządzanie topologią, trasowanie, bezpieczeństwo transmisji, zarządzanie MAC Dostęp do kanału, tworzenie i sprawdzanie ramki Transmisja radiowa ciągu bitów, modulacja 13

14 Topologia gwiazdy Koordynator sieci Master/slave Węzeł o pełnych możliwościach FFD (Full Function Device) Węzeł o zredukowanych funkcjach RFD (Reduced Function Device) Komunikacyjny przepływ 14

15 Topologia Peer-Peer Punkt- punkt Drzewo FFD Węzły są równorzędne 15

16 Topologia kombinowana Drzewo klastrów (Cluster-tree) Połączenie struktur gwiazd FFD RFD Połączenia komunikacyjne 16

17 Topologie ZigBee Siatka (Mesh) Gwiazda (Star) Drzewo klastrów (Cluster Tree) Koordynator ZigBee Rutery ZigBee Węzły końcowe ZigBee 17

18 Dostępne pasma częstotliwości 868MHz/ 915MHz PHY Kanał 0 Kanały MHz 902 MHz 2 MHz 928 MHz 2.4 GHz PHY Kanały MHz 2.4 GHz GHz Pasma ISM Industrial Scientifig Medic Europa 868 MHz, 2,4 GHz 18

19 Pasma częstotliwości Pasmo ISM - 2,4GHz USA Europe Spain* France* Japan* * Uzgodnienia z FCC 915MHz pasmo ISM tylko w USA 868MHz Europa 19

20 Modulacja i proces rozpraszania widma Dane Binarne 250 kb/s Bity na symbol Symbol dziesiętnie Symbol( binarnie (b 0 b 1 b 2 b 3 ) b 3 b 2 b 1 b kbd Symbol na chip sy Wartości chip sów (c 0 c 1... c 30 c 31 ) Modulacja Offset QPSK Faza I Faza Q 2 Mchip/s 1 Mchip/s 1 Mchip/s Filtr Fazy Q Filtr Fazy I 20

21 Modulacja i proces rozpraszania Dane do wysłania Bity na symbol b Symbol 0 Symbol na chip sy Reprezentacja symbolu Modulator O-QPSK 21

22 Struktura ramki warstwy fizycznej (PHY) Pola ramki warstwy fizycznej Preambuła (32 bity) synchronizacja Startowy ogranicznik ramki (8 bitów) musi mieć wartość Nagłówek warstwy PHY (8 bitów) długość PSDU PSDU (0 to 127 bajtów) pole danych Nagłówek Sync Nagłówek PHY Ładunek PHY Preambuła Start ramki Długość ramki (7 bitów) Rezerwa (1 bit) PHY Service Data Unit (PSDU) 4 bajty 1 bajt 1 bajt bajtów 22

23 ZigBee Ramka ZigBee na poziomie warstwy sieciowej NWK (ang. Network Layer) ZigBee umożliwia tworzenie złożonych sieci logicznych z komunikacją wielokrotnych przeskoków (ang. multi-hop), co oznacza, że nie wszystkie stacje muszą znajdować się we wzajemnym zasięgu. Jednym z rozwiązań jest algorytm trasowania (rutowania) - obsługa drzewa klasterów; drugi to wersja algorytmu AODV (ang. Ad hoc On Demand Distance Vector). 23

24 ZigBee Ramka ZigBee, zabezpieczona na poziomie NWK Ramka warstwy sieciowej NWK stanowi ładunek ramki warstwy MAC. Zawiera niezbędne pola dla realizacji operacji trasowania. Pola adresowe w tej ramce zostały ograniczone do zakresu 16- bitowego. Zabezpieczenie ramki ZigBee może być realizowane na różnych poziomach modelu warstwowego na poziomie warstwy MAC, na poziomie NWK (rys.), na poziomie podwarstwy wsparcia aplikacji APS (ang. Application Support sublayer). 24

25 ZigBee Ramka ZigBee, zabezpieczona na poziomie NWK Na rysunku przedstawiono ramkę ZigBee zabezpieczoną na poziomie NWK. Ładunek ramki MAC stanowią nagłówek NWK, nagłówek pomocniczy, zaszyfrowany ładunek NWK oraz pole MIC (ang. Message Integrity Code). Dane szyfrowane są przy pomocy algorytmu AES-128, uważanego za skuteczną technikę zapewniającą poufność informacji. Pole MIC jest zaszyfrowanym polem kontroli integralności danych, obejmującym nagłówek NWK, nagłówek pomocniczy oraz zaszyfrowany ładunek ramki NWK. Ta metoda zabezpiecza przed podrabianiem i odtwarzaniem ramki. 25

26 ZigBee Przykład struktury super-ramki; BI Beacon Interval, BO macbeaconorder, SO macsuperframeorder, SD Superframe Duration, GTS Guaranteed Time Slot W trybie super-ramki koordynator sieci transmituje sygnalizatory superramki w z góry określonych przedziałach czasowych. Przedziały te mogą być zmieniane w szerokich granicach od 15ms do 252s. 26

27 ZigBee Przykład struktury super-ramki; BI Beacon Interval, BO macbeaconorder, SO macsuperframeorder, SD Superframe Duration, GTS Guaranteed Time Slot Miedzy dwoma sygnalizatorami wyodrębniony zostaje obszar aktywny, podzielony jest na 16 równych czasowo szczelin, niezależnie od czasu trwania całej ramki. Dostęp do medium w szczelinach czasowych jest oparty na rywalizacji mechanizm CSMA-CA (obszar CAP) 27

28 ZigBee Przykład struktury super-ramki; BI Beacon Interval, BO macbeaconorder, SO macsuperframeorder, SD Superframe Duration, GTS Guaranteed Time Slot Koordynator PAN może wyznaczyć szczeliny czasowe konkretnemu urządzeniu, które wymaga dedykowanej szerokości pasma lub transmisji o małych opóźnieniach. Tak przygotowane szczeliny czasowe nazywane są GTS przedział czasu dostępu dla danego urządzenia, bez rywalizacji. 28

29 Model transmisji danych Dane przesyłane z urządzenia końcowego do koordynatora W sieci z wykorzystaniem super-ramki, węzeł oczekuje na sygnalizator, który stanowi podstawę do synchronizacji struktury super-ramki. Dane przesyłane są w szczelinie. Komunikacja bez super-ramki data wykorzystuje bezszczelinowy mechanizm CSMA/CA Komunikacja z wykorzystaniem sygnalizatorów Komunikacja bez sygnalizatorów 29

30 Model transmisji danych Transfer od koordynatora do węzła końcowego Koordynator wysyłając sygnalizator informuje, ze dane są dostępne Urządzenie okresowo nasłuchuje sygnalizatora i przesyła w warstwie MAC komendę żądania danych wykorzystując szczelinę czasową lub dostęp CSMA/CA jeśli to konieczne. Komunikacja z zezwoleniem na sygnalizator 30

31 ZigBee Specyfikacja ZigBee 2012 oferuje pełną sieć bezprzewodową pozwalającą na pracę ponad węzłów. Obejmuje normy z różnych dziedzin ZigBee Building Automation (dla budynków inteligentnych, systemu monitorowania, ZigBee Alliance połączył siły z BACnet Building) ZigBee Home Automation (dla automatyzacji domów, mieszkań, zarządzanie energią, czujniki bezpieczeństwa, poprawa komfortu konsumenta) ZigBee Health Care (dla ochrony zdrowia, odnowy biologicznej, fitness) ZigBee Light Link (dla sterowania oświetleniem, bezprzewodowe sterowanie różnymi źródłami światła, przełącznikami, pilotami, licznikami) 31

32 ZigBee Specyfikacja ZigBee 2012 oferuje pełną sieć bezprzewodową pozwalającą na pracę ponad węzłów. Obejmuje normy z różnych dziedzin ZigBee Smart Energy (dla inteligentnych pomiarów) Zigbee Telecom Service (oferuje szeroką gamę dodatkowych usług, jak dostarczanie informacji, gry mobilne, bezpieczne płatności mobilne, rozliczenia, kontrola dostępu do mobilnej strefy biurowej) ZigBee Retail Service (nowy standard dla handlowców i konsumentów zakupy, śledzenie zasobów, inteligentne koszyki, etykiety elektroniczne) Specyfikacja ZigBee 2012 obejmuje dwie opcje: ZigBee ZigBee PRO 32

33 ZigBee ZigBee - przeznaczone jest do realizacji mniejszych sieci o rozmiarach setek węzłów ZigBee PRO - maksymalizuje funkcje sieci, dodaje nowe, umożliwia realizacje dużych sieci o tysiącach węzłów Green Power zapewnia możliwość włączenia do sieci węzłów zasilanych energią pozyskiwaną z otoczenia (ang. energy harvesting) lub z własnym zasilaniem (ang. self powered) Specyfikacja ZigBee rozszerza standard IEEE o warstwy bezpieczeństwa i framework aplikacji (szkielet do budowy aplikacji) 33

34 ZigBee Z 34

35 ZigBee Z 35

36 ZigBee Z 36

37 ZigBee Z 37

38 ZigBee Z 38

39 ZigBee 3.0 ZigBee 3.0 stanowi integrację wiodących na rynku bezprzewodowych standardów w jeden standard ZigBee 3.0 jest obecnie w fazie testów, w które aktywnie zaangażowane są takie firmy jak: Atmel, Freescale, The Kroger Co., Legrand, NXP, Philips, Schneider Electric, Silicon Labs, Texas Instruments, Wincor Nixdorf, i V-Mark. Ratyfikacji standardu oczekuje się w czwartym kwartale 2015 r. 39

40 ZigBee 3.0 ZigBee 3.0 upraszcza wybór rozwiązań dla projektantów tworzących produkty i serwis dla Internetu Przedmiotów (ang. Internet of Things) Standard ZigBee 3.0 umożliwia komunikację i współdziałanie pomiędzy urządzeniami dla inteligentnych domów, rozwiązań oświetleniowych i innych dziedzin, dostarczanych przez różnych projektantów, producentów i dostawców usług ZigBee 3.0 opiera się na IEEE , który działa na częstotliwości 2,4 GHz i używa sieci ZigBee PRO w małych urządzeniach o małym poborze energii ZigBee 3.0 definiuje ponad 130 urządzeń i najszerszy zakres typów urządzeń, w tym automatyki domowej, oświetlenia, zarządzania energią, inteligentnych rozwiązań, bezpieczeństwa, czujników i produktów ochrony zdrowia 40

41 ZigBee

42 Wsparcie sprzętowe Układ CC2420 firmy Chipcon 42

43 Wsparcie sprzętowe Schemat blokowy CC

44 Wsparcie sprzętowe RF CC2420 Moduł CC2420DB firmy Chipcon 44

45 Wsparcie sprzętowe RF CC2420 Moduł CC2420EB + CC2420EM firmy Chipcon 45

46 Wsparcie sprzętowe Moduł MPR2400 / MICAz firmy Crossbow Technology 46

47 Wsparcie sprzętowe Moduł M2020 firmy Dust Networks Moduł jest zgodny z IEEE Jest optymalizowany do uruchomienia oprogramowania SmartMesh 47

48 Wsparcie sprzętowe Motorola/FreeScale 13192DSK MC GHz RF MC9S08GT60 C 48

49 Wsparcie sprzętowe MicroChip PICDEM Z CC GHz RF PIC18LF4620 C 49

50 Wsparcie sprzętowe Atmel AT86RF210 Z-Link jest radiowym układem nadawczo odbiorczym na pasmo 868/915 MHz zgodnym z IEEE /ZigBee; wspiera prędkości od 20 kb/s do 40 kb/s. AT86ZL3201 Z-Link jest 8-bitowym kontrolerem AVR optymalizowanym dla IEEE /ZigBee. 50

51 Wsparcie sprzętowe Najnowszy produkt firmy Chipcon CC2430 układ nadawczo-odbiorczy ZigBee + mikrokontroler 51 51

52 Wsparcie sprzętowe CC2430DB CC

53 Podsumowanie Sieci oparte na standardzie ZigBee/IEEE zaliczone zostały przez autorów normy [1] do klasy tzw. niskiej prędkości, osobistych sieci bezprzewodowych LR-WPANs (ang. Low-Rate Wireless Personal Area Networks) co znalazło odzwierciedlenie w jej tytule. Przedstawiony opis standardu został ograniczony tylko do wybranych zagadnień bardzo obszernego opisu standardu. Porównanie ZigBee z innymi standardami sieci bezprzewodowych przedstawiono w tabeli. 53

54 Podsumowanie 54

55 Podsumowanie Rosnące w szybkim tempie zainteresowanie tą klasą sieci wkrótce znajdzie odzwierciedlenie w aplikacjach między innymi dla przemysłu i ochrony środowiska. Zadecydują o tym takie zalety węzłów sieci pracujących w standardzie ZigBee jak możliwość pracy przy niskiej mocy nadawania w warunkach dużych zakłóceń radiowych (dzięki modulacji O-QPSK), niewielkie zapotrzebowanie na energię, co oznacza możliwość działania przy zasilaniu bateryjnym nawet kilka lat, wysoki poziom bezpieczeństwa dzięki zastosowaniu rozwiązań zapewniających integralność (CRC, MIC) oraz poufność (AES- 128) przesyłanych danych, niski koszt instalacji, eksploatacji i serwisowania węzłów. 55

56 DZIĘKUJĘ 56

57 Optional Frame Structure GTS 3 GTS 2 GTS 1 Networ k beacon Beacon extensio n period Contention period Guaranteed Time Slot 15ms * 2 n gdzie 0 n 14 Transmitted by network coordinator. Contains network information frame structure and notification of pending node messages. Space reserved for beacon growth due to pending node messages Dostęp dowolnego węzła do medium z arbitrażem CSMA-CA Reserved for nodes requiring guaranteed bandwidth [n = 0]. 57

58 Applications in All Aspects of Life 58

59 Pervasive Computing (Smart Home / Office) Sensors controlling appliances and electrical devices in the house. Better lighting and heating in office buildings. The Pentagon building has used sensors extensively. 59

60 Biomedical / Medical 60

61 Mobile Sensors Sensors with Micromachines Low-Power Motors that Support Mobility 61

62 Military Health Monitors Glucose Heart rate Cancer detection Chronic Diseases Artificial retina Cochlear implants Hospital Sensors Monitor vital signs Record anomalies Remote deployment of sensors for tactical monitoring of enemy troop movements. 62

63 Wprowadzenie węzeł = moduł radiowy + PLC one hop węzeł aktywny peer to peer węzeł bierny multi master 63

64 Industrial & Commercial Numerous industrial and commercial applications: Agricultural Crop Conditions Inventory Tracking In-Process Parts Tracking Automated Problem Reporting RFID Theft Deterrent and Customer Tracing Plant Equipment Maintenance Monitoring 64

65 Example Network RFD FFD FFD PAN coordinator RFD RFD FFD RFD 65

66 Device Addressing Two or more devices with a POS communicating on the same physical channel constitute a WPAN which includes at least one FFD (PAN coordinator) Each independent PAN will select a unique PAN identifier All devices operating on a network shall have unique 64-bit extended address. This address can be used for direct communication in the PAN 66

67 Device Addressing A member can use a 16-bit short address, which is allocated by the PAN coordinator when the device is associated. Addressing modes: star: Network (64 bits) + device identifier (16 bits) peer-to-peer: Source/destination identifier (64 bits) cluster tree: Source/destination cluster tree + device identifier (unclear yet) 67

68 Traffic Management & Monitoring Future cars could use wireless sensors to: Handle Accidents Handle Thefts Sensors embedded in the roads to: Monitor traffic flows Provide real-time route updates 68

69 69

70 70

71 71

72 Low Rate Stack Architecture Application Convergence Layer (ACL) (ZigBee) Maintained by ZigBee Working Group Other ACL Open PURL NWK (ZigBee) Mesh NWK (Motorola) Other NWK IEEE LLC IEEE LLC, Type I IEEE /915 MHz PHY IEEE MAC IEEE /2400 MHz PHY Specified & Maintained by IEEE 802(.15.4) 72

73 Above the IEEE MAC Application Convergence Layer (ACL) (ZigBee) Other ACL PURL NWK (ZigBee) Mesh NWK (Motorola) Other NWK PURL DLC (ZigBee) Mesh DLC (Motorola) IEEE LLC, Type I Mesh routing tables, mesh algorithms e.g. are above.15.4 MAC layer

74 IEEE MAC Block Tasks Superframe handling (TDMA) Interface to DLC/LLC CSMA/CA MAC Addressing? Delivery of upper layer packets Device discovery in Initialization Channel IEEE MAC MAC packet decoding/encoding Interface to PHY Stop-and-Wait ARQ CRC (16/32) Mandatory features Optional features 74

75 Dziękuję

76 IEEE Frame Format Synchronization Header: Preamble sequence is 4 bytes of 0x00 (length configurable) The Start of Frame Delimiter is set to 0xA7 (content configurable) A synchronization header is always transmitted 76

77 Slotted CSMA/CA optional 77

78 Unslotted CSMA/CA There is no concept of CW in this part. 78

79 CCA CCA CCA CCA CCA CCA Battery Life Extension (cont.) 2560 us 160 symbols 80 octets First Five Full Backoff Periods after the Beacon IFS period Backoff Period Backoff Period Backoff Period Backoff Period Backoff Period Backoff Period Backoff Period Backoff Period Beaconing Device Minimum Beacon Listen Interval (when no frame detected) 576 us 36 symbols 18 octets SIFS 1792 us 112 symbols 56 octets Transmit Frame Always at least three backoff periods available to start transmission Transmit Frame Transmit Frame 79

80 IEEE Frame Format Length Field: Means the number of bytes in the MPDU The most significant bit is reserved, so the maximum value is

81 IEEE Frame Format 81

82 IEEE Frame Format Frame Check Sequence: FCS is calculated over MPDU FCS is automatically generated and verified by hardware, if enabled. The FCS polynomial is: x 16 + x 12 + x

83 IEEE Frame Format Acknowledge Frame: If AUTOACK is enabled, an acknowledge frame is transmitted for all incoming frames accepted by the address recognition with the acknowledge request flag set and a valid CRC. The acknowledge frame is transmitted 12 symbol (hardware switch time) periods after the last symbol of the incoming frame. 83

84 Modulation and Spreading Process The general modulation process (3 steps) Step 1: Each byte is divided into two symbols, 4 bits each. The least significant symbol is transmitted first. Step 2: Each symbol is mapped to one out of 16 pseudorandom sequences, 32 chips each. Step 3: The chip sequence is then transmitted at 2 MChips/s, with the least significant chip transmitted first for each symbol. 84

85 Step 2: Each symbol is mapped to one out of 16 pseudo-random sequences, 32 chips each. 85

86 Step 3: The chip sequence is then transmitted at 2 MChips/s, with the least significant chip transmitted first for each symbol. The chip sequences are modulated onto the carrier using Q- QPSK with half-sine pulse shaping. Even-indexed chips are modulated onto the in-phase (I) carrier. Odd-indexed chips are modulated onto the quadrature-phase (Q) carrier. 86

87 TinyOS Module Wrapping Generic Comm Control ( Freq,Power,etc ) AM CC2420RadioC Backoff Encoding Data CC2420Control CC2420RadioM Read/Write CC2420 Registers/Commands HPLCC2420M HPLCC2420C RandomLFSR Hardware Specific High Speed Timer Transfer to/from TXFIFO/RXFIFO SpiByte Telos (TI MSP430) MicaZ (AVR) HPLCC2420C TimerC HPLCC2420C TimerC HPLCC2420M TimerM HPLCC2420M HPLCC2420FIFOM TimerM HPLUSART0M MSP430TimerM HPLUARTM HPLClock MSP430ClockM 87