ZigBee

Índice

1. Padrão IEEE 802.15.4

2. ZigBeea. O que é ZigBee

b. Especificações ZigBee

3. ZigBee x Bluetooth x IEEE 802.11b

4. Topologia de rede

5. Tipos de dispositivos

6. Camadas de protocolos

7. Camada PHY

8. Camada MAC

9. Camada de rede

10. Camada de aplicação

11. Segurança

12. Superframe

13. CSMA-CA

14. Sensores sem fio

15. Conclusão

16. Referência

Padrão IEEE 802.15.4

• Características importantespara sensores sem fio:

1. Confiabilidade dos dados2. Vida útil da bateria3. Custo4. Alcance da transmissão

5. Taxa de transferência dos 6. dados7. Latência dos dados8. Tamanho Físico9. Segurança dos dados

•Aplicações:

Redes de sensores podem monitorar um ambiente com diversas aplicações: Medicina, agricultura, meio ambiente, militar, mau-funcionamento de máquinas, jogos e outros

Padrão IEEE 802.15.4

• Características do padrão

IEEE 802.15.41. Acesso ao meio por Carrier Sense

Multiple Access Collision Avoidance

(CSMA-CA)

2. Baixo consumo de energia

3. Custo baixo de implementação

4. Curto alcance

5. Baixa taxa de transmissão

6. Baixa latência

7. Dispositivos pequenos

8. A segurança é feita por multi-camada

9. Especifica a camada física e MAC para redes

10.de área pessoal sem fio, conhecidas como LR-WPAN

11.(Low Rate Wireless Personal Area Network)

12.Redes em estrela ou ponto-a-ponto

13.Endereçamento dos rádios em modo 16 bits

14.ou 64 bits

• O IEEE 802.15.4 não só especifica as funções do protocolo da camada PHY e interações com a camada MAC, mas também os níveis mínimos requisitados para os hardwares, como: Sensibilidade, potência transmitida

O que é ZigBee

• Redes em malha x Zig-zag das abelhas na colméia para saber distância,

direção e localização de néctar• Padrão de protocolos de comunicação para redes sem fio baseadas

em:– Baixa taxa de transmissão - Curto alcance

– Baixo consumo de energia - Baixo custo de implementação

• Especificado no IEEE 802.15.4 pelo IEEE e ZigBee Alliance• O ZigBee estabelece a comunicação entre pequenas unidades de

captura de dados e de tele-ação através de sinais de rádio frequência

não licenciada

Especificações ZigBee

• 64.000 nós na rede, um é o coordenador• 30 ms para entrar um novo nó• 15 ms para ativar um nó dormindo• 10 m alcance• Permite o gerenciamento de rede em mesh (malha) mediante os

serviçosde gerenciamento da camada de rede (NWK)• Acesso ao meio por CSMA-CA• Dispositivos ZigBee operam em faixas de frequências sem licença

(ISM):– 2,4GHz taxa de 250Kbps c/ 16 canais (uso global - modulação O-QPSK)– 915MHz taxa de 40Kbps c/ 10 canais (América (Brasil) e Austrália – modulação BPSK)– 868MHz taxa de 20Kbps c/ 1 canal (Europa – modulação BPSK)

ZigBee x Bluetooth x IEEE 802.11b

• Interface aérea:

• Temporização:

ZigBee Bluetooth IEEE 802.11b

Codificação DSSS FSSS DSSS

Alcance 10 – 100 m 2 – 10 m 30 - 100 m

Faixa de frequência 868/ 915/ 2400 MHz 2400 MHz 2400 MHz

Taxa de transferência 250 Kbps 1 Mbps 11 Mbps

Modulação O-QPSK FSK OFDM

Topologia de rede

• Estrela: Composto por um nó coordenador e vários dispositivos finais. Instalado em locais de poucos obstáculos

• Árvore: Tem hierarquia maior e o coordenador assume papel de nó mestre

• Malha ou ponto-a-ponto: A rede se ajusta automaticamente e se auto-organiza para otimizar o tráfego de dados

Tipos de dispositivos

• Network Coordinator– Tem conhecimento completo da rede– Dispositivo que utiliza mais memória e processamento– Coordena a rede– Escolhe a forma de acesso ao meio, se é com ou sem beacon– Permite que novos nós entrem na rede

• Full Function Device (FFD)– Contém toda a funcionalidade do IEEE 802.15.4– Possui memória adicional– O processamento é ideal para roteamento de rede– Pode conectar uma rede com o mundo real

• Reduced Function Device (RFD)– Não fazem roteamento– Ficam nas margens da rede

Camadas de protocolos

•Cada camada comunica com a adjacente através do service access points (SAPs). Exemplo: A camada MAC requisita serviços da camada PHY através do PD-SAP

Camada PHY

Característica

• Transmiti os PDUs (Protocol Data Units), unidades de dados.

• Utiliza modulação DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum)

• Indica qualidade de conexão quando o receptor envia de volta um pacote LQ (Link Quality) de acordo com a relação sinal-ruído e o valor do pacote ED (Energy Detection). Um dos fatores de seleção do caminho.

• Reporta canais livres

Funcionamento

• Quando um dispositivo planeja transmitir, entra no modo receptor, detecta e estima a energia do sinal no canal desejado. Isso é conhecido como energy detection (ED – Média de energia no período de 8 símbolos). Similar a ED o carrier sense (CS) é um meio de verificar se um canal de frequência está disponível para usar, o sinal recebido é demodulado e se o sinal modulado e espalhado tem as características da camada física do dispositivo, então o canal não é usado, independente da energia do sinal.

Camada PHY

Channel page = 0 e channel number = 0 -> Frequência central = 868,3 MHz

Frequência central (MHz) = 906 + 2 x ( channel number – 1)

Channel page = 0 e channel number = 5 -> Frequência central (MHz) = 906 + 2 x ( 5 – 1) = 914MHz

Frequência central (MHz) = 2405 + 5 x ( channel number – 11)

Channel page = 0 e channel number = 14 -> Frequência central (MHz) = 2405 + 5 x ( 14 – 11) = 2420MHz

Atribuição de canal

Camada MAC

• Sincroniza dispositivos por meio de beacons• Gerencia beacons• Proporciona serviços de associação e desassociação• Encapsula os dados das camadas superiores• Gerencia seus serviços pela entidade MAC Layer Management Entity

(MLME)• Tem seu próprio banco de dados (MAC-PIB)

•Define quatro estruturas de quadros:–Quadro beacon (Usado pelo coordenador para transmitir beacons. Beacons são usados para sincronizar o clock de todos os dispositivos da rede)

–Quadro de dados

–Quadro acknowledgment

–Quadro de comando MAC

Camada de rede

• Gerencia a formação e roteamento de rede• A camada de rede do coordenador ZigBee estabelece uma nova

rede e seleciona a topologia de rede (árvore, estrela, ou malha)• O coordenador também atribui os endereços de rede dos

dispositivos de rede

•Interface entre uma rede ZigBee e outra rede usando um padrão diferente•O ZigBee gateway implementa o protocolo ZigBee e internet para ser capaz de transmitir pacotes ZigBee para o formato de pacote do protocolo da internet e vice-versa

ZigBee Gateway

Camada de aplicação

• Fabricantes desenvolvem aplicações para personalizar seus dispositivos

• Controla e gerencia as camadas do protocolo em um dispositivo ZigBee

• Podem existir mais de 240 aplicações em um único dispositivo• O padrão ZigBee oferece a opção de usar perfis de aplicações para

desenvolver uma aplicação. Um perfil de aplicação é um conjunto de conformidades de processamento e formato de mensagens sobre uma aplicação específica, além disso permite a interoperabilidade entre os produtos desenvolvidos por diferentes vedendores para uma aplicação específica

Segurança

• Para garantir a confidencialidade dos dados o IEEE 802.15.4 suporta Advanced Encryption Standard – AES para cifrar mensagens. O algoritmo modifica mensagens usando uma string de bits conhecida como chave de segurança

• Um invasor pode ainda modificar e reenviar uma mensagem que seja cifrada, para evitar esse problema, pode acrescentar uma message integrity code – MIC para cada frame sainte garantindo a autenticação dos dados

• O ZigBee tem limitação de energia e memória. Tem aplicações de baixo custo e os nós não podem ser invioláveis. As chaves podem ser obtidas por um dispositivo com memória

Superframe

• A estrutura do superframe é definida pelo coordenador e configurado pela camada de rede usando MLME-START.Request

• Períodos: Contention Access Period (CAP), Contention-Free Period (CFP) e Inactive Period

• Durante CAP: Dispositivos devem usar CSMA-CA para transmitir. O canal de frequência é disponível. Quadros de comando MAC são transmitidos

• Durante CFP: O coordenador dedica um slot de tempo, guaranteed time slot (GTS), para um dispositivo transmitir, para isso o coordenador deve ter certeza que todos os dispositivos na rede estão sincronizados. Não precisa usar CSMA-CA

• Combinação CAP e CFP -> Período ativo (dividido em 16 time slots iguais)• Período inativo (power-saving mode): Coordenador pode desligar circuito

transceptor para conservar energia, transmitir seu beacon

CSMA-CACarrier Sense Multiple Access Collision Avoidance

•Permite múltiplos dispositivos usar o mesmo canal de frequência•Camada MAC requisita clear channel assessment (CCA) a camada PHY

para que o canal não esteja em uso•Para transmitir um sinal, um dispositivo entra no modo de recepção, detecta

e estima a energia do sinal no canal desejado por meio do pacote energy

detection (ED). Para verificar se um canal está ou não limpo, utiliza-se

carrier sense (CS). Se um canal estiver ocupado, o dispositivo espera um

tempo aleatório e tenta novamente

Sensores sem fio

• Sensores sem fios são formados por: Processador, rádios transceptores, transdutores, memória flash, memória RAM e bateria– Ex.: Processador 180MHz 32bits-CPU, memória flash 4MB,

memória RAM 512KB, rádio 2,4GHz IEEE 802.15.4, bateria 3,7V 720mAh

Transceptores

• Saída analógica dos sensores. Necessita de analog-to-digital converters

(ADC)• Requer: Antena, cristal oscilador, microcontroladores, memória,

ADC, portas

de entrada e saída• Não recebe e transmiti simultaneamente, por isso a antena pode

ser

compartilhada para transmitir e receber por meio de um comutador (T/R)

Transceptores

• O bloco analógico e RF do receptor amplifica o sinal recebido, diminuia frequência do sinal recebido e filtra as frequências não desejadas• O bloco digital receptor demodula o sinal e extrai a informação binária,que é passada para a camada de protocolo PHY• O gerador de frequência proporciona um clock de alta precisão e

clockde baixa precisão para o modo econômico de energia. Também gera umsinal de alta frequência para converter para baixo o sinal recebido e para otransmissor gerar o sinal de saída• O bloco digital transmissor modula o sinal• O bloco analógico e RF do transmissor aumenta a frequência,amplifica e filtra o sinal modulado• O gerenciador de sequência gerencia as prioridades dos eventos,coordena o tempo e mantém a sequência do estado do IC em todo tempo

Transceptores

• Transmissor/ receptor assíncrono universal (UART), interface periférica

serial (SPI)

Cap 5

Appendix B

Appendix E

Conclusão

• Podemos usar a tecnologia ZigBee para o projeto? Por que?

Referências

• http://www.gta.ufrj.br/~rezende/cursos/eel879/trabalhos/zigbee/Introduo%282%29.html#Topic9

• http://www.zigbee.org/Home.aspx• http://almerindo.devin.com.br/index.php?option=com_content&view=article&id=86%3

Awireless-sobre-controle-usando-o-padrao-802154-no-gerenciamento-de-appliances-em-rede&catid=43%3Atrabalhos-de-alunos&Itemid=86&limitstart=1

• http://wiki.sj.cefetsc.edu.br/wiki/index.php/ZigBee• http://www.rogercom.com/ZigBee/ZigBee.htm• Artigo: Aplicação da tecnologia ZigBee em automação residencial Autor: Eduardo

Gomes de Vargas. Disponível em: http://gravatai.ulbra.tche.br/revista/artigos_primeira/2009_eduardo_gomes_de_vargas-zigbee.pdf Acessado em: 30/08/2010

• Artigo: ZigBee Autores: Bruna Luisa Ramos Prado Vasques, Igor Bichara de Azeredo Coutinho, Manuela Ferreira de Lima e Vitor Paranhos de Oliveira Carneval. Disponível em: http://www.gta.ufrj.br/grad/10_1/zigbee/index.html Acessado em: 30/08/2010

• http://www2.eletronica.org/artigos/eletronica-digital/as-redes-com-zigbee• http://www.rogercom.com/ZigBee/ZigBee.htm• http://www.gta.ufrj.br/grad/10_1/zigbee/padrao.html• http://www.teleco.com.br/tutoriais/tutorialzigbee/pagina_2.asp• Livro: ZigBee Wireless Networks and Transceivers. Autor: Shahin Farahani.

Editora: Newnes