Beograd, avgust 2005.

ZigBeeZigBee™™ bežični standard bežični standard

Diplomski radstudent: Ivan Begović

mentor: prof. dr Veljko Milutinović

ELEKTROTEHNIČKI FAKULTETBEOGRAD

ivb@beotel.yuvm@etf.bg.ac.yu

Šta je to ZigBeeŠta je to ZigBee ZigBee™ Aliance je udruženje koje obuhvata preko 178

kompanija koje zajedno razvijaju ZigBee™ bežični standard ZigBee™ je pouzdan, ekonomičan, male potrošnje, bežični,

otvoren globalni standard za nadgledanje i kontrolu mreža Primenjuje se u kućnoj i poslovnoj automatizaciji,

industrijskij kontroli, sigurnosnim sistemima, PC periferijama, medicinskim senzorima, igračkama, itd.

Zašto ZigBeeZašto ZigBee Veliki broj čvorova (učesnika) u mreži – do 255 Vrlo mala cena sistema / čvora Izuzetno mala potrošnja struje Pouzdana i zaštićena veza između učesnika Jednostavan razvoj i konfigurisanje Mali broj komponenti Tri frekventna opsega Globalno rešenje

Uporedne karakteristikeUporedne karakteristikeUPOREDNE

OSOBINEZigBee™ 802.15.4

Bluetooth™ 802.15.1

Wi-Fi™812.11b

GPRS/GSM 1XRTT/CDMA

Upotreba Nadgledanje i kontrola Zamena za kabl Web, Video, EMail WAN

voice/data

Sistemski resursi

4KB – 32KB 250 KB+ 1 MB+ 16 MB+

Trajanje baterije (dana)

100 – 1000+ 1 - 7 1 - 5 1 – 7

Čvorova po mreži

255 / 65K+ 7 30 1000+

Bandwidth (kbps)

200 - 250 720 11000 64 – 128

Daljina (m) 1 – 75+ 1 – 10+ 1 - 100 1000+

Osnovane karakteristike

Pouzdan,Mala portošnja, Cena

Cena,Udobnost

Brzina,Fleksibilnost

Domet,Kvalitet

Stek arhitekturaStek arhitektura Izgrađena je na osnovama OSI

(Open Systems Interconnection) 7-slojnog modela Definiše samo slojeve neophodne

za postizanje funkcionalnosti IEEE 802.15.4-2003 standard definiše PHY sloj i MAC sloj ZigBee™ Alijansa definiše NWK sloj i APL sloj Svaki sloj izvršava specifičan skup servisa za sloj iznad Sa višim slojem komunicira posredstvom

tačke za pristup servisu (Service Access Point - SAP) Svaka SAP podržava brojne servisne funkcije

Stek arhitekturaStek arhitektura

IEEE 802.15.4-2003 slojeviIEEE 802.15.4-2003 slojevi Definiše dva najniža sloja, PHY i MAC PHY (Physical) sloj pruža podršku za fizički radio i

ima dva podsloja koji rade na različitim frekvencijam:– 868MHz (Evropa) / 915 MHz (SAD, Australija)– 2.4 GHz – širom sveta

MAC (Medium Access Control) sloj– Kontroliše pristup radio kanalu koristeći CSMA-CA mehanizam– Emituje signalne frejmove– Obavlja sinhronizaciju– Obezbeđuje pouzdan prenos

NWK (Network) slojNWK (Network) sloj Definiše ga ZigBee™ Alijansa Osigurava frejmove i

usmerava ih ka odredištima Pronalazi i upravlja rutama

između uređaja u NWK sloju Pokreće novu mrežu i

dodeljuje adrese uređaima Obezbeđuje mehanizme za

pridruživanje i napuštanje mreže

Konfiguriše nov uređaj Otkriva ‘one-hop’ susede i

čuva informacije o njima Održava NIB

(Network Info Base)

APL (Application) slojAPL (Application) sloj Definiše ga ZigBee™ Alijansa Sastoji se od tri podsloja:

– APS (Application Suport) podsloj– AF (Application Framework) podsloj– ZDO (ZigBee™ Device Objects) podsloj

APS podslojAPS podsloj Predstavlja interfejs

između NWK i APL sloja Servisi poseduju dva

entiteta, APSDE i APSME APSDE obezbeđuje prenos

podataka između uređaja u istoj mreži

APSME obezbeđuje:– otkrivanje i

povezivanje uređaja– održavanje AIB

(APS Information Base)

AF podslojAF podsloj Okruženje u kojem su smešteni aplikacioni objekti Među sobom primaju i šalju podatke preko APSDE-SAP Kontrola i upravljanje aplikacionim objektima

je izvedena preko ZDO javnog interfejsa Može biti definisano do 240 različitik aplikacionih objekata Svaki objekat je povezan na jednu krajnju tačku

indeksiranu od 1 do 240 Krajnja tačka 0 rezervisana je za spregu sa ZDO Krajnja tačka 255 rezervisana je za širokodifuziju Aplikacionom objektu obezbeđuje dva servisa podataka:

– KVP (Key Value Pair) servis– MSG (Message) servis

ZDO podslojZDO podsloj Inicijalizuje APS, NWK i

SSS (Secutity Service Specification) Definiše ulogu uređaja u okviru mreže:

– ZigBee Koordinator,– ZigBee Ruter ili– ZigBee Krajnji uređaj

Otkriva uređaje u mreži i određuje koje aplikacione servise oni obezbeđuju

Započinje i/ili odgovara na zahteve za povezivanje Uspostavlja sigurnosne veze među uređajima u mreži

Sigurnosni servisSigurnosni servis Obezbeđuje metode za:

– osnivanje ključa– transport ključa– zaštitu frejma– upravljanje uređajem

Sigurnosni mehanizmi su primenjeni na MAC, NWK i APS Oslanja se na sigurnosni servis IEEE 802.15.4-2003 Koristi AES (Advance Encryption Standard) – 128 bita Sigurnost mreže zavisi od:

– čuvanja simetričnog ključa– iskorišćenih zaštitnih mehanizama– implementacije kriptografskih mehanizama

Zbog ‘low-cost’ arhitekture ZigBee uvodi neke pretpostavke

Topologija mreže - zvezdaTopologija mreže - zvezda Mrežu kontroliše jedan uređaj

– ZigBee koordinator Svi ostali uređaji su

Krajnji uređaji ZigBee koordinator

inicijalizuje i upravlja uređajima u mreži

Krajnji uređaji međusobno komuniciraju posredstvom ZigBee koordinatora

Topologija mreže - stabloTopologija mreže - stablo ZigBee koordinator pokreće mrežu i vrši izbor ključnih parametara Mreža je proširena korišćenjem ZigBee rutera Mreža se sastoji od više povezanih zvezdastih mreža Uređaj direktno komunicira sa svojim ocem ili svojom decom ZigBee ruter prenosi podatke i kontrolne poruke kroz mrežu ZigBee ruter koristi hijerarhijsku strategiju rutiranja Može koristiti signal-orjentisane komunikacije IEEE 802.15.4-2003

Topologija mreže - mrežaTopologija mreže - mreža Slična topologiji stabla Dozvoljava punu komunikaciju entiteta istog nivoa ZigBee ruteri ne mogu emitovati ispravne

IEEE 802.15.4-2003 signale Implementacija ovakve topologije zahteva

mnogo više memorijskog prostora

ZigBeeZigBee™ ™ && Microchip Microchip Microchip razvija ‘’Microchip stack for ZigBee™’’ Odlična osnova za dalju primenu ZigBee™ tehnologje Podržava:

– Topologiju zvezde, stabla i mreže– RFD, FFD, ZigBee koordinator, ruter i krajnje uređaje– 254 ulaza po mreži ili čvoru– Tabela suseda i tabela veza

Podrška za Chipcon CC2420 RF Transceiver 2.4 GHz Podržava celu PIC18 familiju mikrokontrolera Automatska podrška za MPLAB® C18 kompajler Dostupna je PICDEM Z razvojna ploča

ZigBeeZigBee™ ™ && Microchip Microchip Za jedan čvor, potreban je minimalna broj komponenti:

– PIC18 mikrokontroler sa SPI™ interfejsom– RF tranresiver sa porebnim eksternim komponentama– Antena, PCB ili monopolna

ZigBeeZigBee™ ™ && Chipcon Chipcon Chipcon je proizveo CC2420

RF Transceiver na 2.4 GHz Pruža potpunu podršku

ZigBee tehnologiji i MAC sloju

Niska cena, mala potrošnja i minimum dodatih komponenti

Pruža hardversku podršku za AES-128 enkripciju podataka

Omogućuje rukovanje paketima, baferisanje, indikaciju kvaliteta veze, programabilnu snagu, kontrolu baterija

DSSS modem 250 kbps, SPI

ZigBeeZigBee™ ™ && Atmel Atmel Atmel nudi nekoliko rešenja za ZigBee™ stek i

IEEE 802.15.4-2003 radio AT86ZL3201 Z-Link™ Controller

– 8-bitni AVR™ mikrokontroler za IEEE 802.15.4 i ZigBee™– 128-bita AES (Advanced Ecryption Standard)– NIST sertifikovan generator slučajnih brojeva– 868-915 MHz i 2.4 GHz radio opseg

AT86RF210 Z-Link™ Transceiver– šalje i prima BPSK modulisane digitalne podatke– 868 MHz i 902-928 MHz opseg, 20 – 40 kbps– DSSS, Kristalom stabilisana Fractal-N sinteza– niska cena, mala potrošnja, nadgledanje baterija

ZigBeeZigBee™ ™ && Atmel Atmel Za jedan čvor, potreban je minimalna broj komponenti:

– AT86ZL3201 Z-Link™ Controller– AT86RF210 Z-Link™ Transceiver sa potrebnim komponentama– Antena, PCB ili monopolna

ReferenceReference Institute of Electrica and Electronics Engineers, inc.,

IEEE Std. 802.15.4-2003, IEEE Standard for Information Technology. New York: IEEE Press. 2003.

ZigBee™ Document 053474r06, Version 1.0, 14.12.2004. ANSI X9-63.2001, Public Key Cryptography

for the Financial Services Industry. Microchip Stack for ZigBee, Version 1.0-3.2, Avgust 2005. http://www.zigbee.org http://www.ansi.org http://www.microchip.com http://www.atmel.com http://www.chipcon.com