Transcript Document 7701259

ELEKTROTEHNIČKI FAKULTET
BEOGRAD
ZigBee™
bežični standard
Diplomski rad
student: Ivan Begović
mentor: prof. dr Veljko Milutinović
[email protected]
[email protected]
Beograd, avgust 2005.
Šta 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 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 karakteristike
UPOREDNE
OSOBINE
ZigBee™
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 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 arhitektura
IEEE 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) 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) sloj


Definiše ga ZigBee™ Alijansa
Sastoji se od tri podsloja:
– APS (Application Suport) podsloj
– AF (Application Framework) podsloj
– ZDO (ZigBee™ Device Objects) podsloj
APS 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 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 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 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 - 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 - 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 - 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

ZigBee™ & 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
ZigBee™ & Microchip

Za jedan čvor, potreban je minimalna broj komponenti:
– PIC18 mikrokontroler sa SPI™ interfejsom
– RF tranresiver sa porebnim eksternim komponentama
– Antena, PCB ili monopolna
ZigBee™ & 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
ZigBee™ & 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
ZigBee™ & Atmel

Za jedan čvor, potreban je minimalna broj komponenti:
– AT86ZL3201 Z-Link™ Controller
– AT86RF210 Z-Link™ Transceiver sa potrebnim komponentama
– Antena, PCB ili monopolna
Reference









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