Soutenance de Projet de Fin d’Etude

Réalisé par : Amin FERJANI

Responsable Entreprise : Mr. Nizar GHRAMResponsables INSAT  : Mr. Lanouar KAABI & Mr. Lotfi Hassine

Société : ALPHA TECHNOLOGY

Institut National des Sciences Appliquées

et de Technologie

1

ETUDE ET DÉVELOPPEMENT D’UN MODULE RADIO UNIVERSEL DE TELE MESURE ET TÉLÉ CONTRÔLE

CONFORME AU STANDARD ZIGBEE™

Soutenu le 12 janvier 2008

Présentation de l’entreprise

• ALPHA TECHNOLOGY start up spécialisée dans la conception et la fabrication des systèmes électroniques embarqués exploitant l’infrastructure de télécommunication GSM GPRS pour les applications M2M dans les domaines automobiles, monétique, télé surveillance d’installations.

 

Produits:• Calculateur de géo localisation de véhicule AVL• Affichages électronique à LED.• Calculateur embarqué universel à base de processeur ARM9 32 bits 200MIPS.

Services:• CAO et prototypage de cartes électronique en technologie multicouches et CMS.• Développement de logiciel sur cible embarqué• Développement d’application à base de circuit FPGA

Situé à Tunis cité El Khadhra-Tunisie

Site web: www.alphatec.com.tn

2

Plan de l’exposé

3

Introduction

Présentation des standards

IEEE 802.15.4

ZigBee

Implémentation

Applications

Conclusion

Évolution

4

… 2002 2003

• Domination des solutions propriétaires

• Emergence du standard IEEE802.15.4

• Focalisation par les intégrateurs de système

• $.1 -$1 milliard de chiffre d’affaire

• Cout de l’unité entre $1,000-$100

2004 2005 2006

• Fanage des solutions propriétaire

• Emergence de la technologie Zigbee

• Focalisation par les fabricants de semi conducteur

• Adoption par les premiers fabricants d’équipements originaux

• Industrie de $1-$10 milliards

• Cout unitaire $100 - $10

2007 2008 2009

• Domination des standards

• Omniprésence des dispositifs sans fils

• Adoption par les fabricants de semi conducteurs OEM

• Industrie de $10 -$100+ milliards

• Coût unitaire $10 - $1

5

Introduction

Présentation des standards

IEEE 802.15.4

ZigBee

Implémentation

Applications

Conclusion

6

802.22WMAN

802.20MBWMA

802.19Coexistance

802.11 WIFI

802.16WiMax

802.15 WGWPAN 802.15.4

802.15.3

802.15.1Bluetooth

802 WLAN/MAN

Univers de communication courte distance

WiFi/802.11•réseaux de PC•réseaux domestique•Distribution de Video

ZigBee/802.15.4• immotique• contrôle • Supérvision Industrielle• Logistique• Capteurs• domotique / Sécurité• télérelève des compteurs

Radio Faible débit Propriétaire •jeux •périphériques pour PC •Audio •télé relevé des compteurs •Gestion des immeubles •Automotive

100m

10m

1m

Po

rtée

Débit (bps)1K 10K 100K 1M 10M

1000m

Bluetooth•micro casque•Périphériques PC•PDA/mobile

Critère de Différentiation•consommation électrique•caractéristique réseau•Complexité•Débit•Fiabilité•Interopérabilité•Intégration

7

Comparaison

8

Market name

Standard

ZigBee ®

802.15.4

---GSM/GPRS CDMA/1xRTT

Wi-Fi TM

802.11b

Bluetooth TM

802.15.1

Applications visées Supervision et contrôleVoix et données sur longue

distanceInternet, email, vidéo Remplacement cable

Ressources système 4Ko-32Ko 16 Mo+ 1 Mo+ 250 Ko+

Autonomie (jours) 100-1000+ 1-7 0,5-5 1-7

Taille réseau Illimité (264) 1 32 7

Bande passante (KB/s) 20-250 64-128+ 11.000+ 720

Portée 1-100+ 1.000+ 1-100 1-10+

AvantagesFiabilité, consommation et

coûtQualité Vitesse, Flexibilité Commodité

Architecture en couche

9

ZigBee Application (APL)

ZigBee Network (NWK)

IEEE 802.15.4 2003 (MAC)

IEEE 802.15.4 2003 (PHY)

NLDE-SAP NLME-SAP

MLDE-SAP MLME-SAP

PD-SAP PLME-SAP

ZIGBEE™ ALLIANCE

10

• Ecosystème (Fournisseurs de Chip, Intégrateurs, OEM…• Chairman Bob Heile• Pas d’entreprises ou d’éléments dominants

11

Introduction

Présentation des standards

IEEE 802.15.4

ZigBee

Implémentation

Applications

Conclusion

Standard IEEE 802.15.4

• Protocol léger de transmission sans fil pour les réseaux privé à faible trafic.

12

Fiable

simple

sécurisé

Faible consommation

IEEE 802.15 TG4

• Débit de 250 kbps, 40 kbps, and 20 kbps. • Deux modes d’adressages ; réduit à 16-bit

Etendue à 64-bit (264 nœuds possible)• Latence faible• Accès au canal controlé par CSMA-CA • Établissement de réseau automatique par le coordinateur• Confirmation de la réception • Forte consideration sur la consommation pour assurer une longue

autonomie• Utilisable sous plusieurs bandes de fréquence.

13

14

Introduction

Présentation des standards

IEEE 802.15.4

ZigBee

Implémentation

Applications

Conclusion

Couche Physique (PHY)

PD-SAP PLME-SAP

Sous couche (MAC)

MLME-SAPMCPS-SAP

15

Introduction

Présentation des standards

IEEE 802.15.4

ZigBee

Implémentation

Applications

Conclusion

Couche Physique (PHY)

PD-SAP PLME-SAP

Sous couche (MAC)

MLME-SAPMCPS-SAP

Occupation spectrale

16

868MHz/915MHz PHY

2.4 GHz

868.3 MHz

Canal 0

Channels 11-26

2.4835 GHz

5 MHz

Canaux 1-10

928 MHz902 MHz

2 MHz

2.4 GHz PHY

802.11 Canaux du Wifi802.11 Bandes Typique du WiFi

17

Transformation Bit →Symbole

ModulationO-QPSK

Transformation Symbole →Chip

Données binaires Signal Modulé

Symbole Sequence de Chip (C0, C1, C2, … , C31)

0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 1 1 1 0

1 1 1 1 0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0

2 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 0

…. 0 1 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 1

15 1 1 0 0 1 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 0 0 0

18

Transformation Bit →Symbole

ModulationO-QPSK

Transformation Symbole →Chip

Données binaires Signal Modulé

Symbole Sequence de Chip (C0, C1, C2, … , C31)

0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 1 1 1 0

Tc=0,5µs

15

1E-9

1E-8

1E-7

1E-6

1E-5

1E-4

1E-3

1E-2

1E-1

1E-0

-10 -5 0 5 10Signal-to-Noise Ratio (SNR)

Bit

Err

or R

ate

(BE

R)

Bluetooth

WifiZigbee

Format du Paquet Physique

21

Octets

Préambule (4 octets) SFD (1 octet) Taille de la trame (7bits) PSDU

1

PHR

variable

PHY PayloadSHR (synchronisation)

Fonctionnalités des couches inférieurs

22

Application

Routage

802.15.4 MAC

802.15.4 PHY

• CSMA-CA• Balise & synch.• Assoc. et

Dissociation• Mode Tx

directe/Ind./GTS• Filterage

• ED• CCA• LQI• Filtering• Multi-

Channel

Structure de la super trame

23

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Balise

GTS

SD = Durée basique de la Super trame x 2SO symboles

(Active)

Période d’accès concurrentiel CAP CFP

GTS Inactive

BI = aBaseSuperframeDuration x 2BO symboles

Modèle de la couche MAC

24

MCPS-SAP

MLME

MLME-SAP

PLME-SAPPD-SAP

MAC PIB

Elément partagé de la couche MAC

Fig. Modèle de la couche MAC

Procédure CSMA non Slotté

25

NB=0

Delai aléatoireRandom(2BE-1)

CCA

Canal libre ?

NB=NB+1, BE=min(BE+1,macMaxBE)

Echec succès

V

F

V

F

NB> macMaxCSMBackoffs

Procédure CSMA Slotté

26

NB=0, CW=2

BE=min (2,macMinBE)

BE=macMinBE

Différer de random(2BO -1) backoff période

Effectuer un CCA

CW=2, NB=NB+1, BE=min(BE+1,macMaxBE)

Echec

CW=CW-1

Succès

Prolongement autonomie batterie ?

Canal libre ?

NB> macMaxCSMBackoffs

CW=0 ?

V

F

V

FV

F

V

ZigBee™

27

Introduction

Présentation des standards

IEEE 802.15.4

ZigBee

Implémentation

Applications

Conclusion

Couche Physique (PHY)

PD-SAP PLME-SAP

Sous couche (MAC)

MLME-SAP

SSP

NLS

EA

PS

S

MCPS-SAP

Couche réseau (NWK)

NLDE-SAP

Sous couche de support d’Application (APS)

APSDE-SAP APSDE-SAP AP

SM

EA

PS

ME

APSDE-SAP

Application 240 Application1

ZP

UI

ZigBee Device Object

(ZDO)[Endpoint 1][Endpoint 240]

Cadre des Applications

[Endpoint 0]

Couche réseau

28

Introduction

Présentation des standards

IEEE 802.15.4

ZigBee

Implémentation

Applications

Conclusion

Couche Physique (PHY)

PD-SAP PLME-SAP

Sous couche (MAC)

MLME-SAP

SSP

NLS

EA

PS

S

MCPS-SAP

Couche réseau (NWK)

NLDE-SAP

Sous couche de support d’Application (APS)

APSDE-SAP APSDE-SAP AP

SM

EA

PS

ME

APSDE-SAP

Application 240 Application1

ZP

UI

ZigBee Device Object

(ZDO)[Endpoint 1][Endpoint 240]

Cadre des Applications

[Endpoint 0]

Topologie

29

etoile

RFD

FFD

Coordinateur PAN

maille

arbre

Auto restauration des chemins

30

Dispositif Zigbee

Parasite

A

B

APS

31

Introduction

Présentation des standards

IEEE 802.15.4

ZigBee

Implémentation

Applications

Conclusion

Couche Physique (PHY)

PD-SAP PLME-SAP

Sous couche (MAC)

MLME-SAP

SSP

NLS

EA

PS

S

MCPS-SAP

Couche réseau (NWK)

NLDE-SAP

Sous couche de support d’Application (APS)

APSDE-SAP APSDE-SAP AP

SM

EA

PS

ME

APSDE-SAP

Application 240 Application1

ZP

UI

ZigBee Device Object

(ZDO)[Endpoint 1][Endpoint 240]

Cadre des Applications

[Endpoint 0]

Modèle de la sous couche de support d’application

32

Couche réseauCouche réseau

Couche supérieurCouche supérieur

APSME APSDE

APSDE-SAPAPSDE-SAP APSME-SAP APSME-SAP

NDLE-SAP NDLE-SAP

APS IB

NLME-SAP NLME-SAP

Le Cadre des Applications

33

Introduction

Présentation des standards

IEEE 802.15.4

ZigBee

Implémentation

Applications

Conclusion

PD-SAP PLME-SAP

Sous couche (MAC)

MLME-SAP

SSP

NLS

EA

PS

S

MCPS-SAP

Couche réseau (NWK)

NLDE-SAP

Sous couche de support d’Application (APS)

APSDE-SAP APSDE-SAP AP

SM

EA

PS

ME

APSDE-SAP

Application1

ZP

UI

ZigBee Device Object

(ZDO)[Endpoint 1][Endpoint 240]

Cadre des Applications

[Endpoint 0]

Application 240

Couche Physique (PHY)

Modélisation des Appareils

34

Objet lampe

Zigbee Device Object

(e.g.zigbee Coordinator)

Objet Switch

Zigbee Device Object

(e.g.zigbee Coordinator)

Modélisation orientée objets des appareils.les applications communiquent par l’échange de Clusters et d’attributs.Mécanisme d’établissement de liens

ON/OFF

Bibliothèque de clusters ZigBee®

35

Domaine fonctionnelCluster ID

Range

General 0x0000 . 0x00ff

Closures 0x0100 . 0x01ff

HVAC 0x0200 . 0x02ff

Lighting 0x0300 . 0x03ff

Measurement and sensing 0x0400 . 0x04ff

Security and safety 0x0500 . 0x05ff

Protocol interfaces 0x0600 . 0x06ff

Profiles ZigBeeHome

Automation

ZigBee Cluster Library

capteursHVAC*

sécurité

industrie

éclairage

contrôle

Indutrial plant monitoring

immotique Automatic Meter Reading

Descripteur Simple d’application

36

Nom du Champ Taille (Bits)

Endpoint 8

Application profile identifier 16

Application device identifier 16

Application device version 4

Reserved 4

Application input cluster count 8

Application input cluster list 16*i (avec i le nombre de cluster en entrée dans l’application.)

Application output cluster count 8

Application output cluster list 16*o (avec o le nombre de cluster en sortie dans l'application)

Radio

Z2 EP 5 EP7 EP 8 EP 17

Radio Z1

Switch 1 EP 3

Switch 2 EP 21

Switch Unit

Clusters (commandes)Transported via Bindings

EP : Endpoint

Lamp Unit

Lamp1 Lamp2 Lamp3 Lamp4

ZDO

38

Introduction

Présentation des standards

IEEE 802.15.4

ZigBee

Implémentation

Applications

Conclusion

Couche Physique (PHY)

PD-SAP PLME-SAP

Sous couche (MAC)

MLME-SAP

SSP

NLS

EA

PS

S

MCPS-SAP

Couche réseau (NWK)

NLDE-SAP

Sous couche de support d’Application (APS)

APSDE-SAP APSDE-SAP AP

SM

EA

PS

ME

APSDE-SAP

Application 240 Application1

ZP

UI

ZigBee Device Object

(ZDO)[Endpoint 1][Endpoint 240]

Cadre des Applications

[Endpoint 0]

Descripteur du nœud

39

Libellé du champ taille (bits)

Logical type 3

Complex descriptor available 1

User descriptor available 1

Reserved 3

APS flags 3

Frequency band 5

MAC capability flags 8

Manufacturer code 16

Maximum buffer size 8

Maximum transfer size 16

Server Mask 16

Logical Type Value b2b1b0

Description

000 ZigBee coordinator

001 ZigBee router

010 ZigBee end device

011-111 Reserved

Bits: 0 1 2 3 4-5 6 7

Alternate PAN coordinator

Device type

Power source

Receiver on when idle

Reserved Security capability

Allocate address

Descripteur d’alimentation

40

Nom du Champ Taille (Bits)

Current power mode 4

Available power sources 4

Current power source 4

Current power source level 4

Descripteur Complexe

41

Nom du champ XML Tag

Valeur de l’étiquette compressé XML b3b2b1b0 Type de donnée

Reserved - 0000 -

Langue <languageChar> 0001 ISO 639-1 language codeOu autres

Nom du constructeur <manufacturerName> 0010 Chaine de caractères

Nom du modèle <modelName> 0011 Chaine de caractères

Numéro de série <serialNumber> 0100 Chaine de caractères

URL de l’appareil <deviceURL> 0101 Chaine de caractères

Icone <icon> 0110 Octet string

URL de l’icone <outliner> 0111 Chaine de caractères

Réservé - 1000 – 1111 -

47

Introduction

Présentation des standards

IEEE 802.15.4

ZigBee

Implémentation

Applications

Conclusion

Implémentation

48

Stack ZigBee ApplicationSilicone

Utilisateur

ZigBee / Utilisateur

IEEE 802.15.4

Plateforme ZigBee compatible

Application

Profile d’Application

Application Framework

Couche réseau et sécurité

Couche Physique2.4 GHz ou 868/915 Mhz

Couche MAC

GPIO

Alimentation

CPU

MAC HW-support

Péripheriques

RAMFlash

Horloges

AES

Transmetteur RF et Modem

Code embarqué sur system MCU

Cible séléctionnée

49

• Interface RF IEEE802.15.4– 2.4 GHz– CSMA/CA – RSSI/LQI

51

B

u

s

S

F

R

B

u

s

S

F

R

B

u

s

S

F

R

B

u

s

S

F

R

B

u

s

S

F

R

B

u

s

S

F

R

RESET

32 MHz CRYSTAL OSC.

DEBUG Interface

Power on ResetBrown out

8051CPU

ADC

AUDIO/ DC

AES

cryptage & Décryptage

USART 1

TIMER1 ( 16 Bit)

Timer 2 IEEE802.15.4 MAC Timer

TIMER 3 (8 Bits)

TIMER 4 (8 Bits)

Gestionnaire d’alimentation

SLEEP TIMER

8 KB SRAM

32/64128 KB Flash

Régulateur Tension on-Chip

Horloge MUX &

Calibration

USART 0

WATCHDOG TIMER

P0_3

P0_5

P0_7

P0_6

P0_4

00_2

P0_1

P0_0

P2_1

P2_0

P2_2

P2_3

P2_4

DigitalAnalogiqueMixte

IRQ CTRL

Contrôleur Flash

VDD 2.0-3.6V DCOUPL

RESET_N

XOSC_Q2

XOSC_Q1

32.768 KHzCRYSTAL OSC

High SpeedRC-OSC

32 KHzRC-OSC

CC2430

P1_6

P1_5

P1_4

P1_3

P1_2

P1_1

P1_0

P1_7

RF_P RF_N

Réce

ption

Transmission

FIFO

AGC Démodul. Modul.SYNT

H

Interface Radio Data

Registre Radio

Processeur CSMA/CA

Arbitre de

mémoireDMA

• Microcontrôleur 8051

Optimisé (8x) RISC Double pointeur 32 MIPS In-circuit debugging avec

l’environnement IAR® EW

Interrupt number

Description Interrupt name

0 RF TX FIFO underflow and RX FIFO overflow.

RFERR

1 ADC end of conversion ADC

2 USART0 RX complete URX0

3 USART1 RX complete URX1

4 AES encryption/decryption complete

ENC

5 Sleep Timer compare ST

6 Port 2 inputs P2INT

7 USART0 TX complete UTX0

8 DMA transfer complete DMA

9 Timer 1 (16-bit) capture/compare/overflow

T1

10 Timer 2 (MAC Timer) T2

11 Timer 3 (8-bit) compare/overflow T3

12 Timer 4 (8-bit) compare/overflow T4

13 Port 0 inputs P0INT

14 USART1 TX complete UTX1

15 Port 1 inputs P1INT

16 RF general interrupts RF

17 Watchdog overflow in timer mode

WDT

OVFL OVFL

T1CC0

FFFFh

OVFL OVFL

0000h

FFFFh

OVFL OVFL

0000h

Free running mode

Modulo mode

Mode Up-Down

Zone mémoire du

8051

Espace mémoire DATA

0xFF

0x00

Espace mémoire registres SFR

0xFF

0x80

Espace mémoire XDATA

0xFFFF

0x0000

RAM à accès rapide0xFFFF

0xFF00 Espace programme

sur RAM à accès lent

0xE000

Registres0xDFFF

0xDF00

Non implémenté23 Ko

0xDEFF

0x8000

Espace programme en Mémoire non

volatile

0x7FFF

0x00

8Ko SRAM

Registre SFR

Registre RF

32 Ko Flash0x7FFF

0x00

0xDF80

Mémoire physique

53

Concéption

54

Réalisation

55

Applications

56

ZigBeeWireless Control that

Simply Works

RESIDENTIAL/LIGHT

COMMERCIAL CONTROL

CONSUMER ELECTRONICS

TVVCRDVD/CD

sécuritéHVACEclairageContrôle d’accèsIrrigation

PC & PERIPHERALS

INDUSTRIALCONTROL

Gestion des Objets

Contrôle des processus Gestion de

l’énergie

PERSONAL HEALTH CARE

BUILDING AUTOMATION

SécuritéHVACAMR

EclairageContrôle d’accès

Péri-informatique

Supérvision médicale

fitness monitoring

Applications

Situation favorisant l’utilisation de réseau sans fil

• Environnement difficile à câbler.

• Besoin de déploiement rapide

• Eviter une maintenance fastidieuse .

57

Domaines d’application

automatisation des équipements

• Eclairage• Chauffage/Climatisation• Ventilation• Sécurité

Domotique

58

Gestion des Bâtiments

• Coordination entre les installations

• Plateforme de supervision unique

• gestion plus efficace

• Aisance du contrôle des équipements

59

Supervision Industrielle (IPM)

• Mesure périodique et fréquente

• Réactivité plus rapide aux pannes

• Calibrage à distance• Réduire l’exposition du

personnel au danger• Planification rigoureuse des

opérations de maintenance

60

Télé relève des compteurs (AMR)

• Comptage évolué• Réseau flexible et extensible • Relevé périodique• Maitrise de la demande en

période de pointe• Contrôle de la consommation• Offre horotarifaire « smart

Price Plan »• Réduction de la fraude• Réduction des réleveurs.

61

Autres applications

liste non exhaustive

• Suivi médical• Environnement et Ecologie• Défence et sécurité national• Contrôle d’accès• Gestion de stock /inventaire• Dépistage de dispositif

mobile

62

Conclusion

63

Zigbee est une technologie sans fils gérée par la Zigbee alliance et développée sur une norme globale et ouverte afin de cibler les besoins de bas prix et faible consommation d'énergie des réseaux de capteurs sans fils.

Zigbee tire tous les avantages de la norme IEE 802.15.4 et opère dans la bandes de fréquences mondiales non réservées (donc libres de licences).

Zigbee est conçu pour transporter des données de manière fiable et sécurisée à travers l'environnement bruité des Radios Fréquences.

64

Merci pour votre attention

65

Merci pour votre attention

66

Merci pour votre attention

Perspectives

67

68

HighMediumLow

Text• Text

Text• Text

Text• Text

Text• Text

69

Business Strategy

Manufacturing Strategy

ConfigurationSystems

ResearchFocus

LaborPolicy

ProductDesign

Makevs.Buy

Organization

ProcessDesign

üû

Couche Physique (PHY)

PD-SAP PLME-SAP

Sous couche (MAC)

MLME-SAP

Fournisseur de services de sécurité N

LSE

-SA

PA

PS

SE

-SA

P

MCPS-SAP

Couche réseau (NWK)

NLDE-SAP

Sous couche de support d’Application (APS)

APSDE-SAPAPSDE-SAP APSDE-SAP

AP

SM

E-S

AP

AP

SM

E-S

AP

[Endpoint 0]

Application 240 Application1

ZP

UI

ZigBee Device Object

(ZDO)[Endpoint 1][Endpoint 240]

Cadre dApplications

Applications

71

Marchés ciblés

• Gestion des Bâtiments / Immotique• Contrôle des appareils domestiques• Contrôle industriel• Logistique• Réseaux de capteurs

73