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ZigBee Based Home Control

Wang, Sung Ho

CEO/RadioPulse Inc.

[email protected]

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2 RadioPulse, Wang, Sung Ho KRnet2007

Contents

What is ZigBee?

ZigBee Technology and Application


ZigBee Solutions of RadioPulse Inc.


What is ZigBee?


ZigBee 란 무엇인가?

A very low cost, low power consumption two-way, wireless communications standard for automation,

toys, & PC peripherals

Philips, Motorola, Intel, Samsung 등의 업체들이 근거리무선 통신 솔루션 관련된 협의체를 만듬

( Bluetooth의 단점 보완 )

Zigzag + Bee


IEEE 802 Committee


저전력 소모

소형화

단순 프로토콜 (사용 편리)

멀티 모드 네트워크 지원

대규모 네트워크 구성 지원

세계 표준 기반

네트워크의 보안성과 신뢰성

WPAN 기술 최저 전력소모 (100mW 미만)

1 cm 미만 소형 모듈

50KB 프로토콜 (블루투스 ¼ 수준)

1:1, 1:n, Mesh, 다단계 호핑 (8단계)

최대 65,536 노드 수용

IEEE 802.15.4(4b)

업계표준(지그비 얼라이언스)

최신 암호화 알고리즘 (보안성)

신뢰성 있는 라우팅 지원(네트워크 신뢰성)

시장 요구 사항 ZigBee

ZigBee 기술 주요 특징


목표시장 : ZigBee

ZigBee 의 응용시장 분야

구분 응용분야

홈 네트워크보안 시큐리티, 공조 및 난방제어, 조명 및 전력제어, 출입제어, 통합검침

자산관리 & 물류관리장비 및 주요 자산에 대한 관리 (원격 모니터링), 물류관리(출입)

PC주변기기 마우스, 키보드 및 조이스틱

빌딩자동화보안 시큐리티, 공조제어, 원격검침, 조명 및 전력제어, 출입제어

휴대폰핸즈프리, Ad-hoc 게임, SMS & Chatting, 센서인터페이스

정보가전 TV, VCR, DVD/CD, 통합 리모콘

산업자동화 공정관리, 에너지 관리, 농장관리 등

개인의료기기 환자모니터링, 독거노인 원격모니터링, 건강관리 등


ZigBee 및 802.15.4 시장 전망

ZigBee 및 802.15.4 시장 전망

ZigBee 및 802.15.4 시장은 2010년에 약 82억 불의 시장 규모로 연평균 120% 이상의 성장이 예상된다.

Source: “WSN Growing markets” On World (2005)

2006 2007

1000

2000

3000

4000

단위: 백만 불

332

2008 2009 2010

5000

6000

7000

8000

9000

689

1,535

3,447

8,212


ZigBee 칩셋 시장 전망

ZigBee 칩셋 출하량 & ASP

642 4,000 10,50029,500

75,000

135,000

235,000$6.35

$5.60

$4.40

$3.52

$2.85$2.35

$2.15

0

50,000

100,000

150,000

200,000

250,000

2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010년도

(단위 : 천개, US $)

$0

$1

$2

$3

$4

$5

$6

$7

출하량ASP

• In-Stat(2006. 8)의 조사 결과에 따르면 ZigBee 칩셋 출하량은 2007년을 기점으로 급격하게 증가할

것으로 예상됨

• 2006년 하반기 이후 주요 칩셋 업체들이 One-Chip기반으로 양산을 시작하면서 지그비 장치들은

소형화 및 저가격화가 이루어질 것으로 전망됨

출처 : In-Stat(2006. 8)


ZigBee PositioningSH

ORT

<

R

AN

GE

>

LO

NG

LOW < ACTUAL THROUGHPUT > HIGH

Text Audio Video Multi ChannelDigital Image

Bluetooth1

Bluetooth 2

ZigBee

802.11b

802.11a/HL2 & 802.11g

802.15.3/WIMEDIA

(source : ZigBee Alliance Tutorial by Bob Heile, Chairman, www.zigbee.org)

- ZigBee : low power, low cost, low data rate


WPAN Technical Comparison

Index ZigBee Bluetooth WLAN (802.11b/g)

Frequency 2.4GHz 2.4GHz 2.4GHz

Data Rate 250Kbps (1Mbps) 1Mbps 3Mbps 11Mbps 54Mbps

Network Scalability 65,536 7 2~32

Communication Channel 16 79 3

Base Technology IEEE 802.15.4 IEEE 802.15.1 IEEE 802.11b/g

Battery Life Time Up to few years Few days Few days

Network Formation Time 30msec Few Seconds Few Seconds

Routing Support8 Step Routing

Support N/A N/A

Power Down Support Yes No Yes

Range (Indoor) 50m 10m 20m


Merits against Bluetooth

1 Consumes only ½ of Bluetooth Current

2 Max 65,536 Network Nodes (Bluetooth supports less than 7 nodes)

3 Fast Network Formation – 30ms

4Wide Coverage (Reaches up to 1Km at outdoor)

5 Supports Various Network Topology (Up to 8 Step Routing, Mesh-Star-Tree Network)


ZigBee vs. 447MHz 기술비교

구분 양방향 447 MHz RF ZigBee(2.4GHz)

주파수 대역 국내 한정 / 해외 사용 불가국제적으로 사용가능( ISM 주파수대역)

프로토콜 소프트웨어호환성

지원 안됨호환성 지원 (국제표준)

HA Profile 표준

통신거리800 m @ 5mW

(테스트 패킷 크기, 4byte)

800 m @ 20mW

(테스트 패킷 크기 32byte)

통신 데이터 암호화 지원하지 않음국제 표준 암호화 알고리즘 지원

(AES-128bit)

라우팅 (통신중계) 별도의 중계장치 필요라우팅 기능지원

별도 중계장치 필요없음

혼신 가능성 혼신 가능성 있음혼신 가능성 없음

ID체계 3중화 /CSMA-CA/TDMA

데이터 전송속도2.4Kbps

노드 추가 시 통신부하 가중

250Kbps

(500kbps, 1Mbps)

송신출력 최대 5mW최대 20mW

(국가별로 다소 차이 있음)

네트워크 확장성 10개 내외 최대 65000개 확장 가능


ZigBee vs. 447MHz 전류소모 비교

Product Battery 용량

Operation

voltage

사용가능배터리 용

량(mA/h)

전력소모 @ Active

(mA/h)

전력소모 @ Sleep(mA/h), Regulator on

동작시간

(mS)

통신주기/일(회)

동작

가능일

LM2400-R

AA * 2(2850 mA/h)

2.1 ~ 3.6 2,280 30 0.014 4.10 54,000 1,046

447MHz 모듈

AA * 2(2850 mA/h)

2.7 ~ 3.6 2,280 10 0.008 846 54,000 18

배터리용량(mA) * 3600(초) * 1000 (mS)

(active time * 통신회수*전력소모 @ active )+(3600 초 * 24시간 * 1000(mS) - active time * 통신회수) * 전력소모 @ sleep

* 방전율: 평균 5% / 년

* wake-up 주기 : 1.6초

* 사용가능일=

테스트 조건

packet 크기: 127byte

wake-up: 1.6초


ZigBee Technology and Application


Target Applications

Wireless Control & Monitoring

Home network

CE

PC Peripherals

Factory Automation

Healthcare& Medical

Building Automation

(source : ZigBee Alliance Tutorial by Bob Heile, Chairman, www.zigbee.org)

Mobile Phone


Frequencies and Data Rates

BAND COVERAGE DATA RATE # OF CHANNEL(S)

2.4 GHz ISM Worldwide 250 kbps 16

868 MHz Europe 20 kbps 1

915 MHz ISM Americas 40 kbps 10


Operating Frequency Bands

868MHz / 915MHz PHY

2.4 GHz

868.3 MHz

Channel 0 Channels 1-10

Channels 11-26

2.4835 GHz

928 MHz902 MHz

5 MHz

2 MHz

2.4 GHz PHY


Basic Network Characteristics

65,536 network (client) nodes

Star, Peer-to-peer, Clustered tree.

Optimized for timing-critical applications

Network join time: 30ms (typ)

Network coordinatorFull Function nodeReduced Function node

Communications flowVirtual links


Topology Models

PAN coordinator

Full Function Device

Reduced Function Device

Star

Mesh

Cluster Tree


Custom

er

ZigBee A

lliance

IEE

E

ZigBee Protocol Stack


Stack Components

Multiple IEEE 802.15.4 PHY layers868/915 MHz and 915/2400 MHz

IEEE 802.15.4 MAC

Link layersIEEE 802.15.4, IEEE 802.2 (Type I)

Network layers implement topology commandsStar (PURL), Cluster Tree, etc.

Application convergence layerApplication can interface to all NWK layersCommon application functions


Modem/MAC Configuration

MACHardware

Engine

MACHardware

Engine

PHYPHY

ApplicationInterface

- UART- SPI- I2C- …

ApplicationInterface

- UART- SPI- I2C- …

8051Code

Data


Packet Structure

PHY Packet FieldsPreamble (32 bits) – synchronization Start of Packet Delimiter (8 bits)PHY Header (8 bits) – PSDU lengthPSDU (0 to 1016 bits) – Data field

PreambleSequence

Start ofFrame

Delimiter

PHYHeader

PHY ServiceData Unit (PSDU)

6 Octets 0-127 Octets


홈 자동화 (HA) 관련 표준화 동향

구분 표준화 동향 비고

ZigBee Alliance

HCL (조명제어) Profile 표준 완료

HA(홈 자동화) Profile 07년 7월 완료 예정

CBA(빌딩자동화) Profile: 08년 1월 표준 완료 예정

TTA ZigBee 기반 홈 네트워크 관련 표준 완료 2006년

한국 홈네트워크산업협회

ZigBee 기반 홈 자동화 프로파일 표준초안 완료07년 5월운영위원회상정


주요 산업 동향

ZigBee 적용 분야 지속 확대CBA (Commercial Building Automation) : 빌딩 자동화

USN/Wireless Sensor Network Health Care 원격검침 에 ZigBee 기술을 통합한 홈 제어 서비스 개발 (미국)

PLC 및 RF 솔루션 지그비 대체네트워크 연동성 및 확장성을 고려하여 ZigBee 솔루션 채택

RF 통합 리모콘음성 및 영상 전송을 지원하는 통합 리모콘 개발 활발

홈 넷 기기 통합 제어

소방방재법 개정에 따른 네크워크 연동 화재감지 시스템 도입화재감지기 / 소화기 / 경보기

USN/U-CITY 분야 ZigBee 기술 적용 확대시설관리 및 모니터링

무선 센서 연동


홈 네트워크 무선제어의 요구사항

저가격이어야 함

배터리가 오래가야 함

Configuration을 스스로 구성함

데이터 전송속도는 그리 높지 않아도 됨

신뢰성이 있어야 함 (Reliability)

Scalability 지원

여러 공급자의 제품 사이에 호환성이 있어야 함표준화된 프로토콜 필요

☞ ZigBee 가 가장 적합함. ZigBee 는 홈 제어분야에서가격과 기술적 요구사항을 모두 만족함


무선 홈 제어 네트워크 구성도

홈 게이트웨이

ZigBee PSTN Ethernet

485PLC

WLAN

거실방주방

DC PLC 통신(UTP, 2C)

TIV 3C

ARS

동체감지리모콘

마그네틱비상경광등

2

3 ZigBee

4

ZigBee

InternetWLAN

1

RF Bridge

ZigBee

Home View

z


가스밸브 제어

ZigBee

외부원격제어(PSTN, CDMA/PCS, Ethernet)

홈 게이트웨이

ZigBeePSTN WiFi 485PLC

CDMAPCS


조명제어

ZigBee


거실

방

주방

전원모듈 구성방식: 2선식

기축 설치시 추가배선 필요

단선식 전원모듈 개발 중

- 거실,각방의 조명ON/OFF,- 거실 DIMMING기능

홈 게이트웨이


CDMAPCS


난방제어/온도조절

최대 7개

DC PLC 통신(UTP, 2C)

TIV 3C

거실 주방 방

보일러

홈 게이트웨이

ZigBee

ZigBee


- ON/OFF 상태확인- 거실 및 방의 온도설정- 밸브제어

홈 게이트웨이


CDMAPCS


디지털 도어락

ZigBee


- 현관/공동현관 선택

- 열림

- 수초후 자동 닫힘

홈 게이트웨이


CDMAPCS


전동 커튼

ZigBee


- 거실,안방의 전동커튼 열림정지,닫힘

홈 게이트웨이


CDMAPCS


가전제어(기존 PLC/RS-485 제어 방식 연계)

PLC/RS-485


ZigBee

IR(적외선) 학습기능(리모콘을 사용하는 경우)

홈 게이트웨이



홈 시큐리티 (ZigBee+447MHz)

ZigBee


DC 7~ 12V

447MHz RF

동체감지

비상 리모콘

마그네틱(창문)

화재센서

비상경광등

칩입

화재

비상

!!

!!

!!

보안

홈 게이트웨이


CDMAPCS

RF BRIDGE

ZigBee447 RF

485


ZigBee 통합 리모콘 설계 가이드

4-inch TFT LCD

32-bit CPU

Memory

Peripheral

Power supply circuit

Battery

Battery

Audio AMP

ZigBee Module

MIC

Speaker

Battery ChargerCradle

Touch screen RC


무선 홈 네트워크 응용제품

무선 난방조절기 무선 홈 게이트웨이무선 통합 리모콘

무선 조명스위치 무선 동체 감지 센서 무선 디지털 도어락무선 가스 밸브 제어

무선 전동커튼

거실방주방

동체감지마그네틱비상경광등


LOS Coverage Test

Distance Success Rate(127 Byte)

Success Rate(22 Byte)

RSSI of Rx Module

703m 1000/10001000/1000 1000/1000 -

777m 1000/1000 1000/1000 -

1000/1000998/1000 - - 88 dBm

99.9% 100%-

979/1000973/1000997/1000

- -88 dBm

98.3% -

999/1000989/1000 - - 89 dBm

99.4% -

865/1000800/1000

973/1000992/1000 - 91 dBm

83.3% 98.3%

1075m

1000m

917m

844m

Test Site: Han River

Test Condition

TX: 5dBm

Packet Size: 127/22 bytes

+5dBm 127Byte Test Result(1.5V Open Space)

100.00% 100.00% 99.90% 98.30% 99.40%

83.30%

0.00%

20.00%

40.00%

60.00%

80.00%

100.00%

120.00%

703m 777m 844m 917m 1000m 1075m

Distance

Succ

ess

Rat

e


Home Environment Test

Test Condition

Channel 25th channel(2475 MHz)

Test Module LM2400-C, LM2400-S

Tx power 7 dBm, 5 dBm

Test Packet 127 byte

Housing Plastic

Test Site: 5 LDK/ 3 Bath (17.5 * 10 * 9 * 8.15 m)

Elevator End nodeH

Door Lock (outside)End nodeG

Door Lock (inside)RouterF

HA Console BoxCoordinatorE

HA MasterCoordinatorD

Bath in roomEnd node C

Living room End nodeB

Room End nodeA

Location Function No. Fail D ~ H (HA Console to Elevator)

100%D ~ G (HA Master to outside door lock)

FailB ~ G (Living room to outside door lock)

100 %B ~ F (Living room to inside door lock)

100 %B ~ C (Living room to bath in room)

Test Result -1

Coordinator: 5dBm(2dBi Chip Ant.), End Device(2dBi Chip Ant.)

Fail D ~ H (HA Console to Elevator)

100%D ~ G (HA Master to outside door lock)

80 %B ~ G (Living room to outside door lock)

100 %B ~ F (Living room to inside door lock)

100 %B ~ C (Living room to bath in room)

Test Result -2

Coordinator: 7dBm(4dBi Dipole), End Device(2dBi Cable-ext Chip Ant.)


ZigBee Solutions of RadioPulse


Contact InformationContact InformationPhone: 82-2-478-2963~6 Fax: 82-2-478-2967www.radiopulse.co.kr

Wang, Sung Ho Ph.D.CEO & PresidentCEO & President

Wireless Communication & Network Business DomainBusiness Domain

ZigBee Chip, ZigBee Module & Software Major ProductsMajor Products

2nd Fl. Hans B/D, Seongnae 1-Dong, Gangdong-Gu, Seoul, Korea

HeadquarterHeadquarter

April 17th. 2003EstablishmentEstablishment

Company Overview


Products & Solutions

Products & SolutionsProducts & Solutions DescriptionDescription

• MG2400-F48: 2.4GHz ZigBee Single Chip

• LM2400-XX: 2.4GHz ZigBee Module • ZigBee Stack Software Embedded on Module

DKDK • ZigBee Application Development Kit • ZigBee Stack Software Embedded on Module

SoftwareSoftware• ZPULSE: ZigBee Stack Software

LIMELIME

MANGOMANGO

• ZigBee Application Software • Home Network, AMR, POS, LBS and Etc.

• MG2450-B72: Voice-enabled 2.4GHz ZigBee Single Chip


ZigBee Single Chip

MANGO-MG2400MANGO-MG2400Main Features

• 2.4GHz ZigBee Single Chip

• Rx Sensitivity: -99dBm • RF, Base-band, MAC and MCU Integrated

• Data rate: 250kbps, 500kbps, 1Mbps • Tx Power: +4dBm/ +7 dBm (@1.8V)

• ZCP & IEEE 802.15.4 Certified

• Package: 48-PIN, 7*7mm2.4GHz

RF TransmitterFrequency

Synthesizer2.4GHz

RF Receiver

802.15.4802.15.4Base BandBase Band

ModemModem

802.15.4MAC

Program Memory(64KB / SRAM)

8051 Core

ADC Data Memory(4KB) ROM GPIO

Timer

UART

RTC

POR

AES-128

MANGO-MG2450MANGO-MG2450Main Features

• 2.4GHz ZigBee Single Chip

• Voice Codec Integrated • 96KB Flash Memory, 8KB Data Memory

• Data rate: 250kbps, 500kbps, 1Mbps

• Tx Power: +9dBm (@1.8V)

• Package: 72-PIN BGA, 5*5mm

2.4GHzRF Transmitter

FrequencySynthesizer

2.4GHzRF Receiver

802.15.4802.15.4Base BandBase Band

ModemModem

802.15.4MAC

Program Memory(96KB / FLASH)

8051 Core

ADC Data Memory(8KB) ROM

Timer

UART

RTC

POR

AES-128

GPIO

VoiceEncryption


ZigBee Module

Part Number RF Output Power Antenna Type

LM2400-S-15/18 4dBm/7dBm SMA

LM2400-C-15/18 4dBm/7dBm Chip Antenna(2dBi)

LM2400-R 4dBm/7dBm MMCX (Receptacle)

LM2400-PC Max. 14dBm Chip Antenna(2dBi)

LM2400-PR Max. 14dBm MMCX (Receptacle)

Features Description

Supply Voltage DC 2.7 ~ 3.6 V

Frequency ISM 2.4GHz

Operating Temperature -40 ~ +85 C (Industrial)

Antenna Option Chip, Dipole and Cable-form antenna

Data Rate 250Kbps for ZigBee application 500Kbps for Proprietary application

Network Topology Star, Cluster Tree and Mesh network Routing support

Number of Channel 16 Direct Sequence Channels (Software selectable)


Contact Information

RadioPulse Inc. +82-2-478-2963~6Email: [email protected]://www.radiopulse.co.kr

감사합니다.

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