zigbee - sasa mesaric

SVEUILITE U ZAGREBU FAKULTET ELEKTROTEHNIKE I RAUNARSTVA ZAVOD ZA ELEKTRONIKE SUSTAVE I OBRADU INFORMACIJA

ZigBeeSEMINARSKI RAD IZ KOLEGIJA PODATKOVNI VIEMEDIJSKI PRIJENOS I RAUNALNE MREE

Saa Mesari

Zagreb, sijeanj 2008.

Sadraj:1. Uvod............... 1.1. IEEE 802.15.4 i ZigBee protokolni slog................. 1.2. Usporedba beinih standarda i karakteristike ZigBee-a .................................... 3. 4. 6.

2. Komopnente i topologije mree... 9. 3. Fiziki sloj....... 11. 4. Sloj podatkovnog linka.. 13. 4.1. Naini rada mree... 16. 4.2. Prijenosni modeli. 18. 4.3. Sigurnost...... 22. 5. Vii slojevi (ZigBee Alliance) 23. 6. Hardware i software.. 24. 7. Podruja primjene..... 30.

Seminarski rad : ZigBee Podatkovni viemedijski prijenos i raunalne mree

2

1. UvodZigBee je skup komunikacijskih protokola vie razine, koje definira udruenje tvrtki pod nazivom ZigBee Alliance, temeljenih na IEEE 802.15.4 standardu za WPAN (Wireless Personal Area Network) temeljenom na radijskom prijenosu. Naziv ZigBee dobio je ime po zig-zag stazi kojom se kreu pele letei izmeu cvjetova, te tako formiraju mesh mreu. IEEE 802 radna grupa 15 (working group) tj. IEEE 802.15 definira standarde koji se odnose na mree koje pokrivaju podruje u promjeru od nekoliko metara - PAN mree. Tonije, prostor na kojem se prostiru naziva se POS (Personal Operating Space). Radana grupa 802.15 sastoji se od etiri zadane podgrupe (tsak groups) : TG 1 (WPAN/Bluetooth) - definira specifikacije preuzete iz standarda Bluetooth 1.1 i gotovo da je sinonim za Bluetooth TG 2 (koegzistencija) - bavi se koegzistencijom Wireless LAN-a (802.11) i Wireless PAN-a (802.15) zbog meusobne intereferencije prilikom koritenja nelicenciranog (ISM) frekvencijskog pojasa za prijenos TG3 (WPAN High Rate) i TG3a (WPAN Alternate Higher Rate) - propisuju standarde za brzine prijenosa iznad 20Mbit/s TG4 (WPAN Low Rate) - definira standarde za jednostavnu mreu male potronje s aplikacijama i ureajima vrlo niske potronje i malih zahtjeva propusnosti (do 250Kbps)


3

1.1. IEEE 802.15.4 i ZigBee protokolni slogSlike 1.1.1. i 1.1.2. prkazuju povezanost ZigBee Alliance, te ZigBee i 802.15.4 standarda za WPAN. Ova povezanost slina je povezanosti izmeu WiFi Alliance, te WiFi i 802.11 standarda za WLAN (Wireless Local Area Network).Aplikacijski slpoj Prezentacijski sloj Sjedniki sloj Transportni sloj Mreni sloj Sloj podatkovnog linka Fiziki sloj ISO/OSI Reference Model MAC LLC PHY IEEE 802 IEEE 802.15.2 LLC IEEE 802.15.4 Wireless PAN IEEE Aplikacijski framework Mreni/Sigurnosni sloj ZigBee Korisnike aplikacije Korisnik ZigBee definira programsko okruenje (ZigBee framework) i omoguuje raznim tvrtkama jednostavnu realizaciju softvera

ZigBee

Organizacije

Slika 1.1.1. ZigBee protokolni slog, organizacije i standardi

Slika 1.1.2. ZigBee protokolni slog, organizacije i standardi


4

Aplikacije Aplikacijsko okruenje Mreni/Sigurnosni sloj IEEE 802.15.2 LLC IEEE 802.15.4 MAC IEEE 802.15.4 PHY ZigBee

Software

Aplikacije ZigBee stog

Firmware C

Hardware (RF design) Hardvare Software

Slika 1.1.3. Izvedba Zigbee protokolnog stoga

Osnovna zadaa ZigBee Alliance je definiranje mrene, sigurnosne i aplikacijske programske podrke (slojeva) temeljenih na globalnom otvorenom standardu (IEEE standard). Trenutno postoji 15 predstavnika ZigBee Alliance, te 230 tvrtki na tritu koje nude proizvode i rjeenja u skladu sa ZigBee protokolom.


5

1.2. Usporedba beinih standarda i karakteristike ZigBee-aDanas postoji nekoliko desetaka beinih tehnologija i protokola, a najee se koriste sljedee beine tehnologije : ZigBee (802.15.4) Bluetooth (802.15.1) Wi-Fi (IEEE 802.11) GSM (Global System for Mobile communications) GPRS (General Packet Radio Service) WiMax (Worldwide Interoperability for Microwave Access IEEE 802.16) UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution)

U sljedeoj tablici prikazene su karakteriste nekih on njih (tablica 1.2.1.). ZigBee 802.15.4 Namjena Sustavski resursi Trajanje baterije (dani) Broj vorova u mrei Propusnost (kbps) Doseg Kljuni zahtjevi nadziranje, upravljanje 4-32 KB >100 dana nekoliko god. >> 1 MB 5 30 11000+ 100 m brzina prijenosa GSM/GPRS glas, podaci, WAN > 1 MB 7 nekoliko K 64-128 nekoliko km kvaliteta i raznovrsnost aplikacija

Tablica 1.2.1. Usporedba nekih od najeih bezinih standarda


6

Slika 1.2.1. The IEEE 802 Wireless space

Svaki gore spomenuti standard dizajniran je za specifinu namjenu. Niti jedan standard ne nudi ono to nudi ZigBee, niti ZigBee nudi ono to nudi neki drugi standard. Karakteristike ZigBee-a su : mali protokolni stog mala potornja (velika autonomija) veliki broj vorova (tipino 216, 65K ) mala propusnost tipine aplikacije (nadziranje i upravljanje) ZigBee je jednostavni protokol, pa je veliina stoga tipino 4-32 KB, za razliku od TCP/IP protokola kojem je stog tipino 1 MB. ZigBee stog je daleko manji i on Bluetooth-ovog stoga (250 KB).


7

Sljedea vana karakteristika je trajanje baterije ili autonomija. Krajnji ZigBee ureaji esto koriste baterijsko napajanje, pa nijhova potronja mora biti svedena na minimum (podatak koji proizvoai navode je sleep current i tipino iznosi nekoliko A, pa i manje od toga). To se postie stavljanjem krajnjih ureaja u sleep mode. Sam naziv sleep mode govori nam da su krajnji ureaji u neaktivnom stanju, a njihovo buenje (aktivno stanje) inicira se nekim dogaajem npr. dogodila se neka promjena stanja koju krajnjii ureaj mora detektirati. ZigBee mrea ima veliki broj ureaja tipino nekoliko tisua do nekoliko desetaka tisua vorova. Teoretski ZigBee mrea moe imati i nekoliko milijardi vorova (vie u poglavlju 2.). Propusnost ZigBee protokola je daleko manja od drugih protokola, to je i u skladu s njegovom osnovnom namjenom. Kako je ZigBee skoro pa dominantan protokol u WSN-u (Wireless Sensor Networks, to je i njegovo glavno podruje primjene), nije ni potrebna velika propusnost, npr. imamo sklopku kojom detektiramo da li je neki prozor otvoren, ako je, onda se aktivira alarm. Sklopka je sopjena na digitalne ulaze krajnjeg ZigBee ureaja. Sklopka ima dva stanja : otvorena je ili zatvorena (binarno 0 ili 1). Vidimo da je za prijenos ove informacije dovoljan samo jedan jedini bit, stoga nema potrebe za velikom propusnosti. Doseg je takoer jedan od vanih parametara prilikom dizajniranja sustava. Doseg ZigBee ureaja je tipino nekoliko stotina metara, a moe biti i do nekoliko km (vie u poglavlju 6.). Doseg prvenstveno ovisi o hardverskoj izvedbi i okolini (unutarnji ili vanjski prostori).


8

2. Komponente i topologije mreeWPAN (Wireless Personal Area Network) mrea podrazumijeva barem dva ureaja koja komuniciraju na POS (Personal Operating Space) podruju. ZigBee mrea je WPAN mrea koji ima tri vrste ureaja: ZigBee Coordinator (ZC) ZigBee Router (ZR) ZigBee End Device (ZED) Svaka ZigBee mrea mora imati samo jedan coordinator, on je prvi dodani ureaj u mrei. Coordinator je glavna toka mree. Na njemu je implementiran cijeli ZigBee stog i sadri dodatne resurse koji su potrebni za obavljanje mrene koordinacije ili usmjeravanje. Njegove zadae su : uspostavljanje mree dodjeljivanje mrenih adresa vorovima briga za sigurnost i ispravnost razmjene podataka izmeu vorova Router je neobavezan ureaj u mrei. Njegovo dodavanje u mreu omoguava veem broju vorova spajanje u mreu i na taj nain on fiziki poveava domet mree. On se ponaa kao usmjernik prosljeujui podatke izmeu drugih router-a, krajnjih ureaja (end device-a) i coordinatora. End device je krajnji ureaj koji komunicira s okolinom. ZigBee mrea podrava sljedee mrene topologije (slika 2.1.): zvijezda (eng. star) klaster (eng. cluster, grozd) mrea (eng. mesh)


9

Slika 2.1. Topologije ZigBee mree

Svaki ZigBee ureaj ima jedinstvenu 64-bitnu adresu. Koritenjem takve proirene adrese mogue je adresirati bilo koji ureaj u mrei. Nakon to se ureaj prijavi coordinator-u, on ga upie u tablicu u memoriji u kojoj se 64-bitnoj adresi pridruuje 16-bitna adresa. Na taj nain, ureaji unutar mree mogu komunicirati pomou 16-bitnih adresa. Coordinator omoguuje i komunikaciju ureaja iz mrea s razliitim mrenim identifikatorima, dakle komunikaciju izmeu dvije neovisne ZigBee mree. U tom je sluaju ureaj potrebno adresirati pomou 64 bitne adrese u mrenog identifikatora.


10

3. Fiziki slojFiziki sloj predstavlja suelje prema MAC podsloju i fizikom radio kanalu preko RF firmvera i RF softvera. IEEE 802.15.4 standard derinira rad u tri frekvencijska podruja s 27 kanala (od 0 do 26): 2.4 GHz (24002483.5 MHz) o slobodni (nelicencirani) ISM pojas (Industrial Scientific Medical) o brzina prijenosa 250 kbps o 16 kanala (od 11 do 20) o DSSS s O-QPSK (direct-sequence spread spectrum, offset-quadrature phase shift keying modulation) 868/915 MHz (868868.6/ 902928 MHz): o Europa i Amerika o brzina prijenosa 20 ili 40 kbps o 11 kanala (od 0 do 10) o DSSS s BPSK (binary phase shift keying modulation)

Sredinja frekvencija rauna se prema formuli: Fc = 868.3 MHz, za k = 0, Fc = 906 + 2 (k 1) MHz, za k = 1, 2, ..., 10, Fc = 2405 + 5 (k 11) MHz, za k = 11, 12, ..., 26 Slika 3.1. prikazuje spektar RF kanala za 802.15.4 na 2,4 GHz. Spektar zapoinje na frekvenciji 2400MHz. Od te frekvencije pa nadalje nalazi se 16 kanala irine 3MHz. Razmak izmeu kanala je 5 MHz pri emu je razmak izmeu kanala frekvencijska udaljenost izmeu toaka kanala jednakih vrijednosti amplituda.

Slika 3.1. Spektar radio kanala za ZigBee na 2.4 GHz


11

Kako ZigBee, Wi-Fi i Bluetooth koriste isti frekvencijski pojas (2,4 GHz) dolazi do meusobne interferencije. Tu problematiku rjeava IEEE 802.15 TG 2 koja se bavi koegzistencijom WPAN-a i WLAN-a odnosno protokolima podsloja LLC (Logical Link Control). Na slici 3.2. prikazana je interferencija ZigBee-a i Wi-Fi-a.

Slika 3.2. Interferencija ZigBee-a i Wi-Fi-a

ZigBee koristi DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) - metodu radijskog prijenosa podataka. Kod ove metode signal se nekom funkcijom raspruje po cijelom frekvencijskom pojasu.


12

4. Sloj podatkovnog linkaSloj podatkovnog linka dijeli sa na dva podsloja: sloj upravljanja pristupom mediju (MAC) sloj upravljanja logikim linkom (LLC) Protokole MAC podsloja propisuje IEEE 802.15.4, a protokole LLC podsloja IEEE 802.15.2 - grupa koja se bavi koegzistencijom WPAN-a (ZigBee) i WLAN-a (WiFi). Cilj joj je rijeiti meusobna preklapanja koja se javljaju zbog koritenja nelicenciranog dijela frekvencijskog pojasa - ISM pojas. Prilikom realizacije ureaja koji implementira funkcije podsloja upravljanja pristupom mediju (Medium Access Controller) potrebno je zadovoljiti dvije stvari: potronja mora biti minimalna kapacitet procesora mora biti uglavnom usmjeren na korisnike aplikacije MAC funkcionalnosti realiziraju se i hardverski i softverski - mikrokontrolerom i flash memorijom, za razliku od PHY sloja koji je u potpunosti izveden hardverski RF IC podatkovnim modemom. Vei dio funkcionalnosti MAC podsloja ostvaren je hardverskom izvedbom jer je hardver bolje optimiziran za prethodno navedene zahtjeve MAC podsloja. Pojam ostvarenja hardverom zapravo se odnosi na firmver - softver ugraen u hardver ili drugim rijeima, na sve ono to nije isto softversko rjeenje. Na taj je nain "rastereen" procesni dio mikrokontrolera koji onda svoj rad moe usmjeriti prvenstveno na aplikacije (izvoenje istog softvera korisnike aplikacije). Primjer MAC funkcionalnosti koje su ostvarene u firmveru prikazane su slikom 4.1. Primjer su sigurnosni mehanizmi na razini MAC podsloja - AES enkripcija i dekripcija. Takoer, upravljanje potronjom koje se svodi na prebacivanje ureaja iz stanja spavanja u aktivno stanje (zbog neke vanjske pobude) ostvareno je na ovaj nain.


13

Slika 4.1. Podjela MAC kontrolera na izvedbene hardverske tj. firmver blokove

Broj funkcionalnosti MAC podsloja koja su ostvarene softverski je minimalan budui da softverska izvedba na ovom sloju najee nije optimalno rjeenje i oduzima procesorske cikluse koje bi mogli koristiti aplikacijski slojevi. Funkcionalnosti koje su izvedene softverski se odnose na upravljanje mreom te mogunost mree da bude samoorganizirajua i samoizljeiva. Primjerice, superframe / beacon upravljanje ostvareno je softverski, kao i dodatni sigurnosni mehanizmi. Najvei dio softvera je C kod i ugraen je u prevedenom (compiled version) obliku. Primjer SoC(System On Chip) rjeenja odnosno prikaz ZigBee beinog ureaja nalazi se na slici 4.2. Vidljive su komponente takvog sustava na ipu koje su potrebne za ostvarenje ZigBee ureaja : podatkovni modem (elektronike komponente) mikrokontroler i memorijski podsustav o dio funkcionalnosti su u obliku asemblerskog koda (ili nekog drugog) ugraene u hardver - nalaze se u flash memoriji mikrokontrolera o dio funkcionalnosti je u obliku C koda u prevednoj verziji pohranjen u memoriji protokolni i aplikacijski procesor o ostvaruje vezu izmeu MAC podsloja i viih slojeva te zbog toga ima i pristup memorijskom podsustavu - dio je upravljake logike mikrokontrolera IO podsustav koji je suelje korisnika prema vanjskom svijetu


14

Slika 4.2. Komponente ZigBee ureaja


15

4.1. Naini rada mreeOpenito, pristup mediju odvija se prema CSMA/CA protokolu (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance). CS - ureaji mjere napon na mediju kako bi ustanovile da li je medij slobodan, MA - radi se o viestrukom decentraliziranom pristupu mediju, CA - izbjegavanje kolizija zbog nerazdvajanja broadcast i logikih domena, back - off algoritam Nakon to se krajnji ureaji prijave PAN koordinatoru i na taj se nain uspostavi mrea, oni se "natjeu" za koritenje prijenosnog medija prema protokolu CSMA/CA. Takav nain rada naziva se non-beacon nain rada. Drugim rijeima, PAN koordinator itavo vrijeme oslukuje da li neki krajnji ureaj zahtjeva od njega nekakve aktivnosti. Oito je da mora biti itavo vrijeme aktivan te se zbog toga uteda energije svodi na utedu u krajnjim vorovima. Ovakav je nain funkcioniranja mree neprikladan za ureaje ije aplikacije zahtjevaju brzo reagiranje tj. zahtjevaju iznimno mala kanjenja i veliku propusnost. PAN koordinator kod ovakvog tipa mree nije napajan iz baterije, dok krajnji ureaji jesu. Ovaj problem rjeava beacon nain rada. Za ovakav pristup mediju upotrebljava se naziv unslotted CSMA/CA. Ukoliko ureaji rade u beacon nainu rada moraju imati ukljuenu opciju koritenja tzv. nadzornog-okvira (superframe). Oblik nadzornog-okvira odreuje PAN koordinator. Takoer, jedino PAN koordinator ima mogunost slanja nadzornog-okvira. Nadzorni okvir je prikazan slikom 4.1.1.

Slika 4.1.1. Struktura nadzornog okvira

Iz slike je vidljivo da je nadzorni-okvir podijeljen na 16 jednakih vremenskih prikljuaka (time slots). Na prvom vremenskom prikljuku alje se beacon okvir koji slui za dojavu upravljakih postavki do krajnjih ureaja. Dakle, taj okvir krajnjim ureajima donosi informacije o primjerice PAN identifikatoru i openito opisuje strukturu nadzornog-okvira na temelju ega se krajnji ureaji sinkroniziraju i organiziraju svoj rad iz vremenskog aspekta kako to propisuje nadzorni-okvir tj. PAN koordinator. Jednako kao to nadzorni-okvir propisuje vrijeme kada su krajnji ureaji pridrueni PAN koordinatoru aktivni ili neaktivni (aljui im beacon okvir u kojem se nalaze sve informacije) jednako tako nadzorni-okvir definira vrijeme kada je PAN koordinator aktivan ili neaktivan. Dakle, unutar vremena trajanja 16 vremenskih prikljuaka, koordinator moe imati neaktivne dijelove tokom kojih ne komunicira sa svojom mreom i tada se nalazi u stanju "spavanja" te mu je potronja svedena na minimum.Seminarski rad : ZigBee Podatkovni viemedijski prijenos i raunalne mree

16

Vremenski raspon od poetka nadzornog-okvira (tonije od zavretka beacon okvira) pa do poetka sljedeeg nadzornog okvira je vrijeme tokom kojeg krajnji ureaji mogu pristupati prijenosnom mediju. Protokol prema kojem se odvija pristup krajnjih vorova do prijenosnog medija je CSMA/CA protokol, a period pristupa mediju je CAP period (Contention Access Period). U ovom nainu rada pristup mediju se naziva slotted CSMA/CA - vrijeme tokom kojeg ureaj mora ekati na slanje ponovnog zahtjeva za koritenjem medija (backoff slot) rauna se od poetka nadzornog-okvira pa nadalje. Ukoliko je medij zauzet, ureaj eka na zavri taj vremenski prikljuak i od trenutka njegovog zavretka poinje brojati backoff vrijeme koje je zapravo neki sluajno odabrani broj. Struktura nadzornog okvira moe biti razliita. Razmotrimo strukturu nadzornog-okvira kakva je prikazana slikom 4.1.2.

Slika 4.1.2. Struktura nadzornog okvira s GTS-om

Vremenski period od 16 prikljuaka moe se podijele na vrijeme tokom kojeg se krajnji ureaji natjeu za pristup mediju (pristup prema CSMA/CA protokolu) i na period tokom kojeg neki krajnji ureaj moe dobiti svoj vremenski prikljuak nadzornog-okvira za koji se ne natjee nego mu je pridjeljen. Pojedini pridjeljeni vremenski prikljuak naziva se GTS (Guaranteed Time Slot). Krajnji ureaj kojem je GTS pridjeljen mora sve aktivnosti obaviti prije kraja svog GTS-a ili prije kraja CFP-a ukoliko se radi o zadnjem prikljuku. Period tokom kojeg se odvijaju takvi pridjeljeni vremenski prikljuci naziva se CFP period (Contention Free Period) i uvijek je nakon CAP perioda. Uveden je kako bi aplikacije koje zahtjevaju minimalno kanjenje ili pak zahtjevaju specifinu propusnost mogle obavljati svoje funkcije to je mogue kvalitetnije. GTS moe zauzeti vie vremenskih prikljuaka, a sveukupno ih moe biti 7 (QoS). Ali tih 7 GTS-ova ne smiju zauzeti svih 16 vremenskih prikljuaka. Drugim rijeima, mora ostati period koji e biti CAP period - primjerice, kako bi se tokom tog vremena novi krajnji vorovi mogli prijavati PAN koordinatoru.


17

4.2. Prijenosni modeliMogua su tri prijenosna modela i oni ovise o nainu rada mree (beacon ili non-beacon): prijenos podataka od krajnjeg ureaja prema koordinatoru prijenos podataka od koordinatora prema krajnjem ureaju peer-to-peer prijenos podataka Ostvarenje razliitih prijenosnih modela zasniva se na etiri vrste MAC okvira: 1. beacon okvir: alje ga koordinator ne alje se prema CSMA/CA protokolu nego razailjanjem (broadcast) 2. podatkovni okvir: prijenos podataka 3. okvir potvrde: potvrda primitka podatkovnog okvira ne alje se prema CSMA/CA protokolu nego se odmah odgovara kao unicast okvir 4. MAC okvir naredbe: obavljanje "kuanskih" poslova kod razliitih modela prijenosa. primjerice, ovaj okvir alje ureaj kako bi od koordinatora zatraio podatke koji su u kooradinatoru oznaeni u listi ekanja kao podaci namjenjeni za taj ureaj Vrste MAC okvira prikazane su slikama 4.2.1. do 4.2.4.

Slika 4.2.1. Beacon okvir

Slika 4.2.2. Podatkovni Seminarski rad : ZigBee Podatkovni viemedijski prijenos i raunalne mree

18

Slika 4.2.3. Okvir potvrde

Slika 4.2.4. Okvir naredbe

Prijenos paketa prema koordinatoru prikazan je na slici 4.2.5. Kada krajnji ureaj eli poslati paket prema koordinatoru u beacon mrei, on eka na beacon okvir iz kojeg saznaje strukturu nadzornog-okvira. Iz strukture nadzornog okvira zakljuuje u kojem vremenskom trenutku moe zatraiti pristup mediju. Ako je to CAP - natjee se za pristup mediju kako bi poslao paket, ako je CFP - eka na svoj GTS i alje paket. Nakon primitka poslanog paketa, koordinator ovisno o konfiguracijskim postavkama poslati paket potvrde. U non-beacon mrei, krajnji vor kada treba poslati paket odmah zatrai medij i prema CSMA/CA protokolu se natjee za njega. Zatim alje paket za koji je paket potvrde opcionalan.


19

Slika 4.2.5. Prijenos paketa prema koordinatoru

Prijenos paketa prema krajnjem voru prikazan je na slici 4.2.6. Kod beacon naina rada, koordinator sve podatke koje eli poslati prema krajnjim vorovima zapisuje u listu koja je pohranjena u beacon okviru. Kada ureaj primi takav okvir, provjerava da li u listi postoji nekakav podatak koji je na ekanju (pending msg). Ako je podatak na ekanju namjenen za njega, prema koordinatoru alje zahtjev za podatkom tj. MAC okvir naredbe (MAC command requesting data). Paket potvrde od koordinatora prema ureaju na zahtjev za podatkom naznaka je da e koordinator poslati traene podatke. Na zahtjev za podatkom koordinator odgovara s podatkom zbog kojeg je u listu ekanja u beacon okviru bilo naznaeno da postoji poruka za ureaj. Nakon isporuke podataka krajnji ureaj alje paket potvrde nakon ega se brie oznaka iz liste ekanja koja govori da postoji paket na ekanju za taj krajnji ureaj. Kod non-beacon naina rada koordinator mora privremeno pohraniti sve podatke koje eli poslati prema nekom ureaju i nakon toga eka da krajnji ureaj zatrai podatke (MAC okvir naredbe). Krajnji ureaj e zatraiti podatke u nekom vremenskom trenutku koji je odreen na aplikacijskoj razini. Budui da se slanje zahtjeva za podacima od ureaja prema koordinatoru dogaa u unaprijed definiranim trenucima, moe se dogoditi da ureaj poalje zahtjev za podacima kada podataka za njega nema. U tom sluaju koordinator prema ureaju alje prazan paket (zero-length payload).


20

Slika 4.2.6. Prijenos podataka prema krajnjem voru

Kod peer-to-peer prijenosnog modela svaki ureaj u mrei moe komunicirati sa bilo kojim drugim ureajem u mrei. ak tovie, moe komunicirati i s ureajem iz neke druge mree prema hijerarhijskom modelu stabla ili kroz usmjernike, ukoliko zna njegovu punu 64-bitnu adresu i PAN identifikator odredine mree. Jedino ogranienje je doseg signala - odredite mora biti vidljivo izvoru. Ostvarenje ovo modela komunikacije moe biti dvojako: svi ureaji stalno oslukuju stanje u mrei: o ostvarenje CSMA/CA pristupom mediju, ureaji se sinkroniziraju: o prorauni koji su potrebni za ovakav nain rada su vrlo komplicirani. Svaki je okvir zatien mehanizmom FCS (Frame Check Sequence). FCS je ujedno i naziv polja u MAC okviru ija je vrijednost 16-bitni broj generiran na temelju posebnih funkcija - CRC broj (cyclic redundancy check).


21

4.3. SigurnostUgraeni sigurnosni mehanizmi implementirani na MAC podsloju su: ACL (Access Control List) - pristup je dozvoljen samo odbabranim ureajima, 128-bitni AES (Advanced Encryption Standard) - okvir su zatieni simetrinim kljuevima. Manipulacija takvim ugraenim mehanizmima definira se na viim slojevima kao i preostali sigurnosni mehanizmi (upravljanje kljuevima, autentifikacija ureaja, osvjeavanje slijednog pobrojavanja okvira). Ugraeni sigurnosni mehanizmi pruaju sljedee sigurnosne usluge: 1. kontrola pristupa 2. enkripcija podataka 3. cjelovitost okvira 4. slijedno osvjeavanje Kontrola pristupa temelji se na ACL listi - popisu ureaja od kojih se dozvoljava primanje MAC okvira. Enkripcija podataka moe se obaviti tako da simetrini klju dijeli vie ureaja unutar grupe ili ga dijele samo dva ureaja. Ako klju dijeli vie ureaja unutar grupe tj. cijele mree tada je taj klju pohranjen kao default klju. Ukoliko klju dijele sam dva ureaja tada se to naznai u ACL listi kao dodatni podatak. Enkripcijom se mogu titi podaci (payload) iz beacon, naredbenog i podatkovnog okvira. Cjelovitost okvira je sigurnosna usluga koja se zasniva na MIC kodu (Message Integrity Code) ime se spreava mogunost da nedozvoljeni ureaj (onaj koji nema simetrini klju) mijenja sadraj okvira. Sekvencijalno pobrojavanje okvira vri se tako da mreni vor koji prima okvir provjerava vrijednost pripadnog polja (freshness value) u okviru i ako je ta vrijednost vea od prethodno provjerene i potvrene vrijednosti, okvir prolazi provjeru i prethodno poznata freshness vrijednost se postavlja na novu vrijednost. Na ovaj nain se osigurava da je primljeni podatak noviji od zadnjeg primljenog podatka. Ipak, ne prua mogunost odreivanja tonog vremenskog redoslijeda okvira. Postoje tri naina rada mree s obzirom na razinu pruenih sigurnosnih usluga: nesiguran nain rada o ne koristi se nita od ugraenih sigurnosnih mehanizama ACL nain rada o ograniene sigurnosne mogunosti svedene na sposobnost viih slojeva da odbace MAC okvir ako je u njemu zabiljeeno da potjee od ureaja koji nema pravo pristupa mrei o kriptografska zatita nije ukljuena siguran nain rada o nudi sve sigurnosne mehanizme


22

5. Vii slojevi (ZigBee Alliance)Mreni sloj (Network Layer): stvaranje i raskidanje veza izmeu ureaja pomou mrenog koordinatora implementacija softverskog dijela sigurnosnih mehanizama usmjeravanje okvira inicijalno stvaranje mree dodjeljivanje adresa (pridruivanje novih vorova mrei) Prilagodbeni sloj (General Operational Framework): adresni i podadresni naini rada opisi ureaja (tip, izvor napajanja, periodi spavanja i sl.) specifikacije dogaaja, metoda i podatkovnih formata o odreena specifikacije vrijedi za odreeni korisniki profil koji trenutno postoji 30 ugraenih o odabrani aplikacijski profil (krajnji korisnik ga odabire) koristi definirane specifikacije i na temelju njih odabire skup naredbi koje taj profil koristi


23

6. Hardware i softwareTrenutno na tritu ima vie od 230 proizvoaa ZigBee ureaja i pratee opreme. Velika veina proizvoaa razvija samo hardware i software, dok se razvoj krajnje aplikacije preputa samom korisniku. Neke kompanije nude i cjelokupna (gotova) rijeenja npr. Microchip nudi aplikaciju pozicioniranja (lokalizacije). U nastavku prikazat emo detaljnije rjeenja tvrtke Meshnetics.

ZigBitTM OEM ModulesBenefitsFaster time-to-market Less physical space constraints Extended RF link range Longer battery life Easy prototyping with 2-layer PCB More memory for user software application Robust mesh networking capability Easy-to-use development tools Single source of support for HW and SW Worldwide license-free operation Ultra compact size: 18.8mm x 13.5mm, 0.53 x 0.74 (RF output version) 2 Antenna options (dual chip antenna and RF output versions) High sensitivity (104 dB Link Budget) Very low power consumption (6 uA in sleep mode) Wide range of interfaces, incl. UART, I2C and 1-wire Reference hardware drivers Optional antenna reference designs High immunity to radio interference Comprehensive set of AT commands 802.15.4/ZigBee stack Self-organizing, self-healing mesh network Network-wide power management software

Key Features

Slika 6.1.


24

Slika 6.2.


25

ZigBit Amp Module

ZigBit Amp Module Key Features

Slika 6.3.

ZigBit RF Module Specifications Parameter Frequency band Number of channels Data rate ZigBit Amp 2.400 2.483 GHz 16 250 kbps

Best-in-class outdoor range: Over 2.5 miles (4,000 m) High RX sensitivity (-104 dBm) Outperforming link budget (124 dB) Very low power consumption (10 A in sleep mode) Ultra compact size (38.0 x 13.5 x 2.0 mm) Rapid design-in with onboard U.FL connector 802.15.4 / ZigBee stack featuring selforganizing, self-healing mesh network

Sensitivity (PER 1%) Max Output Power Transmitter Output Power Supply voltage Current consumption, RX Current consumption, TX Current consumption (Sleep mode) Flash memory RAM EEPROM Operating Temperature Supported External Interfaces

-104 dBm +20 dBm -2 to +20 dBm 3.0 3.6 V 23 mA 50 mA 10 A 128 kB 8 kB 4 kB -40 +85 C

USART/SPI, I2C, 1-wire UART with CTS/RTS control JTAG 9 spare GPIOs (up to 25 GPIOs total) 2 spare IRQ lines 4 ADC lines


26

ZigBitTM Development Tools


27

Prilikom odabira proizvoaa potrebno je obratiti panju na sljedee vane karakteristike ureaja: struja mirovanja (sleep current) to je ona manja (tipino nekoliko A), vea je autonomija daljina komunikacije ovisi o izvedbi antene (pcb printed circuit board, chip ili externa obina antena) slika 6.4., kao i o okolini u kojoj se ureaj koristi (unutarnji ili vanjski prostor) periferija koliina memorije, broj AD ulaza, naini komunikacije (I2C, UART, JTAG,USB, RS232) dimenzije ureaja cijena .


28

Slika 6.4. Razliite izvedbe antena za ureaje pcb, chip i eksterna antena


29

7. Podruja primjeneZigbee nalazi iroku primjenu u industriji, medicini, kuanstvu, poljoprivredi i na mnogim drugim mjestima, slika 7.1.

HVAC - "heating, ventilating, and air conditioning"

Slika 7.1. Podruja primjene ZigBee-a


30

zigbee - sasa mesaric

Documents