ZigBee

1
ZigBee bežicni standard
ELEKTROTEHNICKI FAKULTET BEOGRAD

• Diplomski rad
• student Ivan Begovic
• mentor prof. dr Veljko Milutinovic

ivb_at_beotel.yu vm_at_etf.bg.ac.yu
2
Šta je to ZigBee

• ZigBee Aliance je udruženje koje obuhvata preko
  178 kompanija koje zajedno razvijaju ZigBee
  bežicni standard
• ZigBee je pouzdan, ekonomican, male potrošnje,
  bežicni, otvoren globalni standard za
  nadgledanje i kontrolu mreža
• Primenjuje se u kucnoj i poslovnoj
  automatizaciji, industrijskij kontroli,
  sigurnosnim sistemima, PC periferijama,
  medicinskim senzorima, igrackama, itd.

3
Zašto ZigBee

• Veliki broj cvorova (ucesnika) u mreži do 255
• Vrlo mala cena sistema / cvora
• Izuzetno mala potrošnja struje
• Pouzdana i zašticena veza izmedu ucesnika
• Jednostavan razvoj i konfigurisanje
• Mali broj komponenti
• Tri frekventna opsega
• Globalno rešenje

4
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
Cvorova 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
5
Stek arhitektura

• Izgradena je na osnovama OSI (Open Systems
  Interconnection) 7-slojnog modela
• Definiše samo slojeve neophodneza 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 specifican skup servisa za
  sloj iznad
• Sa višim slojem komunicira posredstvomtacke za
  pristup servisu (Service Access Point - SAP)
• Svaka SAP podržava brojne servisne funkcije

6
Stek arhitektura
7
IEEE 802.15.4-2003 slojevi

• Definiše dva najniža sloja, PHY i MAC
• PHY (Physical) sloj pruža podršku za fizicki
  radio i ima dva podsloja koji rade na razlicitim
  frekvencijam
• 868MHz (Evropa) / 915 MHz (SAD, Australija)
• 2.4 GHz širom sveta
• MAC (Medium Access Control) sloj
• Kontroliše pristup radio kanalu koristeci CSMA-CA
  mehanizam
• Emituje signalne frejmove
• Obavlja sinhronizaciju
• Obezbeduje pouzdan prenos

8
NWK (Network) sloj

• Definiše ga ZigBee Alijansa
• Osigurava frejmove i usmerava ih ka odredištima
• Pronalazi i upravlja rutama izmedu uredaja u NWK
  sloju
• Pokrece novu mrežu i dodeljuje adrese uredaima
• Obezbeduje mehanizme za pridruživanje i
  napuštanje mreže
• Konfiguriše nov uredaj
• Otkriva one-hop susede i cuva informacije o
  njima
• Održava NIB (Network Info Base)

9
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

10
APS podsloj

• Predstavlja interfejs izmedu NWK i APL sloja
• Servisi poseduju dva entiteta, APSDE i APSME
• APSDE obezbeduje prenos podataka izmedu uredaja
  u istoj mreži
• APSME obezbeduje
• otkrivanje i povezivanje uredaja
• održavanje AIB (APS Information Base)

11
AF podsloj

• Okruženje u kojem su smešteni aplikacioni objekti
• Medu sobom primaju i šalju podatke preko
  APSDE-SAP
• Kontrola i upravljanje aplikacionim objektima je
  izvedena preko ZDO javnog interfejsa
• Može biti definisano do 240 razlicitik
  aplikacionih objekata
• Svaki objekat je povezan na jednu krajnju tacku
  indeksiranu od 1 do 240
• Krajnja tacka 0 rezervisana je za spregu sa ZDO
• Krajnja tacka 255 rezervisana je za
  širokodifuziju
• Aplikacionom objektu obezbeduje dva servisa
  podataka
• KVP (Key Value Pair) servis
• MSG (Message) servis

12
ZDO podsloj

• Inicijalizuje APS, NWK i SSS (Secutity Service
  Specification)
• Definiše ulogu uredaja u okviru mreže
• ZigBee Koordinator,
• ZigBee Ruter ili
• ZigBee Krajnji uredaj
• Otkriva uredaje u mreži i odreduje koje
  aplikacione servise oni obezbeduju
• Zapocinje i/ili odgovara na zahteve za
  povezivanje
• Uspostavlja sigurnosne veze medu uredajima u
  mreži

13
Sigurnosni servis

• Obezbeduje metode za
• osnivanje kljuca
• transport kljuca
• zaštitu frejma
• upravljanje uredajem
• 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
• cuvanja simetricnog kljuca
• iskorišcenih zaštitnih mehanizama
• implementacije kriptografskih mehanizama
• Zbog low-cost arhitekture ZigBee uvodi neke
  pretpostavke

14
Topologija mreže - zvezda

• Mrežu kontroliše jedan uredaj ZigBee
  koordinator
• Svi ostali uredaji su Krajnji uredaji
• ZigBee koordinator inicijalizuje i upravlja
  uredajima u mreži
• Krajnji uredaji medusobno komuniciraju
  posredstvom ZigBee koordinatora

15
Topologija mreže - stablo

• ZigBee koordinator pokrece mrežu i vrši izbor
  kljucnih parametara
• Mreža je proširena korišcenjem ZigBee rutera
• Mreža se sastoji od više povezanih zvezdastih
  mreža
• Uredaj 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

16
Topologija mreže - mreža

• Slicna 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

17
ZigBee Microchip

• Microchip razvija Microchip stack for ZigBee
• Odlicna osnova za dalju primenu ZigBee
  tehnologje
• Podržava
• Topologiju zvezde, stabla i mreže
• RFD, FFD, ZigBee koordinator, ruter i krajnje
  uredaje
• 254 ulaza po mreži ili cvoru
• 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 ploca

18
ZigBee Microchip

• Za jedan cvor, potreban je minimalna broj
  komponenti
• PIC18 mikrokontroler sa SPI interfejsom
• RF tranresiver sa porebnim eksternim komponentama
• Antena, PCB ili monopolna

19
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
• Omogucuje rukovanje paketima, baferisanje,
  indikaciju kvaliteta veze, programabilnu snagu,
  kontrolu baterija
• DSSS modem 250 kbps, SPI

20
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 slucajnih 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

21
ZigBee Atmel

• Za jedan cvor, potreban je minimalna broj
  komponenti
• AT86ZL3201 Z-Link Controller
• AT86RF210 Z-Link Transceiver sa potrebnim
  komponentama
• Antena, PCB ili monopolna

22
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