rede de sensores zig bee

IEEE 802.15.4&

ZigBeeRede de sensores sem fio

João Santanna <joaosantanna@das.ufsc.br>Amilcar Abreu <amilcar.abreu@uol.com.br>

Ezequiel Conte <ezequielc@gmail.com>

Programa de Pós Graduação em Engenharia de Automação e SistemasRedes de Comunicação para Controle e Automação - DAS 6606-000 Profº Carlos Barros Montez & Profº Marcelo Ricardo Stemmer

1. Introdução2. Características3. Arquitetura

Camada PHY Camada MAC Camada NWK Camada de Aplicação

4. Aplicações5. Referencias

Roteiro

Padrão do IEEE que visava atender características importantes para implementação de rede de sensores/atuadores sem fio.

Projetado para as camadas 1 e 2 do modelo OSI ( Física e enlace): Confiabilidade dos dados Vida útil da bateria Custo Alcance da transmissão Taxa de transferência Baixa Latência Tamanho Físico Segurança dos dados

Padrão 802.15.4

fonte: http://www.zigbee.org/en/about/faq.asp

Características do padrão IEEE 802.15.4 : Acesso ao meio por Carrier Sense Multiple Access

Collision Avoidance (CSMA-CA) Custo baixo de implementação Curto alcance Baixa taxa de transmissão Baixa latência Dispositivos pequenos A segurança é feita por multi-camada Especifica a camada física e enlace para redes de

área pessoal sem fio, conhecidas como LR-WPAN (Low Rate Wireless Personal Area Network)

Padrão 802.15.4

Características do padrão IEEE 802.15.4 : Redes com topologia em estrela ou ponto-a-ponto Endereçamento dos nós 64 bits 18,450,000,000,000,000,000 de nós (64 bit IEEE address) 65,535 Redes ( usando 16 bits do endereço )

O IEEE 802.15.4 não só especifica as funções do protocolo da camada física e as interações com a camada de enlace, mas também os níveis mínimos requisitados para os hardwares, tais como: Sensibilidade, potência dos transmissores e consumo elétrico.

Padrão 802.15.4

Padrão criado pela ZigBee Aliance para rede de sensores e atuadores sem fio.

Desenvolvida “em cima” do padrão IEEE 802.15.4 Padrão de protocolos de comunicação para redes sem fio

baseadas em: Baixa taxa de transmissão - Tamanho reduzido de

pacote Baixo consumo de energia - Baixo custo de

implementação O ZigBee estabelece a comunicação entre pequenas

unidades de captura de dados e de tele-ação através de sinais de rádio frequência não licenciada.

ZigBee

ZigBee + IEEE802.15.4

MAC

NetworkStar / Mesh / Cluster-Tree

Security32- / 64- / 128-bit encryption

API

ZigBeeAlliance

CustomerApplication

IEEE 802.15.4PHY

868MHz / 915MHz / 2.4GHz

Software da solução Camadas de rede ,

segurança e aplicação Estende a topologia

para mesh...

IEEE 802.15.4 Hardware da solução Camadas de interface

com a rede e MAC ( controle de acesso ao meio )

fonte: http://www.zigbee.org/resources/documents/IWAS_presentation_Mar04_Designing_with_802154_and_zigbee.ppt

ZigBee Alliance

1. Introdução

2. Características3. Arquitetura

Camada PHY Camada MAC Camada NWK Camada de Aplicação

4. Aplicações5. Referencias

Roteiro

Um numero enorme de nós na rede, somente um coordenador 30 ms para entrada de um novo nó 15 ms para ativar um nó dormindo De 10 a 100 metros de alcance

Permite o gerenciamento de rede em mesh (malha) mediante os serviços de gerenciamento da camada de rede (NWK).

Acesso ao meio funciona usando CSMA-CA. Dispositivos ZigBee operam em faixas de frequências sem

licença (ISM): 2,4GHz taxa de 250Kbps com 16 canais (uso global) 915MHz taxa de 40Kbps com 10 canais (América do Norte e

Austrália) 868MHz taxa de 20Kbps com 1 canal (Europa)

Padrão ZigBee

Há somente dois tipos de dispositivos físicos para baratear o custo de sistema.

Para permitir que os fornecedores tivessem os mais baixos custos possíveis na produção dos dispositivos, o padrão IEEE define dois tipos de dispositivos: dispositivos de funções completas e dispositivos de função reduzida.

- Dispositivo de função completa (FFD) Pode funcionar em qualquer topologia Capaz de ser o coordenador da rede(roteador) Capaz de ser um coordenador( do sistema) Pode falar com qualquer outro dispositivo

- Dispositivo de função reduzida (RFD) Limitado a topologia em estrela Não é possível tornar-se um coordenador de rede fala apenas a um coordenador da rede A implementação Muito simples

Tipos de dispositivos802.15.4

Tipos de Nós ZigBee

ZigBee Coordinator (ZBC) (IEEE 802.15.4 FFD) Somente um nó desse tipo

na rede Inicializa a rede Guarda informação sobre

toda a rede Todos os nós se comunicam

com o ZBC Funcionalidade de roteador Pode funcionar como bridge

para outras redes

ZigBee Router (ZBR) (IEEE 802.15.4 FFD) Componente opcional Roteador entre nós da

borda da rede Estende ( aumenta ) a

área de cobertura da rede

Gerencia alocação de endereços na rede local

ZigBee End Device (ZBE) (IEEE 802.15.4 RFD) Otimizado para baixo consumo de energia Dispositivo com custo baixo Se comunica somente com o coordenador ( mas

pode utilizar nós roteadores intermediários para isso )

sensores são implantados aqui

Tipos de Nós ZigBee

Estrela Composto por um nó coordenador e vários

dispositivos finais. Instalado em locais de poucos obstáculos

Mesh ( malha) A rede se ajusta automaticamente e se auto-

organiza para otimizar o tráfego de dados Cluster Tree ( cadeia de arvores )

Tem hierarquia maior e o coordenador assume papel de nó mestre

Topologias

Topologias

1. Introdução2. Características

3. Arquitetura Camada PHY Camada MAC Camada NWK Camada de Aplicação

4. Aplicações5. Referencias

Roteiro

Arquitetura

MAC

NetworkStar / Mesh / Cluster-Tree

Security32- / 64- / 128-bit encryption

API

ZigBeeAlliance

CustomerApplication

IEEE 802.15.4PHY

868MHz / 915MHz / 2.4GHz

Característica A camada física (PHY - Physical) foi projetada para acomodar

as necessidades de interfaces de baixo custo, permitindo níveis elevados de integração.

Uso da técnica de transmissão DSSS (Direct Sequence Sread Spectrum) permite que os equipamentos sejam muito simples, possibilitando assim implementações mais baratas.

A camada PHY é responsável pela transmissão e recepção do canal de rádio.

Indica qualidade de conexão quando o receptor envia de volta um pacote LQ (Link Quality) de acordo com a relação sinal-ruído e o valor do pacote ED (Energy Detection). Um dos fatores de seleção do caminho.

Reporta canais livres

Camada PHY

Tipos de Tráfego

O padrão IEEE 802.15.4 assegura o transporte dos seguintes tipos de dados:  Dados periódicos

A aplicação dita a taxa Dados intermitentes

Aplicação ou estímulos nos sensores ditam a taxa ( otimização para poupar energia)

Dados provenientes de dispositivos repetitivos de baixa latência Dispositivo tem time slot

garantido

Cada um dos tipos de tráfego exige diferente comportamento da camada de enlace. O MAC IEEE802.15.4 é flexível o suficiente para lidar com cada um destes tipos. Dados periódicos podem ser tratados

usando o sistema de beacon em que o sensor vai acordar para realizar o beacon, verificar se há mensagens e depois voltar a dormir.

Dados intermitentes podem ser tratados num sistema “beaconless”. Nesse caso o aparelho só conectar à rede quando ele precisar se comunicar, a economia de energia é significativa.

Aplicações de baixa latência podem escolher a opção do uso de guaranteed time slot (GTS). GTS é um método de QoS na medida em que permite que cada dispositivo use uma duração específica de tempo para fazer o que deseja fazer sem contenção ou latência.

Os frames foram concebidos para manter a complexidade ao mínimo, enquanto ao mesmo tempo, torna-os suficientemente robustos para a transmissão num canal ruidoso. O IEEE 802.15.4 MAC define quatro estruturas quadro:

Um frame Beacon, usado por um coordenador para transmitir sinais. Um frame de dados, utilizado para todas as transferências de dados. Um frame de Ack, usado para confirmar a recepção de um quadro com

sucesso. Um quadro de comando MAC, usado para o tratamento de todos as

transferências Peer-to-Peer.

Frame

Superframe

O padrão LR-WPAN permite o uso opcional de uma estrutura de super frame.

O formato do super frame é definido pelo coordenador.

A superstrutura é delimitada por beacons de rede, é enviado pelo coordenador .

O super frame é dividido em 16 slots de igual tamanho.

O quadro beacon é transmitido no primeiro slot de cada superstrutura.

Se um coordenador não quer usar uma estrutura super frame pode desligar as transmissões de beacon.

Os beacons são utilizados para sincronizar os dispositivos a ele ligados, para identificar o PAN, e para descrever a estrutura do superframe.

Qualquer dispositivo que desejam se comunicar durante o períodocontenção de acesso (PAC) entre duas balizas deve competir com outros dispositivos usando o mecanismo CSMA-CA.

Todas as operações devem ser concluídas até o tempo do próximo beacon.

Arquitetura

MAC

NetworkStar / Mesh / Cluster-Tree

Security32- / 64- / 128-bit encryption

API

ZigBeeAlliance

CustomerApplication

IEEE 802.15.4PHY

868MHz / 915MHz / 2.4GHz

Modo Beacon: Beacon enviado

periodicamente Dispositivo coordenador

e final pode ir dormir(modo sleep)

Menor consumo de energia

Sincronismo entre os nós é necessário

Camada MAC

Modo sem Beacon: Coordenador/roteadores

tem que ficar acordados Fonte de alimentação

robusta necessária ... Usada quanto temos

redes heterogêneas

Camada MAC

Para o controle de acesso ao meio o 802.15.4 utiliza o CSMA-CA , a mesma técnica utilizada em redes wifi: Carrier sense multiple access with collision avoidance (Acesso

múltiplo com verificação de portadora com anulação/prevenção de colisão) é um método de transmissão que possui um grau de ordenação maior que o seu antecessor (CSMA/CD) e possui também mais parâmetros restritivos, o que contribui para a redução da ocorrência de colisões em uma rede.

Antes de transmitir efetivamente um pacote, a estação avisa sobre a transmissão e em quanto tempo a mesma irá realizar a tarefa.

Dessa forma, as estações não tentarão transmitir, porque entendem que o canal está sendo usado por outra máquina, porém, como já foi dito no parágrafo anterior, o tempo que as máquinas esperam para que possam enviar seus pacotes não é indeterminado ou aleatório, as mesmas irão saber quando o meio estará livre.

CSMA-CA

MAC Primitives

MAC Data Service• MCPS-DATA – exchange data packets between MAC

and PHY• MCPS-PURGE – purge an MSDU from the transaction

queue MAC Management Service• MLME-ASSOCIATE/DISASSOCIATE – network

association• MLME-SYNC / SYNC-LOSS - device synchronization• MLME-SCAN - scan radio channels• MLME- COMM-STATUS – communication status• MLME-GET / -SET– retrieve/set MAC PIB parameters• MLME-START / BEACON-NOTIFY – beacon

management• MLME-POLL - beaconless synchronization• MLME-GTS - GTS management• MLME-RESET – request for MLME to perform reset• MLME-ORPHAN - orphan device management• MLME-RX-ENABLE - enabling/disabling of radio

system

Arquitetura

MAC

NetworkStar / Mesh / Cluster-Tree

Security32- / 64- / 128-bit encryption

API

ZigBeeAlliance

CustomerApplication

IEEE 802.15.4PHY

868MHz / 915MHz / 2.4GHz

Característica A camada de rede (NWK - Network) foi projetada para

possibilitar o crescimento da rede sem a necessidade de equipamentos de transmissão de potência mais elevada.

A camada de rede do coordenador ZigBee configura a rede e seleciona a topologia (árvore, estrela, ou malha)

O coordenador também atribui os endereços de rede dos novos nós

A camada NWK (rede) é responsável pela descoberta e manutenção de rotas entre os dispositivos envolvidos

Camada de rede (NWK)

As responsabilidades da camada NWK ZigBee incluem: Inicializar uma rede: A capacidade de

estabelecer com sucesso uma nova rede. Gerenciar entrada de novos nós. Sincroniza dispositivos por meio de beacons Gerencia beacons Proporciona serviços de associação e

desassociação. Atribuir endereços para os dispositivos

ligados à rede. Rotear quadros para seus destinos.

Camada de rede (NWK)

As responsabilidades da camada NWK ZigBee ... Prover segurança por meio de criptografia do

conteúdo do payload do quadro , essa funcionalidade deve ser configurada usando a camada de aplicação.

Detecção e resolução de conflitos de PAN ID Realinhamento de dispositivo órfão ( ocorre

quanto um nó de borda estava associado a um nó roteador ... O nó roteador morre e o nó órfão passa a ser associado a outro nó roteador no alcance do nó de borda)

Camada de rede (NWK)

Camada de rede (NWK)

Estendendo o alcance da rede...

Problema: como os nós 7 e 6 falam com o coordenador??(0 )

Roteamento usando nó 5 ... ( camada NWK)

Endereçamento de nós: Otimizado endereço único de 64bits (IEEE

802.15.4) 16 bits de endereço de rede (65.536

redes) Descoberta de novo dispositivo:

Unicast (NWK ID conhecida) Broadcast (NWK ID desconhecida)

Endereçamento e Descoberta de nós ZigBee

Segurança de frames: Previstos recursos de segurança:

Controle de acesso Criptografia de dados Integridade quadro

Suítes de segurança disponíveis: AES-CTR AES-CCM AES-CBC-MAC

A camada MAC envia o quadro criptografado, mas são as camadas superiores que controlam o processo, ajustando as chaves de criptografia e determinando os níveis de segurança que deverão ser usados.

Camada de rede (NWK)

Descobrimento de rotas: Encontrar ou atualizar rota entre fonte e destino

específico Se não tiver rota ativa na tabela de roteamento

procedimento de busca de rotas é iniciado: Transmitir Broadcast de pacote de pedido de roteamento

(RREQ) Gera entradas na tabela de roteamento dos hops para a

fonte Roteador “Endpoint” responde com pacote de resposta de

roteamento (RREP). Rotas geradas dos hops para o destino Entrada da tabela de encaminhamento gerada no

dispositivo de origem

Camada de rede (NWK)

Camada de rede (NWK)

RREQRREP

1 2 3

4

2

1

5

Manutenção de rotas: Controlar a falha na entrega aos vizinhos Inicia a reparação de rota quando

necessário Em caso de perda de conectividade total:

Ativar procedimento de nó órfão Re-associação com a rede

Camada de rede (NWK)

Arquitetura

MAC

NetworkStar / Mesh / Cluster-Tree

Security32- / 64- / 128-bit encryption

API

ZigBeeAlliance

CustomerApplication

IEEE 802.15.4PHY

868MHz / 915MHz / 2.4GHz

Camada de Aplicação

A camada de aplicação ZigBee consiste na sub-camada APS e ZDO e os objectos definidos pelo fabricante da aplicação.

As responsabilidades da sub-camada APS incluem: Tabelas de binding , que é a capacidade de combinar dois

dispositivos baseados em seus serviços e as suas necessidades, e as mensagens de encaminhamento entre os dispositivos ligados.

Outra responsabilidade da sub-camada APS é descoberta, que é a capacidade para determinar quais são os outros dispositivos que operam no espaço de funcionamento de uma Sub rede.

As responsabilidades do ZDO incluem: Definição do papel do dispositivo dentro da rede (por exemplo,

ZigBee coordenador ou dispositivo final). Iniciar e / ou responder a pedidos de ligação e estabelecer uma

relação segura entre dispositivos de rede. Os objetos definidos pelo fabricante e aplicações especificas.

Camada de Aplicação

Fornece funções comuns para aplicações. Define a função do dispositivo no interior da rede

(por exemplo, ZigBee coordenador ou dispositivo final).

Inicia e/ ou responde a pedidos de ligação. Estabelece uma relação segura entre dispositivos

de rede selecionando um dos métodos ZigBee de segurança, tais como chave pública, chave simétrica, etc.

ZigBee Device Object(ZDO)

Esta camada fornece os seguintes serviços: Descoberta: A habilidade de determinar quais outros

dispositivos estão operando na subrede de um dispositivo.

Binding: A capacidade de combinar dois ou mais dispositivos em conjunto com base em seus serviços e as suas necessidades e as mensagens de encaminhamento entre os dispositivos ligados

Application Support Layer(APS)

1. Introdução2. Características3. Arquitetura

Camada PHY Camada MAC Camada NWK Camada de Aplicação

4. Aplicações5. Referencias

Roteiro

Aplicações para redes ZigBee

http://www.zigbee.org

Dargie, W., & Poellabauer, C. (2010). Fundamental of Wireless Sensor Networks Theory and Practice. Wiley.

Eady, F. (2007). Hands-On ZigBee : implementing 802.15.4 with microcontrollers. Elsevier.

Kinney, P. (2003). ZigBee Technology : Wireless Control that Simply Works. Communications Design Conference 2003 (pp. 1–20).

Referencias