rede de sensores zig bee
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Apresentação sobre rede de sensores sem fio IEEE802.15.4 + ZIg BeeTRANSCRIPT
IEEE 802.15.4&
ZigBeeRede de sensores sem fio
João Santanna <[email protected]>Amilcar Abreu <[email protected]>
Ezequiel Conte <[email protected]>
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