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An Introduction to ZigBee

An Introduction to ZigBee. Meng-Huan Wu 2011/03/28 Wireless and Broadband Networks Laboratory Department of CSIE National Taipei University of Technology. outline. Introduction IEEE 802.15.4 ZigBee Stack Wireless Sensor Networks Conclusion References.

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Presentation Transcript

  1. An Introduction to ZigBee Meng-Huan Wu 2011/03/28 Wireless and Broadband Networks Laboratory Department of CSIE National Taipei University of Technology

  2. outline • Introduction • IEEE 802.15.4 • ZigBee Stack • Wireless Sensor Networks • Conclusion • References

  3. 何謂ZigBee? • ZigBee一詞源於蜜蜂，蜜蜂透過ZigZag(Z字形)舞蹈與同伴相互通信傳遞花與蜜的位置、方向、距離等訊息，因而藉此做為這短距無線通訊新技術的命名。 • ZigBee是一種短距離無線通訊標準，具有低成本、低耗電、低傳輸率、高可靠度及感應網路功能等特性，容易整合個人無線數位環境並應用於多樣的產品，其監控角色高於通訊功能。

  4. History • 1999年 • 針對自動化應用需求的增加，低功耗、低成本以及多節點的無線網路技術概念ZigBee因應而生。 • 2000年12月 • IEEE成立IEEE 802.15.4工作組，致力於開發一種可應用在固定、可攜或移動設備上的低成本、低功耗以及多節點的低速率無線連接技術。 • 2001年8月 • 美國Honeywell等公司發起成立ZigBee Alliance，他們提出的ZigBee技術被確認納入為IEEE 802.15.4標準。 • 2003年5月 • IEEE 802.15.4標準獲得通過。 • 2004年12月 • 推出ZigBee技術規範1.0版本。 • 2006年12月 • 開放ZigBee v1.1版本，又稱ZigBee 2006。 • 2008年１月 • 開放ZigBee v1.2版本，又稱ZigBee Pro、ZigBee 2007。

  5. Introduction • 由ZigBee Alliance所制定。 • 特性：低成本、低功率、低傳輸率。

  6. 802.22 WWAN 802.20 WiMax 802.16 WMAN Range WiFi 802.11 WLAN ZigBee 802.15.4 802.15.3 Bluetooth 802.15.1 WPAN 0.01 0.1 1 10 100 1000 Bandwidth (Mbps) IEEE 802 Wireless Space • ZigBee standard uniquely fills a gap for low data rate applications

  7. IEEE 802.15.4 • IEEE 802.15 WPAN™ Task Group 4 (TG4)制定了標準，主要對Wireless Personal Area Network及其他短距離無線通信所制定的標準。 • 針對Low-Rate Wireless Personal Area Network的PHYLayer及MACLayer做規範。 • LR-WPAN被使用傳送傳輸距離較短的區域網路，且 WPAN的連接不需要基地台，所以可以被實現在不同類型的裝置。

  8. IEEE 802.15.4 主要特性 • 網路拓撲 • Star • Peer-to-Peer • 分配模式 • Superframe • Guaranteed time slot • 低電能消耗 • 一對AAA電池可工作數年的時間 • 採用CSMA/CA

  9. IEEE 802.15.4的網路拓撲 • 全功能裝置(Full Function Device，FFD) • 具有轉發、路由的能力，可以是一個PAN Coordinator。 • 簡化功能裝置(Reduced Function Device，RFD) • 只能與FFD發送、接收信號。

  10. IEEE 802.15.4PHY Layer 主要工作： • 開啟/關閉無線傳輸接收裝置 • 目前通道偵測 • 接收封包的連接品質 • CSMA/CA的通道閒置評估 • 通道頻率選擇 • 資料的傳送與接收

  11. IEEE 802.15.4 運作頻帶

  12. IEEE 802.15.4MAC Layer • 提供資訊服務和管理服務，負責信標(Beacon)管理、通道接取、保障時槽(Guaranteed Time Slots, GTS)管理、訊框驗證、回覆訊框傳輸及Association與Disassociation 。 • 兩種傳輸模式 • 同步模式(Beacon Mode)。 • 非同步模式(Non-Beacon Mode) • 使用CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance) ，避免傳輸碰撞。 • CSMA/CA是在傳輸之前，會先檢查通道是否有資料傳輸，若通道無資料傳輸，自己先等一段隨機的時間，弱等一段隨機時間後，還是沒有人在使用，則開始進行資料傳輸動作，若是產生碰撞，則稍後重新再傳。

  13. coordinator Network Device Beacon Data request Acknowledgment Data Acknowledgment ZigBee傳輸程序 (1/5) • Coordinatorto device • Slotted

  14. coordinator Network Device Data request Acknowledgment Data Acknowledgment ZigBee傳輸程序 (2/5) • Coordinator to device • Un-Slotted

  15. coordinator Network Device Beacon Data Acknowledgment ZigBee傳輸程序 (3/5) • Deviceto coordinator • Slotted

  16. coordinator Network Device Data Acknowledgment ZigBee傳輸程序 (4/5) • Deviceto coordinator • Un-Slotted

  17. coordinator coordinator Data Acknowledgment ZigBee傳輸程序 (5/5) • Coordinator to coordinator • Only Un-Slotted

  18. Superframe (1/2) • CAP (Contention Access Period) • CFP (Contention Free Period)

  19. Superframe (2/2) • Beacon的功能是 • 啟動superframe • 與其他device同步 • Coordinator告知device有資料要傳輸給他

  20. Association Procedure • 當一個device要加入由一個coordinator形成的PAN時，會先掃描周遭有哪些PAN，決定其中一個加入，並且向PAN的coordinator association的要求 coordinator Network Device Scan channel Association req. ACK Wait for response Make decision Beacon Data req. ACK Association req. ACK

  21. IEEE 802.15.4與ZigBee對應關係(1/2)

  22. IEEE 802.15.4與ZigBee對應關係(2/2)

  23. Star Topology 星狀拓樸 優點 容易同步化 低延遲 (one-hop) 缺點 擴充難 ZigBee網路拓樸(1/3) End device Coordinator

  24. Tree Topology 樹狀拓樸 優點 低路由成本 允許多點跳曜(multi-hop) 缺點 延遲較長 (multi-hop) ZigBee網路拓樸(2/3) End device Coordinator Router

  25. Mesh Topology 網狀拓樸 優點 允許多點跳曜(multi-hop) 網路形成較具彈性 低延遲 缺點 route discovery成本過大 ZigBee網路拓樸(3/3) End device Router Coordinator

  26. Example

  27. ZigBee Stack

  28. Network Layer

  29. Application Support Sublayer

  30. Application Layer • ZigBee應用層包含應用支援子層(Application Support, APS)、ZigBee裝置元件(ZigBee device object, ZDO)和製造商所定義的應用物件(Application Objects)。 • APS提供網路層與應用層之間的介面，維持物件之間的連結表(Binding Table)，並在連結的裝置之間傳遞訊息。 • ZDO負責建構上層應用所需的資訊、發出或回應連結的要求，發現同一個網路上的裝置與應用服務、以及在網路上的裝置之間建立安全的關係等。

  31. AODV路由演算法 • 來源端廣播RREQ(Route REQuest)。 • 中間節點將接收到的RREQ，更改RREQ後，將RREQ廣播出去直到達到目的端。 • 到達目的端，目的端會發送RREP(Route REPly)，再依原路徑回傳至來源端。 • RREQ message • <bcast_id, dest_ip, dest_seqno, src_seqno, hop_count>

  32. AODV Route Discovery Initiation Route Request (RREQ) broadcast flood Destination Source

  33. AODV Route Discovery Completion Route Reply (RREP) propagation Destination Source

  34. 安全性 • 採用128 bit AES加密方式 • ZigBee信用中心(Trust Center) • 由Coordinator兼任。 • 對新加入網路的節點進行認證。 • 三種密鑰：Master Key、Network Key、Link Key。 • Master Key：可長期利用的Key，通常在工廠出貨時就　　 　　已被設置。 • Network Key ：網路範圍內通用的Key，信用中心分配。 • Link Key：特定的兩個設備間的Key，由信用中心分配。

  35. Wireless Sensor Networks選擇 優 先 等 級

  36. 無線規格比較

  37. Wireless Sensor Network • 利用裝備有感測器(例如：溫溼度感測器、紅外線感測器、太陽能感測器…等)的子節點(終端機或路由器)和連接到採集系統的父節點(協調者)，用ZigBee無線通訊網路協定來架設的應用裝置，協調者將來自主系統(PC)的命令利用RF射頻傳送到裝有感測器的子節點，子節點再利用RF射頻連線方式將感測值資料傳遞回協調者。

  38. 應用

  39. Conclusion • ZigBee低成本、低功率、低傳輸率的特性使得常常被用來做Wireless Sensor Network。 • 應用 • 環境監控 • 家庭自動化 • 醫療設備控制 • etc

  40. References [1]Adis, Vojvodic, “An Paper on ZigBee,” in Computer CommunicationandDistributedSystemson Chalmers UniversityofTechnology,Sweden,EDA390,May2006. [2]C.J. Li, Y.F. Wang, and X.J. Guo, “The Application ResearchofWirelessSensorNetworkBasedon ZigBee,” in 2010 Second InternationalConference on MultiMedia and Information Technology, Vol. 2, pp. 89-92, Apr. 2010. [3]鄭立編著，ZigBee開發手冊，台北：全華圖書股份有限公 司，2008。 [4]陳柏皓，基於UPnP與ZigBee的家庭自動化系統設計與實 作，碩士論文，國立台北科技大學自動化科技研究所，台 北，2008。

  41. Q&A

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