An Introduction to ZigBee Meng-Huan Wu 2011/03/28 1 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 2
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 3
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 4
Introduction 由 ZigBee Alliance 所制定 特性 : 低成本 低功率 低傳輸率 5
IEEE 802 Wireless Space ZigBee standard uniquely fills a gap for low data rate applications WWAN 802.22 Range WMAN WLAN WPAN ZigBee 802.15.4 Bluetooth 802.15.1 802.20 WiMax 802.16 WiFi 802.11 0.01 0.1 1 10 100 1000 Bandwidth (Mbps) 6
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 PHY Layer 及 MAC Layer 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 7
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 8
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 9
IEEE 802.15.4 PHY 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 10
IEEE 802.15.4 運作頻帶 頻帶 (MHz) 頻率範圍 (MHz) 免費使用地區 通道數目 Bit Rate (Kbps) 調變 (DSSS) 868 868~868.6 歐洲 1 20 BPSK 915 902~928 美國 10 40 BPSK 2450 2400~2483.5 全球 16 250 O-QPSK 11
IEEE 802.15.4 MAC 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 12
ZigBee 傳輸程序 (1/5) Coordinator to device Slotted coordinator Network Device Beacon Data request Acknowledgment Data Acknowledgment 13
ZigBee 傳輸程序 (2/5) Coordinator to device Un-Slotted coordinator Network Device Data request Acknowledgment Data Acknowledgment 14
ZigBee 傳輸程序 (3/5) Device to coordinator Slotted coordinator Network Device Beacon Data Acknowledgment 15
ZigBee 傳輸程序 (4/5) Device to coordinator Un-Slotted coordinator Network Device Data Acknowledgment 16
ZigBee 傳輸程序 (5/5) Coordinator to coordinator Only Un-Slotted coordinator coordinator Data Acknowledgment 17
Superframe (1/2) CAP (Contention Access Period) CFP (Contention Free Period) 18
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 19
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 Make decision coordinator Association req. ACK Beacon Data req. ACK Association req. ACK Network Device Scan channel Wait for response 20
IEEE 802.15.4 與 ZigBee 對應關係 (1/2) ZigBee Device Type IEEE 802.15.4 Network IEEE 802.15.4 Device Type Coordinator PAN Coordinator FFD Router Coordinator FFD End Device Device FFD or RFD 21
IEEE 802.15.4 與 ZigBee 對應關係 (2/2) ZigBee Network Topology Star Tree Mesh IEEE 802.15.4 Network Topology Star Peer-to-Peer Peer-to-Peer 22
ZigBee 網路拓樸 (1/3) Star Topology End device 星狀拓樸 優點 容易同步化 低延遲 (one-hop) 缺點 擴充難 Coordinator 23
ZigBee 網路拓樸 (2/3) Tree Topology End device 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) Coordinator Router 24
ZigBee 網路拓樸 (3/3) 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 End device Router Coordinator 25
Example 26
ZigBee Stack 27
Network Layer 28
Application Support Sublayer 29
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 30
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> 31
AODV Route Discovery Initiation Route Request (RREQ) broadcast flood Destination Source 32
AODV Route Discovery Completion Route Reply (RREP) propagation Destination Source 33
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 34
Wireless Sensor Networks 選擇 消耗電力 ( 續航力 ) 費用 ( 產品費用 設置費用 ) 電波法的限制 網路類型 安全 優先等級 數據傳輸速度 信息的延遲時間 35
無線規格比較 IEEE802.11b Bluetooth ZigBee Power Profile Hours Days Years Complexity Very Complex Complex Simple Node/Master 32 7 65536 Latency 3 seconds 10 seconds 30ms Range 100m 10m 30m Date Rate 11Mbps 1Mbps 250Kbps Security Authentication Service Set ID (SSID) 64 bit, 128bit AES and Application Layer user defined 128 bit AES and Application Layer user defined 36
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 37
應用 38
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 39
References [1]Adis, Vojvodic, An Paper on ZigBee, in Computer Communication and Distributed Systems on Chalmers UniversityofTechnology,Sweden,EDA390,May2006. [2]C.J. Li, Y.F. Wang, and X.J. Guo, The Application Research of Wireless Sensor Network Based on ZigBee, in 2010 Second International Conference 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 40
Q&A 41