ZigBee. Marco Sgroi. So.Tel srl - Seminario Universita Roma Tre, 13 Aprile 2011

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1 ZigBee Marco Sgroi So.Tel srl - Seminario Universita Roma Tre, 13 Aprile 2011

2 So.Tel srl Fondata nel 1975 Sede: Roma Indirizzo Web: Progettazione e realizzazione di Sistemi di Telecomunicazioni Progettazione di Sistemi basati su Reti Wireless di Sensori Progetti di Ricerca e Sviluppo in collaborazione con Enti di Ricerca e Universita

3 Internet of Things Oggetti della vita di tutti I giorni dotati della capacita di interagire con l ambiente attraverso sensori e attuatori, di elaborare dati e di trasmetterli L accesso a dati del mondo fisico abilita nuovi servizi in diversi domini applicativi: sanita, ambiente, energia, domotica, automotive e molti altri

4 Reti Wireless di Sensori (WSN) Basso consumo energetico Bassa velocita di trasmissione Risorse limitate Range di comunicazione limitato Basso costo

5 Monitoraggio e Controllo Sensori Applicazione Attuatori

6 Accesso Remoto a WSN Internet Reti WSN: connessione locale Reti Geografiche: accesso remoto

7 Tipologia di nodi WSN Nodi con sensori e/o attuatori Trasmettono dati misurati da sensori o ricevono comandi per attuatori Ripetitori (Router) Estendono il range di comunicazione tra nodi Gateway Interfacciano WSN con reti geografiche Sensor Power System Actuator Micro Controller Radio/ Protocol

8 Tecnologie Radio e Protocolli Low- Power Sensori Energy Harvesting (Solar, Piezo,..) Tecniche di analisi dati

9 Size Power Cost Evoluzione delle WSN Progetto Picoradio UC Berkeley K. Pister fonda Dust Networks Specifiche ZigBee Alliance Ember vende 10M chip Time Prima release TinyOS Specifica Specifica 6LowPAN ZigBee per AMI Goteborg Ricerca Accademica Ricerca industriale Utilizzo industriale

10 Gartner Hype Cycle (Gartner, 2009) Source: Gartner (July 2009)

11 Source: Applicazioni delle WSN

12 Nuovi dati non disponibili con reti cablate Fitness TPMS Telemedicina

13 Sostituzione costosi/ingombranti cablaggi Domotica Monitoraggio Infrastrutture

14 Riduzione dei costi di installazione

15 Architettura di sistema Server/Platform Data Storage Management Billing Authentication GW1 WSN WAN/Internet GW2 WSN

16 Componenti Mercato delle WSN Nuovi modelli di business ancora in gran parte da definire Principali attori Produttori di Chip (esempio: Texas Instruments, Ember..) Produttori di dispositivi (Philips, BodyMedia..) Piattaforme (IBM,HP..) Applicazioni (Sentilla, Synapsense..) Fornitori di Servizi (Telecom Italia, Wind..)

17 ZigBee ZigBee Alliance fondata nel 2002 Specifiche pubblicamente disponibili, ultima versione dello Stack pubblicata nel 2007 Oltre 300 aziende Interoperabilita tra dispositivi di diversi produttori Procedure di certificazione Ottimizzazione della durata delle batterie dei nodi Sicurezza della comunicazione Robustezza della comunicazione rispetto a interferenze

18 Data Rate Wireless Standards PAN WLAN WAN WiFi/ Bluetooth GSM/UTMS/WiMax ZigBee/ Range

19 ZigBee Layers Application Application Applications Profiles ZigBee Security Application Layer Layer ZigBee Network Layer IEEE MAC Layer MAC Layer Physical Layer

20 Caratteristiche reti ZigBee Banda: 2.4 Ghz Maximum data rate: 250Kbps Low Power Range di Trasmissione: fino a 100m outdoor Security: 128bit AES encryption Tipi di nodi Nodi End Devices con sensori/attuatori Gateway che interfaccia rete ZigBee con reti WAN e svolge ruolo di Coordinatore della rete Zigbee Router per comunicazione multi-hop tra End Device e Coordinatore - Coordinatore - Router - End Devices

21 Topologie Stella Albero Mesh Pan Coordinator Full Function Device Reduced Function Device

22 Source: ZigBee Protocol Stack

23 BER Physical Layer Bluetooth SNR DSSS - Direct Sequence Spread Spectrum Signal Modulation (O-QPSK) Energy detection/carrier Sense Received Signal Strength Indicator (RSSI) Link Quality Indicator (LQI)

24 Contention-based MAC Layer Accesso al canale basato su CSMA-CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) Se canale e disponibile, il nodo trasmette Se il canale e occupato, il nodo aspetta per un periodo di backoff di durata random e poi riprova Parametri BE (Backoff Exponent): tempo di backoff NB (Number Backoffs): numero di tentativi Hidden Terminal Problem A B C

25 MAC Layer Contention-free Guaranteed Time Slot super-frame Beacon-enabled Tipi di device Full Function Device (FFD): tutte le funzionalita dell Reduced Function Device (RFD): solo alcune funzionalita, ad esempio un RFD puo comunicare solo con un FFD e non puo essere coordinatore della rete

26 Network Layer Routing (AODV: Ad-Hoc On Demand Distance Vector) Route definite on-demand attraverso meccanismo di route discovery Sender emette messaggio broadcast di discovery di route verso un nodo destinatario Messaggio si propaga nella rete finche non raggiunge nodo destinatario Nodo destinatario sceglie il path con costo minore e risponde Nodi intermedi aggiornano tabelle di routing Link cost = min (7, round (1/P^4)), P= probabilita di corretta ricezione pacchetto (stimata basata su LQI) Tabelle Routing: contiene indirizzo nodo destinazione, next hop Neighbor: contiene lista nodi vicini, LQI, nodo genitore D B A F C E

27 Application Layer Application Objects Componenti dell applicazione Application Object associato a un EndPoint Ogni nodo ha al max 240 EndPoint Zigbee Device Object Funzioni di gestione del livello applicativo comuni a tutte le applicazioni Zigbee Device Profile: profilo applicativo per servizi di gestione della rete (ad es. Service e Device Discovery) Application Support Sub-layer

28 ZigBee Cluster Library Uno ZigBee Cluster definisce un interfaccia a un insieme di funzionalita comuni a piu domini applicativi Modello Client-Server Cluster specifica Attributi Comandi Esempi On-Off Cluster Level Cluster Alarm Cluster Temperature Cluster Client (chiede dati) Server (ha dati)

29 Home Automation Smart Energy Health care Telecom Services Remote Control Build Automation Retail Services 3D Sync ZigBee Profiles

30 ZigBee Profiles Definiscono insiemi di dispositivi e protocolli per un dominio applicativo Profilo specifica Dispositivi Cluster Parametri Interoperabilita tra dispositivi di diversi produttori Programmi di certificazione Profili pubblici e privati

31 Profilo Health Care Source: Applicazioni: Disease Management, Assisted Living, Fitness Dispositivi: Termometro, Bilancia, ECG, Blood Pressure Monitor, Pulse Oximeter, Unita Raccolta Dati, e altri Cluster: Tunnel per messaggi applicativi definiti da IEEE11073

32 Coesistenza in Banda 2.4 Ghz Interferenza WiFi Scelta canale libero Frequency agility

33 Posizionamento dei Nodi Connettivita Minimizzazione numero di nodi Effetto di ostacoli

34 Valutazione Performance

35 Esempio realizzazione rete ZigBee Sensori Temperatura Umidità Luminosità Corrente alternata

36 Altri Standard WSN 6LowPAN Adaptation layer tra IPv6 and Compressione IPv6 header Frammentazione IPv6 packet In corso sviluppo di Stack basato su IP IPSO: IP for Smart Objects Alliance Futura integrazione con ZigBee? Wireless Hart HART (Highway Addressable Remote Transducer): protocol standard per applicazioni industriali MAC basato su approccio TDMA Frequency Hopping Scheduling delle trasmissioni Adatto per applicazioni che richiedono alta affidabilita Application UDP IPv6 6LowPAN

37 Marco Sgroi Contatti