07 Drahtlose Sensor- und Kontrollnetzwerke PROF. DR. M. FÖLLER NORD INSTITUT EMBEDDED AND MOBILE COMPUTING

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1 07 Drahtlose Sensor- und Kontrollnetzwerke / ZigBee PROF. DR. M. FÖLLER NORD INSTITUT EMBEDDED AND MOBILE COMPUTING

2 Anwendungsentwicklung Anwendungen Endgeräte Plattformen Protokolle und Technologien Application Layer Technologien Transport Layer Network Layer Spezielle Themen: Sicherheit h it in mobilen Szenarien Location Based Services Prof. Dr. M. Föller-Nord, Fakultät Informatik, Hochschule Mannheim 2

3 Wireless Communication: (radio, infrared, ultrasonic) Wireless A sensor is a device that measures a physical quantity and converts it into a signal which h can be read by an observer or by an instrument. sensor network A computer network, is a group of computers and devices interconnected by communications channels. Prof. Dr. M. Föller-Nord, Fakultät Informatik, Hochschule Mannheim 3

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5 Watering Fire detection Animal tracking Water quality Pollution control Prof. Dr. M. Föller-Nord, Fakultät Informatik, Hochschule Mannheim 5

6 Factory automation ti Automotive ti networks Building automation Prof. Dr. M. Föller-Nord, Fakultät Informatik, Hochschule Mannheim 6

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8 large number of tiny sensor nodes Wide area of deployment ability to autonomously form a network provide over years a robust and energy-efficient communications mechanism Ability to withstand harsh environmental conditions routing issues and mobility management must be provided Prof. Dr. M. Föller-Nord, Fakultät Informatik, Hochschule Mannheim 8

9 Allgegenwärtige Kommunikation (Ubiquitous communication) mit Fokus auf: Interoperabilität Plug-and-Play, Self-organizing i Networks Geringe Leistung Ortsbestimmung Prof. Dr. M. Föller-Nord, Fakultät für Informatik Hochschule Mannheim 9

10 WWAN IEEE Range WMAN WLAN WPAN Sensor Networks Bluetooth LE IEEE WiMax IEEE Bluetooth WiFi Data Rate (Mbps) Prof. Dr. M. Föller-Nord, Fakultät Informatik, Hochschule Mannheim 10

11 Verabschiedet: Okt Standard für " Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for Low- Rate Wireless Personal Area Networks (LR- WPANs) Nur MAC and PHY Zwei Frequenzbereiche: 24GH 2.4 GHz 868/915 Mhz IEEE LLC IEEE /915 MHz PHY Upper Layer Stack IEEE MAC Other LLC IEEE MHz PHY Prof. Dr. M. Föller-Nord, Fakultät Informatik, Hochschule Mannheim 11

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13 65,536 Netzwerk (Client) Knoten Optimiert für zeitkritische Anwendungen und Power Management Beitrittszeit zum Neztwek: <30ms Sleeping zu Active: <15ms Kanalzugriffszeit: <15ms Voller Support zum Aufbau und Verwaltung eines vermaschten Netzwerks Network coordinator Full Function node Reduced Function node Communications flow Virtual links Prof. Dr. M. Föller-Nord, Fakultät für Informatik Hochschule Mannheim 13

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15 Mesh Star Cluster Tree PAN coordinator Full Function Device Reduced Function Device Prof. Dr. M. Föller-Nord, Fakultät Informatik, Hochschule Mannheim 15

16 Multihop-Routing Kann sehr groß sein: 255 Cluster à 254 Knoten = 64,770 Knoten Kann physikalisch sehr weit ausgedehnte Bereiche umspannen Verwendbar für latenzzeit-tolerante Anwendungen Prof. Dr. M. Föller-Nord, Fakultät für Informatik Hochschule Mannheim 16

17 Multihop-Routing Up to 255 Cluster à 254 nodes = 64,770 nodes Large physical range Usable for latency tolerant applications Prof. Dr. M. Föller-Nord, Fakultät Informatik, Hochschule Mannheim 17

18 Zwei Verfahren sind definiert Non-beacon network Standard CSMA/CA Kommunikationsverfahren Positive Acknowledgements für erfolgreich empfangende Daten Beacon-enabled network Superframe Struktur Network coordinator sendet Beacons in definierten Zeitintervallen Festgelegte Bandbreite geringe Latenzzeiten Schonung der Energieressourcen Prof. Dr. M. Föller-Nord, Fakultät Informatik, Hochschule Mannheim 18

19 Datentransfer zum Coordinator Datentransfer vom Coordinator Prof. Dr. M. Föller-Nord, Fakultät Informatik, Hochschule Mannheim 19

20 periodische Beacons (Intervall: 15ms - 252s) aktive und inaktive Phase Aktive Phase: 16 Slots Contention Access Period (CAP) slotted CSMA/CA Contention Free Period (CFP) garantierte Timeslots (GTS) Prof. Dr. M. Föller-Nord, Fakultät Informatik, Hochschule Mannheim 20

21 Datentransfer zum Coordinator Datentransfer vom Coordinator Prof. Dr. M. Föller-Nord, Fakultät Informatik, Hochschule Mannheim 21

22 Protokoll der ZigBee Alliance (s. nächste Folie) Entwicklung und Standardisierung des ZigBee-Protkolls Verabschiedet: Dez ZigBee setzt immer auf auf Ziel: Globaler Standard für zuverlässige kosteneffiziente drahtlos vernetzte low-power Produkte Enthält: Upper Layer Stack und Applikationsprofile Prüfkennzeichnung und Zertifizierung Prof. Dr. M. Föller-Nord, Fakultät für Informatik Hochschule Mannheim 22

23 Acht Gründungs-/Förderfirmen Chipcon, Ember, Freescale, Honeywell, Mitsubishi, Motorola, Philips and Samsung Schnell steigende Anzahl von Firmen (derzeit ca. 175) aus 29 Ländern die ZigBee-konforme Produkte und Lösungen anbieten Firmen umfassen Chip Hersteller, Hersteller von wireless IP Prokukten, OEMs, Hersteller von Test Equipment, Endbenutzer Prof. Dr. M. Föller-Nord, Fakultät für Informatik Hochschule Mannheim 23

24 security HVAC AMR lighting control access control BUILDING AUTOMATION CONSUMER ELECTRONICS TV VCR DVD/CD remote patient monitoring fitness monitoring PERSONAL HEALTH CARE ZigBee Wireless Control that Simply pyworks PC & PERIPHERALS mouse keyboard joystick asset mgt process control environmental energy mgt INDUSTRIAL CONTROL RESIDENTIAL/ LIGHT COMMERCIAL CONTROL security HVAC lighting control access control lawn & garden irrigation Prof. Dr. M. Föller-Nord, Fakultät für Informatik Hochschule Mannheim 24

25 Lampe der Firma X ZigBee Kontrolleinheit der Firma Z Lichschalter der Firma Y Prof. Dr. M. Föller-Nord, Fakultät für Informatik Hochschule Mannheim 25

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27 27 Kanäle auf 3 Frequenzbändern maximale Datenrate: 250Kbps kommunizierende Geräte auf gleichem Kanal bilden ein PAN wird von einem Koordinator verwaltet Bis zu 254 Geräten Gerätetypen: ZigBee End-Device ZigBee Router ZigBee Anforderung an Geräte gesamter ZigBee-Protokollstack: <32KB ein ZigBee End Device soll mit 4-8KB auskommen Koordinatoren benötigen extra RAM Prof. Dr. M. Föller-Nord, Fakultät für Informatik Hochschule Mannheim 27

28 ZigBee Coordinator (ZC) Genau einer für jedes ZigBee Netzwerk erforderlich. Initiiert den Aufbau des Netzwerks Fungiert als PAN coordinator (FFD). Kann als Router arbeiten, sobald das Netzwerk formiert ist ZigBee Router (ZR) Optionale Netzwerkkomponente Fungiert als coordinator (FFD). Ist am Multihop-Routing von Nachrichten beteiligt ZigBee End Device (ZED) Optionale Netzwerkkomponente ist nicht am Routing beteilig (RFD) Prof. Dr. M. Föller-Nord, Fakultät für Informatik Hochschule Mannheim 28

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38 Die Network (NWK) Layer stellt Mechanismen zur Verfügung um : ZigBee-Geräten den Beitritt und das Verlassen eines Netzwerks zu ermöglichen, Routing von empfangene Pakete an die Adressaten innerhalb eines Netzwerks zu ermöglichen. Network Layer ist darüber hinaus für die Ermittlung und Verwaltung von Pfaden durch das Netzwerk verantwortlich (Routingalgorithmus) Prof. Dr. M. Föller-Nord, Fakultät für Informatik Hochschule Mannheim 38

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40 ZigBee Device Object (ZDO) legt die Netzwerkrolle eines ZigBee Geräts fest z.b. Coordinator Coordinator oder End Device ist verantwortlich für das Auffinden neuer Geräte und die Ermittlung der von ihnen bereitgestellten Funktionalitäten. Application Framework (AF) enthält benutzerdefinierten Anwendungen Prof. Dr. M. Föller-Nord, Fakultät für Informatik Hochschule Mannheim 40

41 Application Support (APS) Layer verwaltet die Bindungen zwischen ZigBee Geräten. Bindung: Zuordnung von Geräten im Netzwerk entsprechend ihrer Aufgaben (wie z.b. Schalter oder Lampe Lampe ) Device i S1 S2 Device j L1,L2,L3 L4 Prof. Dr. M. Föller-Nord, Fakultät für Informatik Hochschule Mannheim 41

42 Ultra-low low peak, average and idle mode power consumption Ability to run for years on standard coin-cell batteries Low cost Enhanced range Multi-vendor interoperability Based on all well-known features of standard Bluetooth Robustness using FHSS, AFH Deterministic, using times slotted media access Secure, using encryption and authentification mechanisms of standard Bluetooth (v. 3.0) Prof. Dr. M. Föller-Nord, Fakultät Informatik, Hochschule Mannheim 42

43 Prof. Dr. M. Föller-Nord, Fakultät Informatik, Hochschule Mannheim 43

44 unlicensed 24GHz 2.4 ISM band uses Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS) and Adaptive Frequency Hopping (AFH) 40 channels each having a 1 MHz bandwidth and with a 2 MHz channel separation. channels count thas been reduced dto simplify the radio design, enabling the manufacturing of smaller and cheaper silicon. transmit power characteristics are limited from a minimum of 0.01mW to a maximum of 10mW. Bitrate: 1MBit/s maximum Bit Error Rate of 0.1%. Prof. Dr. M. Föller-Nord, Fakultät Informatik, Hochschule Mannheim 44

45 Ad Sc Ad: Advertiser Sc: Scanner In: Initiator Sc In Ad Piconet, unlimited number of active LE devices, always star topology S: Slave M: Master SB: Stand By SB M S S advertiser periodically sends advertisements. A scanner is waiting for an advertisement. An Initiator waits for a connectable advertising packets. S Prof. Dr. M. Föller-Nord, Fakultät Informatik, Hochschule Mannheim 45

46 From: [1] Prof. Dr. M. Föller-Nord, Fakultät Informatik, Hochschule Mannheim 46

47 Advertising Channels Most commonly uses WLAN channels From [3] Prof. Dr. M. Föller-Nord, Fakultät Informatik, Hochschule Mannheim 47

48 From: [1] Communication between Adv und Scanner Using Adv-Channels No Connection between LE devices is established Advertiser starts end ends the advertising event Channel hopping according to figure above Prof. Dr. M. Föller-Nord, Fakultät Informatik, Hochschule Mannheim 48

49 From: [1] Initiator listen for connectable adv. event Connection is established if adv. receive and accepts request for connection from Initiator Initiator becomes master, Adv. becomes slave Connection events are used to send data packets Master starts end ends connection events Frequency hopping according to figure above Prof. Dr. M. Föller-Nord, Fakultät Informatik, Hochschule Mannheim 49

50 standby inquiry page transmit AMA connected AMA park PMA hold AMA sniff AMA From: [1] Standard Bluetooth Bluetooth low energy Prof. Dr. M. Föller-Nord, Fakultät Informatik, Hochschule Mannheim 50

51 The Link Layer has only one packet format used for both advertising channel packets and data channel packets. The shortest packet is 80 bits in length. The longest 376 Bits The Access Address for all advertising i channel packets shall be b (0x8E89BED6). Packet is 376 bits in length. Addresses in Data Packets can be generated randomly From: [1] Prof. Dr. M. Föller-Nord, Fakultät Informatik, Hochschule Mannheim 51

52 37 data channels for transmitting data between the Bluetooth low energy devices, if connected Prof. Dr. M. Föller-Nord, Fakultät Informatik, Hochschule Mannheim 52

53 Three Advertising Channels (fixed frequencies) can be used for: discovering devices, initiating connections or broadcasting data. Prof. Dr. M. Föller-Nord, Fakultät Informatik, Hochschule Mannheim 53

54 Frequencies chosen in such a way to minimize i i interference with the most commonly used /Wi-Fi channels (1, 6 and 11) A Bluetooth low energy device is discoverable ten times faster, and discoverable and connectable twenty times faster than a classical Bluetooth device. In practice this means times less energy consumption (from [2]) Prof. Dr. M. Föller-Nord, Fakultät Informatik, Hochschule Mannheim 54

55 Bluetooth BR/EDR Bluetooth LE IEEE / ZigBee Data Rate (3 Mbit/s) (1 Mbit/s) ( kbit/s) Robustness Range - (10-100m) + (300 m) ++ up to km Large scale networks (max. 8 devices in piconet) Topology Star Star Star and mesh Low latency Pairing Speed Power Consumption Costs Security Prof. Dr. M. Föller-Nord, Fakultät Informatik, Hochschule Mannheim 55

56 Bluetooth low energy technology meets all the requirements of a wireless solution for sensors and actuators Cost effective stand-alone solutions Multiple chipset supplier that secure a long-term availability of the components Robustness inherited from standard Bluetooth (more than 10 years experience) Long range High local system density Very fast connection Low latency Simple star typology Low power consumption Free-of-charge technical specifications Prof. Dr. M. Föller-Nord, Fakultät Informatik, Hochschule Mannheim 56

57 [1] BLUETOOTH SPECIFICATION Version 4.0 [Vol 6] Bluetooth SIG, 30 June 2010 [2] Bluetooth low energy Technical overview of stack s lower layers and latency considerations, Enrico Taddeo, Bluegiga Technologies Inc., Espoo, Finland, Wireless Congress 2010 [3] Bluetooth low energy technology - the optimal solution for wireless sensors and actuators, Rolf Nilsson President connectblue AB, Wireless Congress 2010 Prof. Dr. M. Föller-Nord, Fakultät Informatik, Hochschule Mannheim 57

58 ZigBee Alliance Web Site IEEE Web Site Blutooth Special Interrest Group Prof. Dr. M. Föller-Nord, Fakultät für Informatik Hochschule Mannheim 58

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