IEEE802.15.4/ZigBee

1. Institut National des Sciences Appliquées
et de Technologie
Soutenance de Projet de Fin d’Etude
Réalisé par : Amin FERJANI
Société : ALPHA TECHNOLOGY
Responsable Entreprise : Mr. Nizar GHRAM
Responsables INSAT : Mr. Lanouar KAABI & Mr. Lotfi Hassine
1
ETUDE ET DÉVELOPPEMENT D’UN MODULE RADIO
UNIVERSEL DE TELE MESURE ET TÉLÉ CONTRÔLE
CONFORME AU STANDARD ZIGBEE™
Soutenu le 12 janvier 2008

2. Présentation de l’entreprise
• ALPHA TECHNOLOGY start up spécialisée dans la conception et la
fabrication des systèmes électroniques embarqués exploitant l’infrastructure de
télécommunication GSM GPRS pour les applications M2M dans les domaines
automobiles, monétique, télé surveillance d’installations.
 Produits:
• Calculateur de géo localisation de véhicule AVL
• Affichages électronique à LED.
• Calculateur embarqué universel à base de processeur ARM9 32 bits 200MIPS.
 Services:
• CAO et prototypage de cartes électronique en technologie multicouches et CMS.
• Développement de logiciel sur cible embarqué
• Développement d’application à base de circuit FPGA
Situé à Tunis cité El Khadhra-Tunisie
Site web: www.alphatec.com.tn
2

3. Plan de l’exposé
3
Introduction
Présentation des standards
IEEE 802.15.4
ZigBee
Implémentation
Applications
Conclusion

4. Évolution
4
… 2002 2003
• Domination des
solutions propriétaires
• Emergence du standard
IEEE802.15.4
• Focalisation par les
intégrateurs de système
• $.1 -$1 milliard de
chiffre d’affaire
• Cout de l’unité entre
$1,000-$100
2004 2005 2006
• Fanage des solutions
propriétaire
• Emergence de la
technologie Zigbee
• Focalisation par les
fabricants de semi
conducteur
• Adoption par les premiers
fabricants d’équipements
originaux
• Industrie de $1-$10
milliards
• Cout unitaire $100 - $10
2007 2008 2009
• Domination des
standards
• Omniprésence des
dispositifs sans fils
• Adoption par les
fabricants de semi
conducteurs OEM
• Industrie de $10 -
$100+ milliards
• Coût unitaire $10 - $1

5. 5
Introduction
Présentation des standards
IEEE 802.15.4
ZigBee
Implémentation
Applications
Conclusion

6. 6
802.22
WMAN
802.20
MBWMA
802.19
Coexistance
802.11
WIFI
802.16
WiMax
802.15 WG
WPAN
802.15.4
802.15.3
802
WLAN/MAN
802.15.1
Bluetooth

7. Univers de communication courte distance
Radio Faible débit Propriétaire
WiFi/802.11
•réseaux de PC
•réseaux
domestique
•Distribution de
Video
ZigBee/802.15.4
• immotique
• contrôle
• Supérvision Industrielle
• Logistique
• Capteurs
• domotique / Sécurité
• télérelève des compteurs
•jeux
•périphériques pour PC
•Audio
•télé relevé des compteurs
•Gestion des immeubles
•Automotive
100m
10m
1m
Portée
1K 10K 100K 1M 10M Débit (bps)
1000m
Bluetooth
•micro casque
•Périphériques PC
•PDA/mobile
Critère de Différentiation
•consommation électrique
•caractéristique réseau
•Complexité
•Débit
•Fiabilité
•Interopérabilité
•Intégration
7

8. Comparaison
8
Market name
Standard
ZigBee ®
802.15.4
---
GSM/GPRS CDMA/1xRTT
Wi-Fi TM
802.11b
Bluetooth TM
802.15.1
Applications visées Supervision et contrôle
Voix et données sur longue
distance
Internet, email, vidéo Remplacement cable
Ressources système 4Ko-32Ko 16 Mo+ 1 Mo+ 250 Ko+
Autonomie (jours) 100-1000+ 1-7 0,5-5 1-7
Taille réseau Illimité (264) 1 32 7
Bande passante (KB/s) 20-250 64-128+ 11.000+ 720
Portée 1-100+ 1.000+ 1-100 1-10+
Avantages
Fiabilité, consommation et
coût
Qualité Vitesse, Flexibilité Commodité

9. Architecture en couche
9
ZigBee Application (APL)
NLDE-SAP NLME-SAP
ZigBee Network (NWK)
MLDE-SAP MLME-SAP
IEEE 802.15.4 2003 (MAC)
PD-SAP PLME-SAP
IEEE 802.15.4 2003 (PHY)

10. ZIGBEE™ ALLIANCE
10
•Ecosystème (Fournisseurs de Chip, Intégrateurs, OEM…
•Chairman Bob Heile
• Pas d’entreprises ou d’éléments dominants

11. 11
Introduction
Présentation des standards
IEEE 802.15.4
ZigBee
Implémentation
Applications
Conclusion

12. Standard IEEE 802.15.4
• Protocol léger de transmission sans fil
pour les réseaux privé à faible trafic.
12
Fiable
sécurisé
simple
Faible
consommation

13. IEEE 802.15 TG4
• Débit de 250 kbps, 40 kbps, and 20 kbps.
• Deux modes d’adressages ; réduit à 16-bit
Etendue à 64-bit (264 noeuds possible)
• Latence faible
• Accès au canal controlé par CSMA-CA
• Établissement de réseau automatique par le coordinateur
• Confirmation de la réception
• Forte consideration sur la consommation pour assurer une longue
autonomie
• Utilisable sous plusieurs bandes de fréquence.
13

14. 14
Introduction
Présentation des standards
IEEE 802.15.4
ZigBee
Implémentation
Applications
Conclusion
MCPS-SAP MLME-SAP
Sous couche (MAC)
PD-SAP PLME-SAP
Couche Physique (PHY)

15. 15
Introduction
Présentation des standards
IEEE 802.15.4
ZigBee
Implémentation
Applications
Conclusion
MCPS-SAP MLME-SAP
Sous couche (MAC)
PD-SAP PLME-SAP
Couche Physique (PHY)

16. Occupation spectrale
16
868MHz/
915MHz
PHY
2.4 GHz
Canal 0
868.3 MHz
Channels 11-26
2 MHz
2.4835 GHz
5 MHz
Canaux 1-10
902 MHz 928 MHz
2.4 GHz
PHY
802.11 Canaux du Wifi
802.11 Bandes Typique du WiFi

17. 17
Données
binaires Signal Modulé
Transformation
Bit →Symbole
Modulation
O-QPSK
Transformation
Symbole →Chip
Symbole Sequence de Chip (C0, C1, C2, … , C31)
0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 1 1 1 0
1 1 1 1 0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0
2 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 0
…. 0 1 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 1
15 1 1 0 0 1 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 0 0 0

18. 18
Données
binaires Signal Modulé
Transformation
Bit →Symbole
Modulation
O-QPSK
Transformation
Symbole →Chip
Symbole Sequence de Chip (C0, C1, C2, … , C31)
0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 1 1 1 0
Tc=0,5μs

19. 15
1E-0
1E-1
1E-2
1E-3
1E-4
1E-5
1E-6
1E-7
1E-8
1E-9
-10 -5 0 5 10
Signal-to-Noise Ratio
(SNR)
Bit Error Rate
(BER)

20. Format du Paquet Physique
21
Octets
1
Préambule (4 octets) SFD (1 octet) Taille de la trame (7bits) PSDU
PHR
variable
SHR (synchronisation) PHY Payload

21. Fonctionnalités des couches
inférieurs
22
Application
Routage
802.15.4 MAC
802.15.4 PHY
• CSMA-CA
• Balise & synch.
• Assoc. et Dissociation
• Mode Tx
directe/Ind./GTS
• Filterage
• ED
• CCA
• LQI
• Filtering
• Multi-Channel

22. Structure de la super trame
23
Balise
GTS
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Période d’accès concurrentiel CAP CFP
SD = Durée basique de la Super trame x 2SO symboles
(Active)
GTS Inactive
BI = aBaseSuperframeDuration x 2BO symboles

23. Modèle de la couche MAC
24
MCPS-SAP
MLME-SAP
MLME
MAC
PIB
Elément partagé
de la couche MAC
PD-SAP PLME-SAP
Fig. Modèle de la couche MAC

24. Procédure CSMA non Slotté
25
NB=0
Delai aléatoire
Random(2BE-1)
CCA
Canal
libre ?
NB=NB+1,
BE=min(BE+1,macMaxBE)
Echec succès
V
F
V
F
NB>
macMaxCSMBackoffs

25. Procédure CSMA Slotté
26
NB=0, CW=2
BE=min
(2,macMinBE)
BE=macMinBE
Différer de
random(2BO -1)
backoff période
Effectuer un
CCA
F
CW=2, NB=NB+1,
BE=min(BE+1,macM
axBE)
Echec
CW=CW-1
Succès
Prolongement
autonomie
batterie ?
Canal libre ?
NB>
macMaxCSMBackoffs
CW=0 ?
V
V
F
V
F
V

26. ZigBee™
27
Introduction
Présentation des standards
IEEE 802.15.4
ZigBee
Implémentation
Applications
Conclusion
Cadre des Applications
APSDE-SAP APSDE-SAP
APSDE-SAP
Sous couche de support d’Application
NLDE-SAP
Couche réseau (NWK)
Sous couche (MAC)
MLME-SAP
PD-SAP PLME-SAP
Couche Physique (PHY)
SSP
APSS NLSE
MCPS-SAP
(APS)
APSME APSME
Application 240 Application1
ZPUI
ZigBee Device
Object
(ZDO)
[Endpoint 240] [Endpoint 1]
[Endpoint 0]

27. Couche réseau
28
Introduction
Présentation des standards
IEEE 802.15.4
ZigBee
Implémentation
Applications
Conclusion
Cadre des Applications
APSDE-SAP APSDE-SAP
APSDE-SAP
Sous couche de support d’Application
NLDE-SAP
Couche réseau (NWK)
Sous couche (MAC)
MLME-SAP
PD-SAP PLME-SAP
Couche Physique (PHY)
SSP
APSS NLSE
MCPS-SAP
(APS)
APSME APSME
Application 240 Application1
ZPUI
ZigBee Device
Object
(ZDO)
[Endpoint 240] [Endpoint 1]
[Endpoint 0]

28. Topologie
29
etoile
RFD
FFD
maille
Coordinateur PAN
arbre

29. Auto restauration des chemins
30
Dispositif Zigbee
Parasite
A
B

30. APS
31
Introduction
Présentation des standards
IEEE 802.15.4
ZigBee
Implémentation
Applications
Conclusion
Cadre des Applications
APSDE-SAP APSDE-SAP
APSDE-SAP
Sous couche de support d’Application
NLDE-SAP
Couche réseau (NWK)
Sous couche (MAC)
MLME-SAP
PD-SAP PLME-SAP
Couche Physique (PHY)
SSP
APSS NLSE
MCPS-SAP
(APS)
APSME APSME
Application 240 Application1
ZPUI
ZigBee Device
Object
(ZDO)
[Endpoint 240] [Endpoint 1]
[Endpoint 0]

31. Modèle de la sous couche de
support d’application
32
Couche supérieur
APSDE-SAP APSME-SAP
APSDE APSME
Couche réseau
NDLE-SAP
APS IB
NLME-SAP

32. Le Cadre des Applications
33
Introduction
Présentation des standards
IEEE 802.15.4
ZigBee
Implémentation
Applications
Conclusion
Cadre des Applications
APSDE-SAP APSDE-SAP
APSDE-SAP
Sous couche de support d’Application
NLDE-SAP
Couche réseau (NWK)
Sous couche (MAC)
MLME-SAP
PD-SAP PLME-SAP
SSP
APSS NLSE
MCPS-SAP
(APS)
APSME APSME
Application1
ZPUI
ZigBee Device
Object
(ZDO)
[Endpoint 240] [Endpoint 1]
[Endpoint 0]
Application 240
Couche Physique (PHY)

33. Modélisation des Appareils
34
Zigbee Device Object
(e.g.zigbee Coordinator)
Objet lampe
Zigbee Device Object
(e.g.zigbee Coordinator)
Objet Switch
Modélisation orientée objets des
appareils.
les applications communiquent
par l’échange de Clusters et
d’attributs.
Mécanisme d’établissement de
liens
ON/OFF

34. Bibliothèque de clusters
ZigBee®
35
Domaine fonctionnel
Cluster ID
Range
General 0x0000 . 0x00ff
Closures 0x0100 . 0x01ff
HVAC 0x0200 . 0x02ff
Lighting 0x0300 . 0x03ff
Measurement and sensing 0x0400 . 0x04ff
Security and safety 0x0500 . 0x05ff
Protocol interfaces 0x0600 . 0x06ff
Profiles ZigBee
Home
Automation
ZigBee Cluster Library
HVAC* capteurs
sécurité
industrie
éclairage
contrôle
Indutrial plant
monitoring
immotique Automatic
Meter
Reading

35. Descripteur Simple d’application
36
Nom du Champ Taille (Bits)
Endpoint 8
Application profile identifier 16
Application device identifier 16
Application device version 4
Reserved 4
Application input cluster count 8
Application input cluster list 16*i (avec i le nombre de cluster en entrée
dans l’application.)
Application output cluster count 8
Application output cluster list 16*o (avec o le nombre de cluster en sortie
dans l'application)

36. Radio
Z2 EP 5 EP7 EP 8 EP 17
Radio
Z1
Switch 1
EP 3
Switch 2
EP 21
Switch Unit
Clusters (commandes)
Transported via Bindings
EP : Endpoint
Lamp
Unit
Lamp1 Lamp2 Lamp3 Lamp4

37. ZDO
38
Introduction
Présentation des standards
IEEE 802.15.4
ZigBee
Implémentation
Applications
Conclusion
Cadre des Applications
APSDE-SAP APSDE-SAP
APSDE-SAP
Sous couche de support d’Application
NLDE-SAP
Couche réseau (NWK)
Sous couche (MAC)
MLME-SAP
PD-SAP PLME-SAP
Couche Physique (PHY)
SSP
APSS NLSE
MCPS-SAP
(APS)
APSME APSME
Application 240 Application1
ZPUI
ZigBee Device
Object
(ZDO)
[Endpoint 240] [Endpoint 1]
[Endpoint 0]

38. Descripteur du noeud
39
Libellé du champ taille (bits)
Logical type 3
Complex descriptor available 1
User descriptor available 1
Reserved 3
APS flags 3
Frequency band 5
MAC capability flags 8
Manufacturer code 16
Maximum buffer size 8
Maximum transfer size 16
Server Mask 16
Logical Type Value
b2b1b0
Description
000 ZigBee coordinator
001 ZigBee router
010 ZigBee end device
011-111 Reserved
Bits: 0 1 2 3 4-5 6 7
Alternate
PAN
coordinator
Device
type
Power
source
Receiver on
when idle
Reserved Security
capability
Allocate
address

39. Descripteur d’alimentation
40
Nom du Champ Taille (Bits)
Current power mode 4
Available power sources 4
Current power source 4
Current power source level 4

40. Descripteur Complexe
41
Nom du champ XML Tag
Valeur de l’étiquette
compressé XML
b3b2b1b0 Type de donnée
Reserved - 0000 -
Langue <languageChar> 0001 ISO 639-1 language
code
Ou autres
Nom du constructeur <manufacturerName> 0010 Chaine de caractères
Nom du modèle <modelName> 0011 Chaine de caractères
Numéro de série <serialNumber> 0100 Chaine de caractères
URL de l’appareil <deviceURL> 0101 Chaine de caractères
Icone <icon> 0110 Octet string
URL de l’icone <outliner> 0111 Chaine de caractères
Réservé - 1000 – 1111 -

41. 47
Introduction
Présentation des standards
IEEE 802.15.4
ZigBee
Implémentation
Applications
Conclusion

42. Implémentation
48
Utilisateur
GPIO
ZigBee / Utilisateur
Péripheriques
Flash RAM
CPU
IEEE 802.15.4
Alimentation
Horloges
Plateforme ZigBee
compatible
Application
Profile d’Application
Code
embarqué
sur
system
MCU
Application Framework
Couche réseau et sécurité
Couche MAC
Couche Physique
2.4 GHz ou 868/915 Mhz
MAC HW-support
AES
Transmetteur RF et Modem
Silicone Stack ZigBee Application

43. Cible séléctionnée
49

44. FFFFh
Interrupt
number
Description Interrupt
name
Espace mémoire
• Interface 0 RF TX FIFO RF underflow IEEE802.15.4
and RX
FIFO overflow.
DATA
– 2.4 GHz
– CSMA/CA
– RSSI/LQI
VDD 2.0-3.6V
DCOUPL
51
B
u
s
S
F
R
B
u
s
S
F
R
B
u
s
S
F
R
B
u
s
S
F
R
B
u
s
S
F
R
B
u
s
S
F
R
RESET
32 MHz
CRYSTAL
OSC.
DEBUG Interface
Power on Reset
Brown out
8051
CPU
ADC
AUDIO/ DC
WATCHDOG TIMER
AES
cryptage &
Décryptage
USART 1
TIMER1 ( 16 Bit)
Timer 2
IEEE802.15.4 MAC Timer
TIMER 3 (8 Bits)
TIMER 4 (8 Bits)
SLEEP TIMER
Gestionnaire d’alimentation
8 KB SRAM
32/64
128 KB
Flash
Régulateur
Tension on-Chip
Horloge
MUX &
Calibration
USART 0
P2_4
P2_3
P2_2
P2_1
P2_0
P1_7
P0_7
P0_6
P0_5
P0_4
P0_3
00_2
P0_1
P0_0
Digital
Analogique
Mixte
IRQ CTRL
Contrôleur
Flash
RESET_N
XOSC_Q2
XOSC_Q1
32.768 KHz
CRYSTAL OSC
High Speed
RC-OSC
32 KHz
RC-OSC
CC2430
P1_6
P1_5
P1_4
P1_3
P1_2
P1_1
P1_0
Registre Radio
Processeur CSMA/CA
Interface Radio Data
RF_P RF_N
Réception
Transmission
F
I
F
O
AGC Démodul. Modul.
SYNTH
Arbitre
de mémoire
DMA
Microcontrôleur 8051
RFERR
1 ADC end of conversion ADC
2 USART0 RX complete URX0
3 USART1 RX complete URX1
4 AES encryption/decryption
 Optimisé (8x)
 RISC
ENC
complete
 Double pointeur
 32 MIPS
 In-circuit debugging avec
5 Sleep Timer compare ST
6 Port 2 inputs P2INT
7 USART0 TX complete UTX0
0x7FFF
8 DMA transfer complete DMA
9 Timer 1 (16-bit)
l’environnement ® capture/compare/overflow
IAREW
T1
10 Timer 2 (MAC Timer) T2
11 Timer 3 (8-bit) compare/overflow T3
12 Timer 4 (8-bit) compare/overflow T4
13 Port 0 inputs P0INT
14 USART1 TX complete UTX1
15 Port 1 inputs P1INT
16 RF general interrupts RF
17
Watchdog overflow in timer
mode
WDT
OVFL OVFL
T1CC0
OVFL OVFL
0000h
FFFFh
OVFL OVFL
0000h
Free running mode
Modulo mode
Mode Up-Down
Zone
mémoire du
8051
0xF
F
0x00
0xF
F
Espace mémoire
registres SFR
0x80
Espace mémoire
XDATA
0xFFF
F
0x000
0
0xFFFFRAM à accès rapide
0xFF0
0 Espace programme
sur RAM à accès
lent
0xE000
0xDFFF Registres
0xDF
00
Non implémenté
23 Ko
0xDEFF
0x8000
Espace programme en
Mémoire non volatile
0x00
8Ko SRAM
Registre SFR
Registre RF
32 Ko Flash 0x7FF
F
0x00
0xDF8
0
Mémoire
physique

45. 53

46. Concéption
54

47. Réalisation
55

48. Applications
56
ZigBee
CONSUMER
ELECTRONICS
BUILDING
AUTOMATION
Wireless Control that
Simply Works
RESIDENTIAL/
LIGHT
COMMERCIAL
CONTROL
TV
VCR
DVD/CD
PC &
PERIPHERALS
sécurité
HVAC
Eclairage
Contrôle d’accès
Irrigation
INDUSTRIAL
CONTROL
Sécurité
HVAC
AMR
Eclairage
Contrôle d’accès
PERSONAL
HEALTH CARE
Gestion des
Objets
Contrôle des
processus
Gestion de
l’énergie
Péri-informatique
Supérvision
médicale
fitness
monitoring

49. Applications
Situation favorisant l’utilisation de réseau sans fil
• Environnement difficile à câbler.
• Besoin de déploiement rapide
• Eviter une maintenance fastidieuse .
57

50. Domaines d’application
Domotique
automatisation des
équipements
• Eclairage
• Chauffage/Climatisation
• Ventilation
• Sécurité
58

51. Gestion des Bâtiments
• Coordination entre les
installations
• Plateforme de supervision unique
• gestion plus efficace
• Aisance du contrôle des
équipements
59

52. Supervision Industrielle (IPM)
• Mesure périodique et
fréquente
• Réactivité plus rapide aux
pannes
• Calibrage à distance
• Réduire l’exposition du
personnel au danger
• Planification rigoureuse des
opérations de maintenance
60

53. Télé relève des compteurs (AMR)
• Comptage évolué
• Réseau flexible et extensible
• Relevé périodique
• Maitrise de la demande en
période de pointe
• Contrôle de la consommation
• Offre horotarifaire « smart
Price Plan »
• Réduction de la fraude
• Réduction des réleveurs
.
61

54. Autres applications
liste non exhaustive
• Suivi médical
• Environnement et Ecologie
• Défence et sécurité national
• Contrôle d’accès
• Gestion de stock /inventaire
• Dépistage de dispositif
mobile
62

55. Conclusion
63
Zigbee est une technologie sans fils gérée par la Zigbee alliance
et développée sur une norme globale et ouverte afin de cibler les
besoins de bas prix et faible consommation d'énergie des
réseaux de capteurs sans fils.
Zigbee tire tous les avantages de la norme IEE 802.15.4 et
opère dans la bandes de fréquences mondiales non réservées
(donc libres de licences).
Zigbee est conçu pour transporter des données de manière
fiable et sécurisée à travers l'environnement bruité des Radios
Fréquences.

56. 64
Merci pour votre attention

57. 65
Merci pour votre attention

58. 66
Merci pour votre attention

59. Perspectives
67

60. 68
High
Medium
Low
Text
• Text
Text
• Text
Text
• Text
Text
• Text

61. 69
Business
Strategy
Manufacturing
Strategy
Configuration
Systems
Researc
h
Focus
Labor
Policy
Product
Design
Make
vs.
Buy
Organizatio
n
Process
Design



62. Cadre dApplications
APSDE-SAP APSDE-SAP APSDE-SAP
Sous couche de support d’Application
Sous couche (MAC)
PD-SAP PLME-SAP
Couche Physique (PHY)
MLME-SAP
Fournisseur
de services
de sécurité
APSSE-SAP NLSE-SAP
MCPS-SAP
Couche réseau (NWK)
NLDE-SAP
(APS)
APSME-SAP APSME-SAP
[Endpoint 0]
Application 240 Application1
ZPUI
ZigBee Device Object
(ZDO)
[Endpoint 240] [Endpoint 1]

63. Applications
71

64. Marchés ciblés
• Gestion des Bâtiments / Immotique
• Contrôle des appareils domestiques
• Contrôle industriel
• Logistique
• Réseaux de capteurs
73