ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΕΡΓΑΣΙΑΣ ΕΙΣΑΓΩΓΗ 5

Transcript

1

2 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΕΡΓΑΣΙΑΣ ΕΙΣΑΓΩΓΗ 5 1 ΓΕΝΙΚΗ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΗΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗΣ ΓΕΝΙΚΑ ΓΙΑ ΤΑ ΑΣΥΡΜΑΤΑ ΔΙΚΤΥΑ ΤΟ ΠΡΟΒΛΗΜΑ ΥΨΗΛΗΣ ΚΑΤΑΝΑΛΩΣΗΣ ΠΡΟΤΕΙΝΟΜΕΝΗ ΛΥΣΗ ΓΙΑ ΒΕΛΤΙΩΣΗ ΚΑΤΑΝΑΛΩΣΗΣ 7 2 ΤΟ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΟ IEEE ΓΕΝΙΚΗ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΔΙΚΤΥΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟ ΔΙΚΤΥΟΥ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗ ΚΑΙ ΜΟΡΦΗ ΜΗΝΥΜΑΤΩΝ ΑΞΙΟΠΙΣΤΙΑ ΚΑΙ ΚΡΥΠΤΟΓΡΑΦΗΣΗ 13 3 ΤΟ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΟ ZIGBEE ΙΣΤΟΡΙΑ ΕΚΔΟΣΕΩΝ ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΤΩΝ ZIGBEE ZIGBEE 2006 ZIGBEE PRO ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΤΟΥ STACK ΤΥΠΟΙ ΣΥΣΚΕΥΩΝ ΤΟΠΟΛΟΓΙΕΣ ΔΙΚΤΥΟΥ ZIGBEE ΤΡΟΠΟΙ ΠΡΟΣΒΑΣΗΣ ΣΤΟ ΚΑΝΑΛΙ 20 4 ΤΑ ΕΠΙΠΕΔΑ ΤΟΥ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΟΥ ZIGBEE ΕΠΙΠΕΔΟ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ APL ΥΠΟΕΠΙΠΕΔΟ ΥΠΟΣΤΗΡΙΞΗΣ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ APS APS ΟΝΤΟΤΗΤΑ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ (APSDE) APS ΟΝΤΟΤΗΤΑ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗΣ (APSME) ΠΛΑΙΣΙΟ ΕΡΓΑΣΙΑΣ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ (Application Framework) ΠΡΟΦΙΛ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ (Application Profiles) ΣΥΣΤΑΔΕΣ (Clusters) ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑ ΠΡΟΦΙΛ ZIGBEE ΛΗΨΗ ΠΕΡΙΓΡΑΦΕΑ ΠΡΟΦΙΛ (Profile Identifier) ΟΡΙΣΜΟΣ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗΣ ΣΥΣΚΕΥΗΣ ΚΑΙ ΣΥΣΤΑΔΑΣ ΤΟΠΟΘΕΤΗΣΗ ΤΩΝ ΠΡΟΦΙΛ ΣΤΑ ΑΚΡΟΣΗΜΕΙΑ ΕΝΕΡΓΟΠΟΙΗΣΗ ΕΥΡΕΣΗΣ ΥΠΗΡΕΣΙΩΝ ΠΕΡΙΓΡΑΦΕΙΣ ZIGBEE (ZigBee Descriptors) ΠΕΡΙΓΡΑΦΕΑΣ ΚΟΜΒΟΥ (Node Descriptor) ΠΕΡΙΓΡΑΦΕΑΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΚΟΜΒΟΥ ΑΠΛΟΣ ΠΕΡΙΓΡΑΦΕΑΣ (Simple Descriptor) ΣΥΝΘΕΤΟΣ ΠΕΡΙΓΡΑΦΕΑΣ (Complex Descriptor) ΠΕΡΙΓΡΑΦΕΑΣ ΧΡΗΣΤΗ (User Descriptor) ΤΟ ΠΡΟΦΙΛ ΣΥΣΚΕΥΗΣ ZIGBEE (Device Profile) ΠΕΡΙΛΗΨΗ ΠΡΟΦΙΛ ΣΥΣΚΕΥΗΣ ΕΥΡΕΣΗ ΣΥΣΚΕΥΩΝ ΚΑΙ ΥΠΗΡΕΣΙΩΝ ΔΙΑΔΕΣΗ ΤΕΛΙΚΩΝ ΣΥΣΚΕΥΩΝ

3 ΔΙΑΔΕΣΗ ΚΑΙ ΑΠΟΔΕΣΜΕΥΣΗ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΠΙΝΑΚΑ ΔΙΑΔΕΣΕΩΝ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΔΙΚΤΥΟΥ ΤΑ ZIGBEE DEVICE OBJECTS ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΩΝ DEVICE OBJECT ΕΠΙΠΕΔΟ ΔΙΚΤΥΟΥ - NWK ΟΝΤΟΤΗΤΑ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΕΠΙΠΕΔΟΥ ΔΙΚΤΥΟΥ ΟΝΤΟΤΗΤΑ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗΣ ΕΠΙΠΕΔΟΥ ΔΙΚΤΥΟΥ 30 5 Η ΣΤΟΙΒΑ ZIGBEE ΤΗΣ MICROCHIP ΔΥΝΑΤΟΤΗΤΕΣ ΤΗΣ ΣΤΟΙΒΑΣ ΤΑ ΕΠΙΠΕΔΑ ΤΗΣ ΣΤΟΙΒΑΣ ΤΑ ΑΡΧΕΓΟΝΑ ΤΗΣ ΣΤΟΙΒΑΣ ΑΠΟΣΤΟΛΗ ΜΗΝΥΜΑΤΩΝ ΠΕΡΙΟΡΙΣΜΟΙ ΣΤΗ ΣΤΟΙΒΑ ΤΗΣ MICROCHIP ΔΡΟΜΟΛΟΓΗΣΗ ΜΗΝΥΜΑΤΩΝ ΡΥΘΜΙΣΗ ΠΑΡΑΜΕΤΡΩΝ - ΑΠΑΙΤΗΣΕΙΣ ΠΟΡΩΝ ΟΙ ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ LQI RSSI 36 6 ΤΟ ΥΛΙΣΜΙΚΟ ΠΟΥ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΗΘΗΚΕ ΓΕΝΙΚΑ ΟΙ ΚΟΜΒΟΙ ΤΟΥ ΔΙΚΤΥΟΥ ΣΧΗΜΑΤΙΚΟ ΤΗΣ ΒΑΣΙΚΗΣ ΠΛΑΚΕΤΑΣ ΚΥΚΛΩΜΑ ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑΣ ΚΥΚΛΩΜΑ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ ΜΕ Η/Υ ΜΙΚΡΟΕΛΕΓΚΤΗΣ ΚΥΚΛΩΜΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΧΡΟΝΟΘΥΡΙΔΩΝ ΤΟ ΘΕΡΜΟΜΕΤΡΟ TC ΤΟ ΚΥΚΛΩΜΑ ΕΠΑΝΕΚΚΙΝΗΣΗΣ ΑΠΟ ΤΟN Η/Υ Η ΠΛΑΚΕΤΑ CC2420EM ΤΑ ΑΝΑΠΤΥΞΙΑΚΑ CC2420DK ΤΑ ΑΝΑΠΤΥΞΙΑΚΑ ΕΠΙΔΕΙΞΗΣ CC2420DBK Ο SCHAER+ ICSP ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΣΤΗΣ ΓΙΑ PIC 48 7 Η ΠΡΟΤΕΙΝΟΜΕΝΗ ΜΕΘΟΔΟΣ ΜΕΙΩΣΗΣ ΚΑΤΑΝΑΛΩΣΗΣ ΓΕΝΙΚΗ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΠΟΛΟΓΙΕΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΟΥ ΔΙΚΤΥΟΥ ΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΑ ΚΑΤΑΣΤΑΣΕΩΝ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΣΥΣΚΕΥΩΝ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΣΥΝΤΟΝΙΣΤΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΔΡΟΜΟΛΟΓΗΤΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΤΕΛΙΚΩΝ ΣΥΣΚΕΥΩΝ Η ΜΕΘΟΔΟΣ ΜΕΙΩΣΗΣ ΜΕ ΧΡΟΝΙΚΟ ΕΛΕΓΧΟ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ - ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΜΕΤΑΞΥ ΜΕΘΟΔΩΝ 57 8 ΤΟ ΛΟΓΙΣΜΙΚΟ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ ΓΕΝΙΚΑ ΓΙΑ ΤΟ ΛΟΓΙΣΜΙΚΟ ΟΙ ΕΠΙΛΟΓΕΣ ΤΟΥ ΛΟΓΙΣΜΙΚΟΥ Η ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΜΕ ΤΟ ΛΟΓΙΣΜΙΚΟ

4 8.4 Η ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΤΩΝ ΤΟΠΟΛΟΓΙΩΝ ΤΟΠΟΛΟΓΙΑ ΤΟΠΟΛΟΓΙΑ ΤΟΠΟΛΟΓΙΕΣ ΠΟΛΛΩΝ ΚΟΜΒΩΝ 70 9 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΜΕΛΛΟΝΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 74 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α ΚΩΔΙΚΕΣ ΣΥΣΚΕΥΩΝ

5 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Στην εποχή μας υπάρχει μεγάλη εξέλιξη των ασύρματων επικοινωνιών σε προσωπικά δίκτυα μικρής εμβέλειας - WPAN. Πολλά είναι τα πρωτόκολλα που ορίζουν τον τρόπο επικοινωνίας τέτοιων δικτύων, όπως το IrDA, Bluetooth και άλλα. Ένα από αυτά, και συγκεκριμένα το ZigBee είναι το πρωτόκολλο που έχει μελετηθεί σε αυτή την διπλωματική εργασία. Το ZigBee είναι αποτέλεσμα της συνεργασίας πολλών εταιριών για την ανάπτυξη ενός κοινού προτύπου. Στην εργασία γίνεται μια αρκετά εκτενής περιγραφή του πρωτοκόλλου, και των δυνατοτήτων και αδυναμιών του. Επιπλέον εισάγουμε μια νέα μέθοδο επικοινωνίας με εφαρμογές σε δίκτυα αισθητήρων μικρού ρυθμού δεδομένων που μειώνει δραστικά την κατανάλωση όλων των κόμβων. Στα πλαίσια της εργασίας έχουν κατασκευαστεί κόμβοι για την υλοποίηση του δικτύου που λειτουργούν μαζί με κάποια αναπτυξιακά εργαλεία. Η εργασία έχει γίνει στα πλαίσια της συνεργασίας του Τομέα Ηλεκτρονικής του Τμήματος Φυσικής του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης με την εταιρία OLYMPIA ELECTRONICS. Για την ολοκλήρωση της εργασίας πρέπει να ευχαριστήσω τους καθηγητές Κωνσταντίνο Κοσματόπουλο και Θεόδωρο Λαόπουλο για την καθοδήγησή τους, και τους συμφοιτητές Γιάννη Κοσμαδάκη και Αργύρη Θεόπουλο για την βοήθειά τους

6 1 Γενική περιγραφή της Διπλωματικής 1.1 Γενικά για τα ασύρματα δίκτυα χαμηλής κατανάλωσης Ένα δίκτυο προσωπικής περιοχής (personal area network (PAN)) είναι ένα δίκτυο που χρησιμοποιείται για την επικοινωνία μεταξύ υπολογιστικών συσκευών που βρίσκονται σε κοντινή περιοχή. Η εμβέλεια του δικτύου είναι συνήθως μερικά μέτρα σε αντίθεση με τα δίκτυα τοπικής περιοχής (local area network (LAN)). Αυτό το γεγονός επιτρέπει φθηνές, μικρές, μικρής ενεργειακής κατανάλωσης λύσεις για πολλές εφαρμογές. Εκτός από τα ενσύρματα δίκτυα που μπορούν να επιτευχθούν με πρωτόκολλα όπως το USB και το FireWire (PAN) υπάρχουν τα ασύρματα PAN (wireless PAN WPAN) όπως είναι τα IrDA, Bluetooth, UWB, Z-WAVE. Ένα από αυτά τα ασύρματα δίκτυα χαμηλής κατανάλωσης, χαμηλού ρυθμού δεδομένων, μικρής εμβέλειας είναι και το ZigBee. Αυτό βασίζεται στο πρωτόκολλο IEEE που δημιουργήθηκε για τα WPANs. Σε αυτό ορίζονται διάφοροι τρόποι επικοινωνίας και τοπολογίες μεταξύ των συσκευών που συμμετέχουν. Υπάρχουν οι τοπολογίες αστέρα, δέντρου και πλέγματος. Για την δημιουργία αυτών ορίζονται τρία είδη συσκευών από το πρωτόκολλο του ZigBee. Αυτές είναι ο συντονιστής(coordinator), ο δρομολογητής (Router) και οι τελικές συσκευές (end devices). Η επιτυχία του πρωτοκόλλου ZigBee βρίσκεται στο γεγονός της ικανότητας επέκτασης της εμβέλειας του δικτύου με την χρήση των δρομολογητών οι οποίοι δρομολογούν τα μηνύματα τελικών συσκευών προς άλλες χωρίς αυτές να βρίσκονται στην εμβέλεια του αποστολέα. 1.2 Το πρόβλημα υψηλής κατανάλωσης Για την δημιουργία των δικτύων με τοπολογία δέντρου και πλέγματος απαιτείται η χρήση των δρομολογητών. Ωστόσο σύμφωνα με το IEEE πρέπει αυτές οι συσκευές να είναι συνεχώς έτοιμες να διαβιβάσουν τα μηνύματα άλλων συσκευών. Έτσι πρέπει να έχουν συνεχώς ανοιχτό τον πομποδέκτη τους. Αυτό ωστόσο οδηγεί σε μια συνεχή μόνιμη αρκετά υψηλή κατανάλωση της τάξης των αρκετών δεκάδων ma και την απαίτηση για συνεχή τροφοδοσία και όχι μπαταρίας. Οι συσκευές αυτές δεν κοιμούνται ποτέ σε αντίθεση με τις τελικές συσκευές οι οποίες μπορούν να λειτουργήσουν και με μπαταρία αφού για μεγάλο χρονικό διάστημα κοιμούνται

7 1.3 Προτεινόμενη λύση για βελτίωση κατανάλωσης Για το πρόβλημα της υψηλής κατανάλωσης που αναφερθήκαμε προηγουμένως, προτείνουμε μια λύση, την μέθοδο των χρονοθυρίδων, για την δραστική μείωση της κατανάλωσης. Αυτή μπορεί να εφαρμοστεί σε δίκτυα αισθητήρων που δεν απαιτούν συνεχή επικοινωνία και με σχετικά μικρή ποσότητα δεδομένων. Για την επίτευξη του σκοπού χρησιμοποιούνται χρονικά παράθυρα. Κάθε μια συσκευή μπορεί να επικοινωνεί μόνο στο ένα από αυτά, που της έχει ανατεθεί και στα υπόλοιπα μπορεί να κοιμηθεί. Ένα τέτοιο μικρού μεγέθους δίκτυο κατασκευάστηκε και μελετήθηκε για την απόδοσή του, δίνοντας πολύ καλά αποτελέσματα. Επιπλέον τα αποτελέσματα αυτά χρησιμοποιήθηκαν για την προσομοίωση μεγαλύτερων ίδιας μορφής δικτύων με την χρήση λογισμικού που επίσης αναπτύχθηκε στα πλαίσια της διπλωματικής εργασίας

8 2 ΤΟ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΟ IEEE ΓΕΝΙΚΗ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ Το IEEE είναι ένα πρότυπο που ορίζει το φυσικό επίπεδο (physical layer) και τον έλεγχο πρόσβασης μέσου (medium access control) για μικρής εμβέλειας δίκτυα χαμηλής ταχύτητας (Low-rate personal area networks). Δημιουργήθηκε και συνεχίζεται από την ομάδα εργασίας IEEE Πάνω σε αυτό στηρίζεται το πρωτόκολλο ZigBee, που προσφέρει την ολοκληρωμένη λύση για δίκτυο παρέχοντας τα υπόλοιπα επίπεδα που δεν ορίζονται από το πρότυπο. Το IEEE σκοπεύει να προσφέρει τα πρωταρχικά χαμηλότερα επίπεδα δικτύου ενός τύπου WPAN που εστιάζεται στο χαμηλό κόστος, χαμηλή ταχύτητα και ευρέως διαδεδομένου τρόπου επικοινωνίας (σε αντίθεση με άλλες λύσεις που έχουν περισσότερο ως στόχο τον τελικό χρήστη όπως το Wi-Fi). Η έμφαση δίνεται κυρίως στο χαμηλό κόστος επικοινωνίας των κοντινών συσκευών με ελάχιστη ή και καθόλου υποδομή. Το βασικό πλαίσιο περιλαμβάνει μια περιοχή επικοινωνίας εμβέλειας 10 μέτρων με ρυθμό μεταφοράς 250kbps. Επιπλέον έχουν οριστεί περισσότερα του ενός φυσικά επίπεδα με χαμηλότερο ρυθμό δεδομένων των 20 και 40kbps καθώς και του πρόσφατα προστιθέμενου ρυθμού των 100kbps. Έτσι το κύριο χαρακτηριστικό του είναι σημασία που δίνεται στην επίτευξη πάρα πολύ χαμηλού κατασκευαστικού και λειτουργικού κόστους και η απλή τεχνολογία χωρίς να θυσιάζεται η γενικότητα. Τα σημαντικότερα χαρακτηριστικά περιλαμβάνουν την καταλληλόλητα για χρήση σε εφαρμογές πραγματικού χρόνου (real time) με την εξασφάλιση εγγυημένων χρονικών περιθωρίων, την αποφυγή συγκρούσεων με την χρήση του CSMA/CA (Πολλαπλή πρόσβαση με ανίχνευση φέρουσας και αποφυγή συγκρούσεων Carrier sense multiple access with collision avoidance ) και την ενσωματωμένη υποστήριξη για ασφαλείς επικοινωνίες. Επιπλέον οι συσκευές περιλαμβάνουν λειτουργίες ελέγχου ισχύος όπως η ποιότητα της σύνδεσης και η ανίχνευση ενέργειας. 2.2 ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΤΟΥ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΟΥ Στο σχήμα 1 φαίνεται η αρχιτεκτονική που ορίζει το πρωτόκολλο. Οι συσκευές αλληλεπιδρούν μεταξύ τους με ένα θεμελιώδες απλό ασύρματο δίκτυο. Ο ορισμός των επιπέδων δικτύου βασίζεται στο μοντέλο OSI, παρόλο που μόνο τα χαμηλότερα επίπεδα ορίζονται στο πρότυπο. Η αλληλεπίδραση με τα ανώτερα επίπεδα γίνεται πιθανώς(επιλογή του χρήστη) με την χρήση ενός υποεπιπέδου λογικού ελέγχου σύνδεσης που έχει πρόσβαση στο MAC μέσω ενός υποεπιπέδου σύγκλησης. Το πως αυτά θα υλοποιηθούν μπορεί να διαφέρει

9 Σχήμα 1. Αρχιτεκτονική πρωτοκόλλου IEEE Το φυσικό επίπεδο (PHY) τελικά παρέχει την υπηρεσία αποστολής δεδομένων, καθώς και την διεπαφή στην οντότητα ελέγχου του φυσικού επιπέδου (physical layer management entity), που παρέχει πρόσβαση σε κάθε λειτουργία ελέγχου του επιπέδου και διατηρεί βάση δεδομένων με πληροφορίες για σχετιζόμενα PANs. Έτσι, το PHY ελέγχει τον φυσικό RF πομποδέκτη και κάνει την επιλογή καναλιού και λειτουργίες διαχείρισης ενέργειας και σήματος. Λειτουργεί σε μια από τις τρεις μπάντες ελεύθερες συχνοτήτων MHz: Για την Ευρώπη, επιτρέπει ένα κανάλι επικοινωνίας (2003, 2006) MHz: Για την Βόρεια Αμερική, μέχρι δέκα κανάλια (2003), επεκτάθηκε στα 30 (2006) MHz: Παγκόσμια χρήση, έως 16 κανάλια (2003, 2006). Η αρχική έκδοση 2003 του πρότυπου ορίζει δύο φυσικά επίπεδα βασισμένα στην τεχνική διαμόρφωσης διεύρυνση φάσματος απευθείας ακολουθίας - direct sequence spread spectrum (DSSS): ένα που δουλεύει στις συχνότητες 868/915 MHz και ταχύτητα μεταφοράς 20 και 40 kbit/s, και ένα στην μπάντα των 2450 MHz με ρυθμό μεταφοράς 250 kbit/s. Αυτό είναι και το πρωτόκολλο στο οποίο βασίζεται το ZigBee. Η νέα έκδοση του 2006 βελτιώνει τον μέγιστο ρυθμό δεδομένων της μπάντας των 868/915 MHz, και πλέον υποστηρίζει 100 και 250 kbit/s. Επιπλέον, ορίζει τέσσερα φυσικά επίπεδα ανάλογα τη μέθοδο διαμόρφωσης που χρησιμοποιείται. Τα τρία χρησιμοποιούν και πάλι την DSSS ενώ για την μπάντα των 868/915 MHz μπορεί πλέον να χρησιμοποιηθεί και ένας συνδυασμός binary keying και amplitude shift keying (δηλαδή παράλληλης και όχι απευθείας ακολουθίας διεύρυνση φάσματος, PSSS). Επιπλέον υπάρχουν σκέψεις για χρήση ελεύθερων συχνοτήτων σε χώρες όπως η Ιαπωνία και η Κίνα σε μελλοντική έκδοση. Ο έλεγχος πρόσβασης μέσου (MAC) επιτρέπει την εκπομπή πλαισίων με την χρήση του φυσικού καναλιού. Εκτός από την υπηρεσία δεδομένων, προσφέρει μια διεπαφή και ελέγχει την πρόσβαση στο φυσικό κανάλι και την εκπομπή ραδιοφάρων. Επίσης ελέγχει την ορθότητα των πλαισίων, εγγυάται τις χρονοθυρίδες και ελέγχει την σύνδεση των συσκευών. Έχει τέλος δυνατότητα για χρήση υπηρεσιών ασφαλείας

10 2.3 ΜΟΝΤΕΛΟ ΔΙΚΤΥΟΥ Το πρότυπο ορίζει δύο τύπους συσκευών δικτύου. Ο πρώτος είναι η πλήρους λειτουργιών συσκευή full-function device (FFD).Μπορεί να λειτουργήσει ως ο συντονιστής σε ένα δίκτυο αλλά και σαν μια απλή συσκευή. Παρέχει ένα γενικό μοντέλο επικοινωνίας ώστε να μπορεί να επικοινωνήσει με όλες τις άλλες συσκευές. Μπορεί επίσης να αναμεταδώσει μηνύματα. Ο δεύτερος τύπος είναι οι συσκευές περιορισμένων λειτουργιών reducedfunction devices (RFD). Αυτές είναι πολύ απλές συσκευές με πολύ μικρές απαιτήσεις πόρων και επικοινωνίας, και εξαιτίας αυτού μπορούν να επικοινωνήσουν μόνο με FFD και δεν μπορούν να λειτουργήσουν σαν συντονιστές. Τα δίκτυα μπορούν να φτιαχτούν είτε σαν δίκτυα αστέρα ή ίσου-προς-ίσου (peer-to-peer). Και στις δύο περιπτώσεις χρειάζεται τουλάχιστον ένα FFD για να λειτουργεί ως ο συντονιστής του δικτύου. Κάθε συσκευή έχει μια μοναδική 64bit διεύθυνση, και υπό συνθήκες μια 16bit μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε ελεγχόμενο περιβάλλον. Σε ένα PAN οι επικοινωνίες θα γίνονται με την χρήση των 16bit διευθύνσεων. Σχήμα 2. IEEE Μοντέλα Δικτύου Σχήμα 3. Δίκτυο δέντρου συμπλεγμάτων

11 Τα δίκτυα ίσου-προς-ίσο μπορούν να δημιουργήσουν αυθαίρετες τοπολογίες συνδέσεων, και το βεληνεκές τους περιορίζεται μόνο από την απόσταση μεταξύ των κόμβων. 2.4 ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗ ΚΑΙ ΜΟΡΦΗ ΜΗΝΥΜΑΤΩΝ Τα πλαίσια (frames) είναι η βασική μονάδα μεταφοράς δεδομένων, από τα οποία υπάρχουν τέσσερις βασικοί τύποι (δεδομένων, επιβεβαίωσης, ραδιοφάρου, και εντολής MAC), τα οποία παρέχουν μια καλή αναλογία μεταξύ απλότητας και δυνατοτήτων. Επιπλέον, μια δομή υπερπλαισίου, που ορίζεται από τον συντονιστή, μπορεί να χρησιμοποιηθεί. Σε αυτή την περίπτωση δύο ραδιοφάροι λειτουργούν ως τα όρια του και παρέχουν συγχρονισμό σε άλλες συσκευές καθώς και πληροφορίες για ρύθμιση. Η γενική μορφή των πλαισίων φαίνεται στα σχήματα 4 έως 7 Σχήμα 4. Πλαίσιο δεδομένων και το πακέτο από το επίπεδο PHY Σχήμα 5. Πλαίσιο ραδιοφάρου και το πακέτο από το επίπεδο PHY

12 Σχήμα 6. Πλαίσιο εντολής MAC και το πακέτο από το επίπεδο PHY Σχήμα 7. Πλαίσιο επιβεβαίωσης και το πακέτο από το επίπεδο PHY Από το PHY επίπεδο προστίθεται πάντα το SHR (synchronization header επικεφαλίδα συγχρονισμού) που χρησιμοποιείται για τον συγχρονισμού των συμβόλων από τον δέκτη. Το μήκος του είναι μεταβλητό και εξαρτάται από τον πομποδέκτη. Επιπλέον προστίθεται το PHR (PHY header - επικεφαλίδα PHY) που δίνει το μήκος σε octets του PHY φορτίου (payload). Στο PHY μοντέλο που χρησιμοποιήθηκε στην διπλωματική εργασία επιλέχθηκε πομποδέκτης που λειτουργεί στη μπάντα συχνοτήτων των 2.4GHz με τεχνική διαμόρφωσης την διεύρυνση φάσματος απευθείας ακολουθίας DSSS. Ένα ημιτονικό σήμα διαμορφώνεται κατά φάση από μια συνεχή ακολουθία συμβόλων κώδικα ψευδοθορύβου που ονομάζονται chips, το καθένα από τα οποία έχει πολλή μικρότερη διάρκεια από ένα bit πληροφορίας. Έτσι κάθε bit πληροφορίας διαμορφώνεται από μια ακολουθία πολύ γρηγορότερων chip. Έτσι λοιπόν, ο ρυθμός chip είναι πολύ μεγαλύτερος από τον ρυθμό των bit. Η ακολουθία των συμβόλων του ψευδοθορύβου είναι γνωστή και από δέκτη και χρησιμοποιείται για την αποδιαμόρφωση του σήματος. Πλεονεκτήματα της DSSS Αντοχή σε σκόπιμες ή τυχαίες παρεμβολές Χρήση ίδιου καναλιού από πολλαπλούς χρήστες Εμποδίζει τον εντοπισμό του σήματος Υπολογισμός της σχετικής καθυστέρησης μεταξύ αποστολέα-λήπτη

13 Σχήμα 8. Το φάσμα σήματος με διαμόρφωση DSSS 2.5 ΑΞΙΟΠΙΣΤΙΑ ΚΑΙ ΚΡΥΠΤΟΓΡΑΦΗΣΗ Η πρόσβαση στο φυσικό μέσο γίνεται μέσω του πρωτοκόλλου CSMA/CA (Carrier sense multiple access with collision avoidance ) πολλαπλή πρόσβαση ανίχνευσης φέρουσας με αποφυγή συγκρούσεων. Τα δίκτυα που δεν χρησιμοποιούν μηχανισμούς ραδιοφάρου κάνουν χρήση μια παραλλαγή χωρίς θυρίδες που βασίζεται στην παρακολούθηση του μέσου, βελτιωμένου με την χρήση ενός αλγορίθμου random exponential backoff. Τα μηνύματα επιβεβαίωσης είναι προαιρετικά σε συγκεκριμένες περιπτώσεις στις οποίες θεωρείται ότι έχει γίνει σωστά η λήψη. Εάν μια συσκευή δεν μπορεί να επεξεργαστεί ένα πλαίσιο σε μια χρονική στιγμή, δεν επιβεβαιώνει την λήψη του και μια επανεκπομπή λόγω λήξης του χρόνου μπορεί να συμβεί μέχρι κάποιο αριθμό. Όσον αφορά τις ασφαλείς επικοινωνίες, το MAC υποεπίπεδο παρέχει υπηρεσίες που μπορούν να χρησιμοποιηθούν από τα ανώτερα επίπεδα για να επιτευχθεί το επιθυμητό επίπεδο ασφάλειας. Έτσι μπορεί από το ανώτερο επίπεδο να οριστούν να κλειδιά για την υλοποίηση συμμετρικής κρυπτογραφίας για την προστασία του πακέτου των δεδομένων και την λήψη του μόνο από συγκεκριμένες συσκευές. Ο τύπος της κρυπτογραφίας που χρησιμοποιείται ονομάζεται συμμετρικός επειδή χρησιμοποιείται το ίδιο κλειδί για την κρυπτογράφηση και για την αποκρυπτογράφηση

14 3. ΓΕΝΙΚΗ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΟΥ ZIGBEE Η ZigBee Alliance, μια κοινή ομάδα πολλών μεγάλων εταιριών ανέπτυξε το πρωτόκολλο ZigBee ως ένα πρότυπο πολύ χαμηλού κόστους, πολύ χαμηλής κατανάλωσης, αμφίδρομο, ασύρματης επικοινωνίας. Σημαντικότερες χρήσεις του θα είναι σε ηλεκτρικές και ηλεκτρονικές συσκευές, αυτοματισμούς, εργοστασιακό έλεγχο, περιφερειακά υπολογιστών, εφαρμογές ιατρικών αισθητήρων, παιχνίδια κ.α. 3.1 ΙΣΤΟΡΙΑ ΤΟΥ ZigBee Δίκτυα παρόμοιας μορφής με το ZigBee ξεκίνησαν να προτείνονται από το 1998, όταν έγινε αντιληπτό ότι το WiFi και το Bluetooth δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε αρκετές εφαρμογές. Υπήρχε η ανάγκη για αυτοοργανωτικό επί τούτω (ad-hoc) ασύρματο δίκτυο. Το IEEE πρότυπο ολοκληρώθηκε τον Μάιο του Οι ZigBee προδιαγραφές επικυρώθηκαν στις 14 Δεκεμβρίου Η διαθεσιμότητα του πρωτοκόλλου 1.0 στο κοινό έγινε στις 13 Ιουνίου 2005 με την ονομασία, Προδιαγραφή ZigBee Η ZigBee Alliance ανακοίνωσε ότι τον Οκτώβριο του 2004 τα μέλη της είχαν διπλασιαστεί με πάνω από 100 εταιρίες σε 22 χώρες. Τον Απρίλιο του 2005 είχε 150 μέλη και τον Δεκέμβριο 200. Τον Οκτώβριο του 2006 ανακοινώθηκε και δόθηκε το βελτιωμένο πρότυπο με την ονομασία, Προδιαγραφή ZigBee Στις 19 Οκτωβρίου του 2007, ολοκληρώθηκαν οι βελτιωμένες προδιαγραφές του ZigBee με όνομα Προδιαγραφή ZigBee 2006 και ZigBee PRO. Στον πίνακα 1 φαίνεται όλες οι εκδόσεις του πρωτοκόλλου μέχρι και το Αριθμός Έκδοσης Ημερομηνία Σχόλια Επικύρωση του προτύπου ZigBee v.1.0 r Διορθώσεις και νέες διευκρινίσεις στο ZigBee v.1.0 r Αλλαγές στα σχόλια του ZigBee v.1.0 r Προδιαγραφές του ZigBee-2006 r Προδιαγραφές του ZigBee-2007 r Διορθώσεις και διευκρινίσεις στο ZigBee r Διορθώσεις και διευκρινίσεις στο ZigBee r Διορθώσεις στο ZigBee-2007 Πίνακας 1. Οι εκδόσεις του πρωτοκόλλου

15 3.2 ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΤΩΝ ZIGBEE 2004, 2006, 2007, PRO Στον πίνακα που ακολουθεί φαίνονται οι δυνατότητες και υπηρεσίες που προσφέρονται από την κάθε έκδοση ZigBee PRO Αποφυγή Παρεμβολών Ο συντονιστής επιλέγει το καλύτερο κανάλι RF στην εκκίνηση του δικτύου Υποστήριξη για συνεχή έλεγχο των παρεμβολών σε κατάσταση λειτουργίας και αλλαγή καναλιού αν είναι απαραίτητο. Αυτοματοποιημένη/Κατανεμημένη διαχείριση διευθυνσιοδότησης Οι διευθύνσεις των συσκευών αναθέτονται αυτόματα με ιεραρχικό τρόπο κατανομής. Οι διευθύνσεις των συσκευών αναθέτονται αυτόματα με στοχαστικό τρόπο κατανομής. Διευθυνσιοδότηση ομάδας Οι συσκευές μπορούν να εισέλθουν σε ομάδες, και χρειάζεται μια μόνο αποστολή προς ολόκληρη την ομάδα, μειώνοντας έτσι την συνολική κίνηση των πακέτων στο δίκτυο. Κεντρική λήψη δεδομένων Η λήψη δεδομένων με μικρή επικεφαλίδα από τον συντονιστή υποστηρίζεται ρητά. Η λήψη δεδομένων με μικρή επικεφαλίδα από άλλες συσκευές υποστηρίζεται κάτω από ειδικές περιπτώσεις (π.χ. δρομολόγηση δέντρου) Η δρομολόγηση από πολλούς προς έναν επιτρέπει ολόκληρο το δίκτυο να εντοπίζει τον παραλήπτη με ένα μόνο πέρασμα. Η πηγαία δρομολόγηση επιτρέπει στον παραλήπτη να απαντά σε όλους τους αποστολείς με έναν οικονομικό τρόπο. Ασφάλεια 128-bit AES κωδικοποίηση με 32-bit Κώδικα Ακεραιότητας Μηνυμάτων (Message Integrity Code (MIC)) και μετρητές πλαισίων για την εγγυημένη λήψη των πρόσφατων μηνυμάτων. Η ασφάλεια εφαρμόζεται στο επίπεδο NWK, με εναλλαγή των κλειδιών για την αποφυγή της εύρεσης του κλειδιού. Υποστήριξη ασφάλειας στο υψηλότερο επίπεδο. Εφαρμογή κέντρου εμπιστοσύνης, που λειτουργεί στον συντονιστή, διευθύνει την ασφάλεια εκ μέρους των συσκευών του δικτύου και ενεργεί σαν την κεντρική εξουσία στο ποια συσκευή μπορεί να συνδεθεί στο δίκτυο

16 Το κέντρο εμπιστοσύνης μπορεί να τρέξει σε κάθε συσκευή. Υπάρχει επιλογή "Υψηλής Ασφάλειας", που μπορεί να επιλεγεί από την πολιτική του κέντρου εμπιστοσύνης, και απαιτεί κλειδιά συνδέσεως από το επίπεδο της εφαρμογής, πιστοποίηση ισότιμης οντότητας, και δημιουργία κλειδιών ίσου-προς-ίσο με την χρήση των Κύριων Κλειδιών. Επεκτασιμότητα του δικτύου Το δίκτυο μπορεί να αυξηθεί μέχρι το όριο που βάζει ο αλγόριθμος παροχής διευθύνσεων, Τυπικά, υποστηρίζονται δίκτυα με δεκάδες έως εκατοντάδες συσκευές. Αλγόριθμος διευθυνσιοδότησης που χαλαρώνει τα όρια στο μέγεθος του δικτύου. Υποστηρίζονται δίκτυα με εκατοντάδες έως χιλιάδες συσκευές. Μέγεθος μηνύματος < 100 bytes. Το ακριβές μέγεθος εξαρτάται από τις υπηρεσίες που χρησιμοποιούνται, όπως είναι η ασφάλεια. Μεγάλα μηνύματα, μέχρι το μέγεθος της ενδιάμεσης μνήμης των συσκευών αποστολής και λήψης, που υποστηρίζονται με την χρήση του τεμαχισμού και της επανασυναρμολόγησης. Τυποποιημένη έναρξη Τυποποιημένη διαδικασία εκκίνησης και χαρακτηριστικών, υποστηρίζουν την χρήση εργαλείων εντολών σε περιβάλλοντα πολλών κατασκευαστών. Ισχυρό δίκτυο πλέγματος Αλγόριθμοι δρομολόγησης με ανοχή σε σφάλματα αντιδρούν σε αλλαγές στο δίκτυο και στο RF περιβάλλον. Κάθε συσκευή κρατά τα στοιχεία της γειτονιάς της, και έτσι βελτιώνει την αξιοπιστία. Υποστήριξη της βιβλιοθήκης των συστάδων Η βιβλιοθήκη των συστάδων ZigBee, ως συμπλήρωμα στη στοίβα, τυποποιεί την συμπεριφορά των εφαρμογών σε διαφορετικά προφίλ και παρέχει ανεκτίμητους πόρους στους δημιουργούς προφίλ. Πίνακας 2. Σύγκριση των ZigBee 2004, 2006, 2007, PRO

17 3.3 ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΤΗΣ ΣΤΟΙΒΑΣ Η αρχιτεκτονική της στοίβας του ZigBee αποτελείται από ένα αριθμό κομματιών που ονομάζονται επίπεδα (layers). Κάθε επίπεδο εκτελεί ένα συγκεκριμένο αριθμό υπηρεσιών για το επίπεδο που βρίσκεται πάνω από αυτό. Μια μονάδα δεδομένων παρέχει μια υπηρεσία εκπομπής δεδομένων και μια μονάδα διαχείρισης παρέχει όλες τις άλλες υπηρεσίες. Κάθε μονάδα υπηρεσίας έχει μια διασύνδεση με το επάνω επίπεδο που λέγεται σημείο πρόσβασης υπηρεσίας (service access point - SAP), και κάθε SAP υποστηρίζει έναν αριθμό από στοιχειώδεις υπηρεσίες για να επιτύχει την απαιτούμενη λειτουργικότητα. Το πρότυπο IEEE ορίζει τα δύο χαμηλότερα επίπεδα: το φυσικό (PHYsical) επίπεδο και το επίπεδο MAC ελέγχου πρόσβασης στο μέσο (medium access control). Επάνω σε αυτά στηρίζεται το ZigBee και παρέχει επιπλέον το επίπεδο δικτύου Network Layer (NWK) και το πλαίσιο για το επίπεδο των εφαρμογών. Το πλαίσιο για το επίπεδο των εφαρμογών αποτελείται από το υποεπίπεδο υποστήριξης των εφαρμογών (application support sub-layer APS) και τα αντικείμενα της συσκευής ZigBee (ZigBee device objects ZDO). Οι εφαρμογές του χρήστη χρησιμοποιούν το πλαίσιο εργασίας και μοιράζονται τις υπηρεσίες APS και ασφάλειας με τις ZDO. Το IEEE έχει δύο επίπεδα PHY που λειτουργούν σε δύο διαφορετικές μπάντες συχνοτήτων. 868/915MHz και 2.4GHz. Η μπάντα των 2.4GHz χρησιμοποιείται σχεδόν παντού ελεύθερα ενώ η χαμηλότερη μόνο στην Ευρώπη, την Αμερική και την Αυστραλία. Το MAC υποεπίπεδο ελέγχει την πρόσβαση στο κανάλι εκπομπής με την χρήση του CSMA-CA μηχανισμού. Επιπλέον είναι υπεύθυνο για την εκπομπή σημάτων συγχρονισμού και για την αξιόπιστη αποστολή δεδομένων. Η πλήρης περιγραφή των PHY και MAC μπορούν να βρεθούν στο [B3]. Σχήμα 9. Γενικό σχήμα της αρχιτεκτονικής της στοίβας του ZigBee

18 3.4 ΤΥΠΟΙ ΣΥΣΚΕΥΩΝ Το IEEE ορίζει δύο τύπους συσκευών. Αυτές φαίνονται στον πίνακα 3. Στον πίνακα 4 υπάρχουν οι τρεις τύποι συσκευών του πρωτοκόλλου ZigBee όπως αυτές σχετίζονται με τις συσκευές της IEEE. ΤΥΠΟΣ ΣΥΣΚΕΥΗΣ Συσκευή Πλήρους Λειτουργίας (Full Function Device FFD) Συσκευή Μειωμένων Λειτουργιών (Reduced Function Device RFD) ΠΡΟΣΦΕΡΟΜΕΝΕΣ ΥΠΗΡΕΣΙΕΣ Οι περισσότερες ή και όλες ΤΡΟΠΟΣ ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑΣ Κεντρική ΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΔΕΚΤΗ Ανοιχτός στην κατάσταση αναμονής Περιορισμένες Συνήθως μπαταρία Κλειστός στην κατάσταση αναμονής Πίνακας 3: Τύποι συσκευών IEEE ΤΥΠΟΣ ΣΥΣΚΕΥΗΣ ZIGBEE ΤΥΠΟΣ ΣΥΣΚΕΥΗΣ IEEE ΤΥΠΙΚΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ Συντονιστής (Coordinator) FFD Ένας σε κάθε δίκτυο. Δημιουργεί το δίκτυο, δίνει τις διευθύνσεις δικτύου, και κρατάει τον πίνακα των δεσμών (binding table). Δρομολογητής (Router) FFD Προαιρετικό. Επεκτείνει το βεληνεκές του δικτύου. Επιτρέπει περισσότερες κόμβους(nodes) να συνδεθούν. Μπορεί επιπλέον να παρακολουθεί και να κάνει λειτουργίες ελέγχου. Τελική Συσκευή (End) FFD ή RFD Μπορεί να παρακολουθεί και να κάνει λειτουργίες ελέγχου. Πίνακας 4: Συσκευές του πρωτοκόλλου ZigBee 3.5 ΤΟΠΟΛΟΓΙΕΣ ΔΙΚΤΥΟΥ ZIGBEE Ένα ασύρματο δίκτυο ZigBee μπορεί να έχει διάφορες τοπολογίες. Σε όλες ωστόσο, υπάρχουν τουλάχιστον δύο βασικές συσκευές. Συντονιστής Τελικές συσκευές Ο συντονιστής του πρωτοκόλλου ZigBee είναι μια ειδική παραλλαγή μιας συσκευής πλήρους λειτουργίας (FFD) που παρέχει μια μεγάλη ομάδα υπηρεσιών του πρωτοκόλλου ZigBee

19 Η τελική συσκευή (End device) μπορεί να είναι μιας συσκευής πλήρους λειτουργίας (FFD) ή Συσκευή Μειωμένων Λειτουργιών (RFD). Η RFD είναι η μικρότερη και πιο απλή ZigBee συσκευή. Παρέχει μόνο κάποιες ελάχιστες υπηρεσίες του πρωτοκόλλου ZigBee. Ο τρίτος τύπος συσκευής που δεν είναι απαραίτητος, είναι ο router και υπάρχει σε ορισμένες τοπολογίες δικτύων. ΤΟΠΟΛΟΓΙΑ ΔΙΚΤΥΟΥ ΤΥΠΟΥ ΑΣΤΕΡΑ Η τοπολογία αστέρα περιλαμβάνει ένα συντονιστή (Coordinator) και μια ή περισσότερες τελικές συσκευές. Στην τοπολογία αστέρα, όλες οι τελικές συσκευές επικοινωνούν μόνο με τον συντονιστή. Αν κάποια τελική συσκευή χρειαστεί να μεταφέρει δεδομένα σε μια άλλη τελική συσκευή, στέλνει τα δεδομένα στον συντονιστή. Αυτός στην συνέχεια, τα προωθεί στον τελικό αποδέκτη. Η τοπολογία φαίνεται στο σχήμα 10. Σχήμα 10. Τοπολογία αστέρα ΤΟΠΟΛΟΓΙΑ ΔΙΚΤΥΟΥ ΤΥΠΟΥ ΣΥΜΠΛΕΓΜΑΤΟΣ ΔΕΝΤΡΟΥ (CLUSTER TREE) Μια άλλη τοπολογία δικτύου είναι αυτή του δέντρου συμπλεγμάτων (Cluster Tree).Σε αυτή την τοπολογία, οι τελικές συσκευές μπορούν να συνδεθούν είτε στον συντονιστή του δικτύου είτε σε κάποιο δρομολογητή. Οι δρομολογητές επιτελούν δύο λειτουργίες. Μια είναι η αύξηση του μέγιστου αριθμού των συσκευών που μπορούν να υπάρχουν στο δίκτυο. Η άλλη είναι η αύξηση της φυσικής εμβέλειας του δικτύου. Με την προσθήκη ενός δρομολογητή, η τελική συσκευή δεν χρειάζεται να βρίσκεται εντός της εμβέλειας του συντονιστή. Όλα τα μηνύματα σε αυτή την τοπολογία κινούνται με την ιεραρχία δέντρου. Η τοπολογία αυτή φαίνεται στο σχήμα 11. Σχήμα 11. Τοπολογία συμπλέγματος δέντρου

20 ΤΟΠΟΛΟΓΙΑ ΔΙΚΤΥΟΥ ΤΥΠΟΥ ΠΛΕΓΜΑΤΟΣ Ένα δίκτυο πλέγματος (mesh) είναι παρόμοιο με αυτό του τύπου συμπλέγματος δέντρου, με την διαφορά ότι τα FFD μπορούν να μεταβιβάσουν τα μηνύματα απευθείας σε άλλα FFD χωρίς να ακολουθηθεί η ιεραρχία δέντρου. Ωστόσο τα μηνύματα προς τα RFD πρέπει και πάλι να περάσουν από τον γονιό. Τα πλεονεκτήματα αυτής της τοπολογίας είναι ότι μικραίνει η καθυστέρηση στην μεταβίβαση των μηνυμάτων και υπάρχει μεγαλύτερη αξιοπιστία. Η τοπολογία αυτή φαίνεται στο σχήμα 12. Σχήμα 12. Τοπολογία τύπου πλέγματος Οι τοπολογίες συμπλέγματος δέντρου και πλέγματος, είναι επίσης γνωστές ως δίκτυα πολλαπλών αλμάτων (multi-hop networks), εξαιτίας της ικανότητάς τους να δρομολογούν πακέτα μέσω πολλαπλών συσκευών, ενώ η τοπολογία αστέρα είναι δίκτυο ενός άλματος (single-hop network). 3.6 ΤΡΟΠΟΙ ΠΡΟΣΒΑΣΗΣ ΣΤΟ ΚΑΝΑΛΙ Το δίκτυο ZigBee είναι ένα δίκτυο πολλαπλής πρόσβασης, δηλαδή όλες οι συσκευές έχουν ισότιμη πρόσβαση στο μέσω επικοινωνίας. Υπάρχουν δύο τύποι μηχανισμών πολλαπλής πρόσβασης, με χρήση ραδιοφάρων και χωρίς (beacon, non beacon). Σε ένα δίκτυο χωρίς ραδιοφάρους, όλες οι συσκευές επιτρέπεται να εκπέμψουν οποιαδήποτε χρονική στιγμή εφόσον το κανάλι είναι ελεύθερο. Στα δίκτυα με ραδιοφάρους οι συσκευές επιτρέπεται να εκπέμψουν μόνο σε προκαθορισμένα χρονικά παράθυρα. Ο συντονιστής περιοδικά ξεκινά με ένα υπερπλαίσιο που είναι ένα πλαίσιο ραδιοφάρου, και όλοι οι κόμβοι πρέπει να συγχρονιστούν σε αυτό το υπερπλαίσιο. Κάθε κόμβος έχει μια συγκεκριμένη θυρίδα στο υπερπλαίσιο στην οποία επιτρέπεται να στέλνει και να λαμβάνει τα δεδομένα του. Ένα υπερπλαίσιο μπορεί να περιλαμβάνει μια κοινή χρονοθυρίδα στην οποία όλοι οι κόμβοι μπορούν να προσπαθήσουν να εκπέμψουν

21 4 ΤΑ ΕΠΙΠΕΔΑ ΤΟΥ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΟΥ ZIGBEE Όπως φαίνεται και από το σχήμα 9 τα δύο βασικά επίπεδα του πρωτοκόλλου ZigBee είναι το επίπεδο εφαρμογών APL και το επίπεδο δικτύου NWK. Αυτά περιγράφονται καλύτερα στην συνέχεια αυτού του κεφαλαίου. 4.1 ΕΠΙΠΕΔΟ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ - APL Το επίπεδο εφαρμογών APL αποτελείται από το APS υποεπίπεδο, τα ZDO, (που περιλαμβάνουν το επίπεδο διαχείρισης ZDO), και ορισμένα από τον χρήστηκατασκευαστή αντικείμενα εφαρμογής ΥΠΟΕΠΙΠΕΔΟ ΥΠΟΣΤΗΡΙΞΗΣ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ - APS Το υποεπίπεδο υποστήριξης των εφαρμογών (APS) παρέχει μια διεπαφή μεταξύ του επιπέδου δικτύου (NWK) και του επιπέδου εφαρμογών APL μέσω ενός αριθμού υπηρεσιών που χρησιμοποιούνται και από τα ZDO και από τα αντικείμενα εφαρμογών του σχεδιαστή. Οι υπηρεσίες παρέχονται από δύο οντότητες: Την APS οντότητα δεδομένων (APSDE) μέσω του σημείου πρόσβασης υπηρεσιών APSDE (APSDE-SAP). Την APS οντότητα διαχείρισης (APSME) μέσω του σημείου πρόσβασης υπηρεσιών APSΜE (APSΜE-SAP). Η APSDE παρέχει την υπηρεσία εκπομπής δεδομένων μεταξύ δύο ή περισσοτέρων οντοτήτων εφαρμογών που βρίσκονται στο ίδιο δίκτυο. Η APSME παρέχει μια ποικιλία υπηρεσιών στα αντικείμενα των εφαρμογών συμπεριλαμβανομένου των υπηρεσιών ασφαλείας και την διάδεση των συσκευών. Επιπλέον διατηρεί βάση δεδομένων με τα αντικείμενα που διαχειρίζεται, γνωστή ως η βάση πληροφοριών APS (AIB) APS ΟΝΤΟΤΗΤΑ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ (APSDE) Η APSDE παρέχει την υπηρεσία δεδομένων στο επίπεδο δικτύου και στα ZDO και τα αντικείμενα των εφαρμογών για να γίνεται η μεταφορά των PDU (protocol data unit μονάδα δεδομένων του πρωτοκόλλου) μεταξύ δύο ή περισσοτέρων συσκευών. Οι συσκευές πρέπει να βρίσκονται στο ίδιο δίκτυο. Η APSDE παρέχει τις ακόλουθες υπηρεσίες: Δημιουργία του PDU επιπέδου εφαρμογής (APDU): η APSDE παίρνει τα PDU των εφαρμογών και δημιουργεί το APDU προσθέτοντας το κατάλληλο επίβαρο σύμφωνα με το πρωτόκολλο. Διάδεση: Όταν δύο συσκευές έχουν διαδεθεί, η APSDE μπορεί να μεταφέρει ένα μήνυμα από την μια συσκευή στην άλλη. Φιλτράρισμα διευθύνσεων ομάδας: παρέχει την ικανότητα να φιλτράρεται τα μηνύματα προς ομάδες ανάλογα με τα ακροσημεία που προορίζονται. Αξιόπιστη μεταφορά: βελτιώνει την αξιοπιστία των συναλλαγών χρησιμοποιώντας πολλές προσπάθειες Απόρριψη αντίγραφων: τα ίδια μηνύματα δεν λαμβάνονται πάνω από μια φορά. Τεμαχισμός: επιτρέπει τον χωρισμό και την επανένωση μηνυμάτων μεγαλύτερα από ένα πλαίσιο επιπέδου NWK

22 APS ΟΝΤΟΤΗΤΑ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗΣ (APSME) Η APSME παρέχει μια υπηρεσία διαχείρισης για να επιτρέπει στην εφαρμογή να αλληλεπιδρά με τη στοίβα. Η APSME παρέχει την ικανότητα να ταιριάξει δύο συσκευές ανάλογα με τις υπηρεσίες τους και τις ανάγκες τους. Αυτή η υπηρεσία ονομάζεται υπηρεσία διάδεσης, και η APSME μπορεί να φτιάξει και να διατηρήσει ένα πίνακα για να αποθηκεύει αυτές τις πληροφορίες. Επιπλέον η APSME παρέχει αυτές τις υπηρεσίες: Διαχείριση διαδέσεων: η δυνατότητα να ταιριάξουν δύο συσκευές ανάλογα με τις υπηρεσίες και τις ανάγκες τους. Διαχείριση του AIB: η δυνατότητα να παίρνει και να θέτει τις τιμές στην AIB. Ασφάλεια: δυνατότητα να δημιουργηθούν σχέσεις με άλλες συσκευές με την χρήση ασφαλών κλειδιών. Διαχείριση ομάδων: παρέχει την ικανότητα, να ανατεθεί μια διεύθυνση δικτύου σε πολλές συσκευές, να προσθέτει συσκευές στην ομάδα ή και να τις αφαιρεί ΠΛΑΙΣΙΟ ΕΡΓΑΣΙΑΣ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ APPLICATION FRAMEWORK Το πλαίσιο εργασίας εφαρμογών (application framework) στο ZigBee είναι το περιβάλλον στο οποίο βρίσκονται τα αντικείμενα εφαρμογών στις συσκευές ZigBee. Μέχρι 240 διαφορετικές εφαρμογές μπορούν να οριστούν, κάθε μια από τις οποίες ορίζεται από μια διεύθυνση ακροσημείου από το 1 έως το 240. Δύο επιπλέον ακροσημεία ορίζονται για την χρήση από τα APSDE-SAP: το ακροσημείο 0 είναι κρατημένο για την διεπαφή με τα ZDO, και το ακροσημείο 255 είναι κρατημένο για την εκπομπή δεδομένων προς όλες τα αντικείμενα εφαρμογών. Τα ακροσημεία 241 έως 254 είναι κρατημένα για μελλοντική χρήση σε άλλη έκδοση του πρωτοκόλλου ΠΡΟΦΙΛ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ APPLICATION PROFILES Τα προφίλ των εφαρμογών είναι μια συμφωνία για μηνύματα, την μορφή των μηνυμάτων, και τις ενέργειες στην επεξεργασία που επιτρέπει στους δημιουργούς να κατασκευάζουν διαλειτουργικές εφαρμογές. Αυτά τα προφίλ των εφαρμογών επιτρέπουν στις εφαρμογές να στέλνουν εντολές, να ζητούν δεδομένα, και να επεξεργάζονται εντολές και αιτήματα ΣΥΣΤΑΔΕΣ - CLUSTERS Οι συστάδες ορίζονται από ένα περιγραφέα συστάδας, που σχετίζεται με δεδομένα με ροή από ή προς την συσκευή. Οι περιγραφείς συστάδων είναι μοναδικοί μέσα στο αντικείμενο ενός συγκεκριμένου προφίλ εφαρμογής

23 4.1.3 ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑ ΠΡΟΦΙΛ ZIGBEE Το κλειδί για την επικοινωνία μεταξύ συσκευών σε ένα ZigBee δίκτυο είναι η συμφωνία για ένα κοινό προφίλ. Ένα τέτοιο παράδειγμα είναι ο σπιτικός αυτοματισμός. Το προφίλ επιτρέπει σε μια σειρά συσκευών να ανταλλάσουν μηνύματα ελέγχου για να δημιουργήσουν μια εφαρμογή ασύρματου οικιακού αυτοματισμού. Αυτές οι συσκευές είναι σχεδιασμένες για να ανταλλάσουν γνωστά μηνύματα που επηρεάζουν διακόπτες και στέλνουν μετρήσεις ή μηνύματα κινδύνου ΛΗΨΗ ΠΕΡΙΓΡΑΦΕΑ ΠΡΟΦΙΛ (PROFILE IDENTIFIER) Το ZigBee χωρίζει τα προφίλ σε δύο διαφορετικές κλάσεις: τα κοινά και τα ορισμένα από τον κατασκευαστή. Ο ακριβής ορισμός και τα κριτήρια για τον διαχωρισμό των δύο είναι θέμα διαχειριζόμενο από την ZigBee Alliance. Οι περιγραφείς των προφίλ πρέπει να είναι μοναδικοί. Έτσι κάθε καινούριο προφίλ απαιτεί αίτηση από την ZigBee Alliance για ένα νέο περιγραφέα προφίλ. Αυτός επιτρέπει στον σχεδιαστή να ορίσει τα ακόλουθα: Περιγραφές συσκευών (device descriptions) Περιγραφείς συστάδων (cluster identifiers) Το προφίλ θα πρέπει να καλύπτει μεγάλο φάσμα συσκευών και να επιτρέπει την διαλειτουργικότητα ΟΡΙΣΜΟΣ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗΣ ΣΥΣΚΕΥΗΣ ΚΑΙ ΣΥΣΤΑΔΑΣ Ο περιγραφέας προφίλ είναι το βασικό αριθμητικό γνώρισμα στο πρωτόκολλο ZigBee. Κάθε μοναδικό προφίλ ορίζει έναν αριθμό περιγραφών συσκευών και περιγραφέων συστάδας. Για κάθε περιγραφέα προφίλ υπάρχουν (2 bytes) πιθανές περιγραφές συσκευών και άλλοι τόσοι περιγραφείς συστάδων. Επιπλέον κάθε περιγραφέας συστάδας μπορεί να έχει έως ιδιοχαρακτηριστικά. Για κοινούς περιγραφείς προφίλ που έχουν οριστεί από την ZigBee Alliance, έχει δημιουργηθεί μια βιβλιοθήκη συστάδων που παρέχει τις πιο κοινές. Πριν σταλούν μηνύματα σε μια συσκευή, πρέπει να έχει γίνει αναγνώριση των υπηρεσιών της για να βρεθεί το προφίλ που χρησιμοποιεί ΤΟΠΟΘΕΤΗΣΗ ΤΩΝ ΠΡΟΦΙΛ ΣΤΑ ΑΚΡΟΣΗΜΕΙΑ Μια συσκευή ZigBee μπορεί να έχει υποστήριξη για πολλά προφίλ, να παρέχει υποσύνολα από διάφορους περιγραφείς συστάδων που να ορίζονται σε αυτά τα προφίλ, και μπορεί να υποστηρίζει πολλές περιγραφές συσκευών. Αυτή η δυνατότητα ορίζεται με την χρήση της ιεραρχίας διευθυνσιοδότησης μέσα στη συσκευή όπως φαίνεται στη συνέχεια: Συσκευή: ολόκληρη η συσκευή έχει ένα μόνο πομποδέκτη με μοναδική IEEE και NWK διεύθυνση. Ακροσημεία: είναι ένα πλαίσιο 8bit που περιγράφει διαφορετικές εφαρμογές που υποστηρίζονται από ένα πομποδέκτη. Το ακροσημείο 0 χρησιμοποιείται για την επικοινωνία με το προφίλ της συσκευής, που κάθε συσκευή πρέπει να έχει. Μπορούν να υπάρχουν μέχρι 240 εφαρμογές στα ακροσημεία 0x01 έως 0xf0. Πρέπει να υπάρχουν απλοί περιγραφείς για κάθε ακροσημείο που χρησιμοποιείται και πρέπει να είναι διαθέσιμοι στην εύρεση υπηρεσιών

24 ΕΝΕΡΓΟΠΟΙΗΣΗ ΕΥΡΕΣΗΣ ΣΥΣΚΕΥΩΝ Μόλις μια συσκευή φτιάχνεται με υποστήριξη για συγκεκριμένα προφίλ και είναι συνεπής με την χρήση των περιγραφέων συστάδων για τις περιγραφές των συσκευών σε αυτά τα προφίλ, τότε μπορούν να αναπτυχθούν οι εφαρμογές. Για να επιτευχθεί αυτό, κάθε εφαρμογή ανατίθεται σε ξεχωριστό ακροσημείο και περιγράφεται από δικό της απλό περιγραφέα (κάθε ακροσημείο μπορεί να υποστηρίζει μόνο ένα προφίλ εφαρμογών). Μέσω των απλών περιγραφέων και άλλων μηχανισμών εύρεσης υπηρεσιών που περιγράφονται στο προφίλ της συσκευής επιτυγχάνεται η εύρεση των υπηρεσιών, υποστηρίζεται η διάδεση των συσκευών, και γίνεται η ανταλλαγή μηνυμάτων μεταξύ συμπληρωματικών συσκευών. Ένα σημαντικό σημείο είναι ότι η εύρεση των υπηρεσιών γίνεται με βάση τον περιγραφέα του προφίλ, την λίστα των εισερχόμενων περιγραφέων συστάδων, και την λίστα των εξερχόμενων περιγραφέων συστάδων (λείπει η περιγραφή της συσκευής). Η περιγραφή της συσκευής είναι απλά μια σύμβαση για τον ορισμό των υποχρεωτικών και προαιρετικών περιγραφέων συστάδων που υποστηρίζονται στις συσκευές αυτού του τύπου για το συγκεκριμένο προφίλ ΠΕΡΙΓΡΑΦΕΙΣ ZIGBEE Οι συσκευές ZigBee περιγράφουν τον εαυτό τους με την χρήση των δομών δεδομένων περιγραφέων. Τα δεδομένα που περιλαμβάνονται σε αυτούς ορίζονται στον περιγραφέα της συσκευής. Υπάρχουν πέντε περιγραφείς: Κόμβου, ενέργειας κόμβου, απλός, σύνθετος, και χρήστη. Όνομα Περιγραφέα Απαραίτητος Περιγραφή Κόμβου Ναι Τύπος και δυνατότητες κόμβου Ενέργειας κόμβου Ναι Χαρακτηριστικά τροφοδοσίας κόμβου Απλός Ναι Περιγραφείς συσκευής που υπάρχουν στον κόμβο Σύνθετος Όχι Περισσότερες πληροφορίες για τους περιγραφείς συσκευής Χρήστη Όχι Περιγραφέας ορισμένος από τον χρήστη Πίνακας 5. Οι περιγραφείς ΠΕΡΙΓΡΑΦΕΑΣ ΚΟΜΒΟΥ (NODE DESCRIPTOR) Ο περιγραφέας κόμβου περιέχει πληροφορίες σχετικά με τις δυνατότητες του ZigBee κόμβου και είναι υποχρεωτικός για κάθε κόμβο. Πρέπει να υπάρχει μόνο ένα περιγραφέας κόμβου σε κάθε κόμβο. Όνομα πεδίου Μήκος (bits) Είδος συσκευής 3 Υπάρχει σύνθετος περιγραφέας 1 Υπάρχει περιγραφέας χρήστη 1 Δεσμευμένα 3 APS σημαίες 3 Μπάντα συχνοτήτων 5 Δυνατότητες MAC 8 Κώδικας κατασκευαστή 16 Μέγιστο μέγεθος ενδιάμεσης μνήμης

25 Μέγιστο μέγεθος εισερχόμενου 16 μηνύματος Μάσκα εξυπηρετητή 16 Μέγιστο μέγεθος εξερχόμενου 16 μηνύματος Πεδίο περιγραφέα ικανοτήτων 8 Πίνακας 6. Τα πεδία του περιγραφέα κόμβου. Το είδος συσκευής λέει αν η συσκευή είναι συντονιστής, δρομολογητής ή τελική συσκευή. Το πεδίο δυνατοτήτων MAC ορίζεται από το IEEE και φαίνεται στον πίνακα 7 Bits: Μπορεί να λειτουργήσει σαν εναλλακτικός συντονιστής Τύπος συσκευής Πηγή τροφοδοσίας Ο δέκτης ανοιχτός σε αναμονή Δεσμευμένα Πίνακας 7. Το πεδίο δυνατοτήτων MAC. Δυνατότητες ασφάλειας Μπορεί να δώσει διευθύνσεις Το πεδίο μάσκας εξυπηρετητή περιλαμβάνει πληροφορίες για την χρήση του κόμβου σαν κέντρο εμπιστοσύνης και σαν δευτερεύον ή πρωτεύον μνήμη των διαδέσεων ΠΕΡΙΓΡΑΦΕΑΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΚΟΜΒΟΥ (NODE POWER DESCRIPTOR) Ο περιγραφέας αυτός δίνει την δυναμική ένδειξη της κατάστασης τροφοδοσίας του κόμβου και είναι υποχρεωτικός και μοναδικός για κάθε κόμβο. Περιλαμβάνει τα εξής πεδία. Όνομα πεδίου Μήκος (bits) Ισχύουσα μέθοδος τροφοδοσίας 4 Διαθέσιμες πηγές τροφοδοσίας 4 Ισχύουσα πηγή τροφοδοσίας 4 Επίπεδο ισχύουσας πηγής τροφοδοσίας 4 Πίνακας 8. Τα πεδία του περιγραφέα ενέργειας κόμβου. Οι διαθέσιμες μέθοδοι τροφοδοσίας μπορεί να είναι: πάντα ανοικτός δέκτης, ο δέκτης ανοίγει περιοδικά, ο δέκτης ανοίγει μόνο από διεγέρσεις σε αυτόν(π.χ. πάτημα κουμπιού) ΑΠΛΟΣ ΠΕΡΙΓΡΑΦΕΑΣ (SIMPLE DESCRIPTOR) Περιλαμβάνει πληροφορίες για κάθε ακροσημείο στον κόμβο. Υπάρχει υποχρεωτικά ένας απλός περιγραφέας για κάθε ένα ακροσημείο που υπάρχει. Περιλαμβάνει τα εξής πεδία. Όνομα πεδίου Μήκος (bits) Ακροσημείο 8 Περιγραφέας προφίλ εφαρμογής 16 Περιγραφέας συσκευής εφαρμογής 16 Έκδοση συσκευής εφαρμογής

26 Δεσμευμένα 4 Αριθμός εισερχόμενων συστάδων της 8 εφαρμογής Λίστα εισερχόμενων συστάδων της 16* Αριθμό εισερχόμενων συστάδων της εφαρμογής εφαρμογής Αριθμός εξερχόμενων συστάδων της 8 εφαρμογής Λίστα εξερχόμενων συστάδων της 16* Αριθμό εξερχόμενων συστάδων της εφαρμογής εφαρμογής Πίνακας 9. Τα πεδία του απλού περιγραφέα ΣΥΝΘΕΤΟΣ ΠΕΡΙΓΡΑΦΕΑΣ (COMPLEX DESCRIPTOR) Ο σύνθετος περιγραφέας είναι προαιρετικός και περιέχει πληροφορίες για τον κατασκευαστή, το μοντέλο της συσκευής, διευθύνσεις διαδικτύου για πληροφορίες, και εικονίδιο σε οποιαδήποτε γλώσσα χρησιμοποιώντας τον ISO κώδικα για την γλώσσα ΠΕΡΙΓΡΑΦΕΑΣ ΧΡΗΣΤΗ (USER DESCRIPTOR) Είναι προαιρετικός και έχει μήκος έως 16 bytes ASCII χαρακτήρες. Χρησιμοποιείται για την περιγραφή της συσκευής ΤΟ ΠΡΟΦΙΛ ΣΥΣΚΕΥΗΣ ZIGBEE Οι προδιαγραφές για το επίπεδο εφαρμογών περιγράφουν πως υλοποιούνται γενικά χαρακτηριστικά του ZigBee όπως είναι οι διαδέσεις, η ανακάλυψη συσκευών, και η ανακάλυψη υπηρεσιών από τα ZigBee Device Objects. Το προφίλ συσκευής ZigBee (ZigBee Device Profile) λειτουργεί όπως κάθε προφίλ ZigBee ορίζοντας συστάδες. Σε αντίθεση όμως με τα προφίλ των εφαρμογών, οι συστάδες στο προφίλ συσκευής ZigBee ορίζουν δυνατότητες που υποστηρίζονται από όλες τις συσκευές ZigBee. Αναφέρονται στην συνέχεια οι υποχρεωτικές και προαιρετικές συστάδες ΠΕΡΙΛΗΨΗ ΠΡΟΦΙΛ ΣΥΣΚΕΥΗΣ Το προφίλ συσκευής υποστηρίζει τέσσερις βασικές λειτουργίες επικοινωνίας μεταξύ συσκευών. Αυτές είναι: Εύρεση συσκευών και υπηρεσιών Διάδεση τελικών συσκευών Διάδεση και αποδέσμευση Διαχείριση πίνακα διαδέσεων Διαχείριση δικτύου ΕΥΡΕΣΗ ΣΥΣΚΕΥΩΝ ΚΑΙ ΥΠΗΡΕΣΙΩΝ Η εύρεση συσκευών και υπηρεσιών είναι κατανεμημένες λειτουργίες όπου κάθε συσκευή ή κάποιες συσκευές που έχουν οριστεί ως λανθάνουσες μνήμες εύρεσης απαντούν σε αιτήματα εύρεσης. Στην εύρεση συσκευών αναζητείται η διεύθυνση δικτύου μιας συσκευής της οποίας έχουμε την διεύθυνση IEEE ή το αντίθετο

27 Στην εύρεση υπηρεσιών μπορούν να ζητηθούν από μια συσκευή η λίστα των ενεργών ακροσημείων, ο απλός περιγραφέας, ο περιγραφέας κόμβου, ο περιγραφέας ενέργειας, ο σύνθετος περιγραφέας, ο περιγραφέας χρήστη ή απάντηση για ομοιότητα του απλού περιγραφέα με κάποιον συγκεκριμένο ΔΙΑΔΕΣΗ ΤΕΛΙΚΩΝ ΣΥΣΚΕΥΩΝ Ενεργοποίηση της διάδεσης μιας τελικής συσκευής χωρίς αυτό να γίνει αυτόματα αλλά με την μεσολάβηση ενός χρήστη ΔΙΑΔΕΣΗ ΚΑΙ ΑΠΟΔΕΣΜΕΥΣΗ Δημιουργία μιας νέας διάδεσης στον πίνακα διαδέσεων καθώς και αφαίρεση μιας ήδη υπάρχουσας ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΠΙΝΑΚΑ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ Υπάρχει υποστήριξη για συστάδες με τις εξής δυνατότητες: Εγγραφή συσκευών που υποστηρίζουν διάδεση. Αντικατάσταση μιας συσκευής με μια άλλη όπου αυτή αναφέρεται στον πίνακα διαδέσεων. Δημιουργία εφεδρικής καταγραφής για μια καταγραφή του πίνακα διαδέσεων. Αφαίρεση εφεδρικής καταγραφής. Δημιουργία εφεδρικού πίνακα διαδέσεων Ανάκτηση ολόκληρου του εφεδρικού πίνακα διαδέσεων Δημιουργία εφεδρικής πρωτεύουσας λανθάνουσας μνήμης διαδέσεων. Ανάκτηση της εφεδρικής πρωτεύουσας λανθάνουσας μνήμης διαδέσεων ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΔΙΚΤΥΟΥ Δυνατότητα ανάκτησης πληροφοριών διαχείρισης όπως: o Τα αποτελέσματα ανακάλυψης δικτύου. o Την ποιότητα σύνδεσης με τους γειτονικούς κόμβους. o Τα περιεχόμενα του πίνακα δρομολόγησης. o Τα περιεχόμενα του πίνακα διαδέσεων. o Τα περιεχόμενα της λανθάνουσας μνήμης ανακαλύψεων. o Τα αποτελέσματα της ανίχνευσης ισχύος. Δυνατότητα ανάθεσης πληροφοριών διαχείρισης όπως: o Αποχώρηση από το δίκτυο. o Απευθείας σύνδεση με το δίκτυο. o Επίτρεψη συνδέσεων. o Ενημέρωση δικτύου και αναφορά σφαλμάτων

28 4.1.6 ΤΑ ZIGBEE DEVICE OBJECTS Τα ZigBee Device Objects είναι εφαρμογές που μεταχειρίζονται τα αρχέγονα του επίπεδου του δικτύου και του επιπέδου υποστήριξης εφαρμογών για να δημιουργήσουν τις ZigBee τελικές συσκευές, τους ZigBee δρομολογητές και τους ZigBee συντονιστές. Το προφίλ του ZigBee Device Object χρησιμοποιεί τις συστάδες για να περιγράψει τα αρχέγονά του. Οι συστάδες δεν χρησιμοποιούν ιδιοχαρακτηριστικά και είναι όπως τα μηνύματα σε ένα πρωτόκολλο μεταφοράς μηνυμάτων. Οι περιγραφείς των συστάδων χρησιμοποιούνται από το προφίλ για να απαριθμήσουν τα μηνύματα που χρησιμοποιούνται από τα ZigBee Device Objects. Τα ZigBee Device Objects επίσης χρησιμοποιούν ιδιοχαρακτηριστικά για την ρύθμισή τους. Αυτά είναι παράμετροι που ορίζονται από την εφαρμογή ή από το προφίλ της στοίβας. Επίσης τα ιδιοχαρακτηριστικά δεν σχετίζονται με το ZigBee προφίλ συσκευής, παρόλο που και τα δύο χρησιμοποιούνται από τα ZigBee Device Objects ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΩΝ DEVICE OBJECT Τα ZigBee Device Objects βρίσκονται μέσα στο επίπεδο εφαρμογών (APL) και πάνω από το υποεπίπεδο υποστήριξης των εφαρμογών όπως φαίνεται και στο σχήμα 9 Τα ZigBee Device Objects είναι υπεύθυνα για τις εξής λειτουργίες: Αρχικοποίηση του APS, του NWK, της υπηρεσίας παροχής ασφάλειας, και οποιουδήποτε άλλου επιπέδου εκτός από τις τελικές εφαρμογές που βρίσκονται στα Endpoints Την συγκέντρωση των πληροφοριών από τις τελικές εφαρμογές για τον καθορισμό και την υλοποίηση των παρακάτω λειτουργιών: Λειτουργία Πρωταρχικής Λανθάνουσας μνήμης εύρεσης συσκευών (primary discovery cache). Εύρεση συσκευών και υπηρεσιών. Ενεργοποίηση ή απενεργοποίηση διαχειριστή ασφάλειας με τις εξής αρμοδιότητες: o Καθορισμό κλειδιού. o Μεταφορά κλειδιού o Αίτηση κλειδιού o Ενημέρωση συσκευής o Αφαίρεση συσκευής o Αλλαγή κλειδιού o Πιστοποίηση συσκευής Διαχείριση του δικτύου για την υλοποίηση του συντονιστή, του δρομολογητή ή της τελικής συσκευής και την δημιουργία ή σύνδεση σε κάποιο υπάρχον δίκτυο. Διαχείριση διαδέσεων με τις εξής αρμοδιότητες: o Καθορίζει το μέγεθος των πόρων που χρειάζεται ο πίνακας διαδέσεων o Επεξεργάζεται αιτήματα διαδέσεων για προσθήκη ή αφαίρεση στον πίνακα διαδέσεων o Επεξεργάζεται αιτήματα διαδέσεων για προσθήκη ή αφαίρεση από άλλες εξωτερικές συσκευές εάν το προφίλ συσκευής το υποστηρίζει. o Επιτρέπει την αντικατάσταση μιας συσκευής με μια άλλη σε όλους τις καταχωρήσεις στον πίνακα διαδέσεων

29 o Επιτρέπει την μεταφορά κάποιων ή όλων των καταχωρήσεων του πίνακα διαδέσεων σε έναν εφεδρικό σε μια άλλη συσκευή. Διαχείριση κόμβων με τις εξής αρμοδιότητες: o Επιτρέπει σε εντολές διαχείρισης άλλων συσκευών να πετύχουν ανακάλυψη του δικτύου. o Επιτρέπει σε εντολές διαχείρισης άλλων συσκευών να ανακτήσουν τον πίνακα δρομολογήσεων. o Επιτρέπει σε εντολές διαχείρισης άλλων συσκευών να ανακτήσουν τον πίνακα διαδέσεων. o Παρέχει μια εντολή διαχείρισης άλλων συσκευών για την απομάκρυνση της ίδιας της συσκευής ή μιας άλλης από το δίκτυο. o Παρέχει μια εντολή διαχείρισης άλλων συσκευών για την ανάκτηση του LQI για γείτονες εκείνης της συσκευής. o Παρέχει μια εντολή διαχείρισης άλλων συσκευών για την επίτρεψη ή αποτροπή σύνδεσης σε συγκεκριμένους δρομολογητές ή για γενική απαγόρευση νέων συνδέσεων. Διαχείριση ομάδων με τις εξής αρμοδιότητες: o Παρέχει δυνατότητα συνυπολογισμού αντικειμένων της εφαρμογής της τοπικής συσκευής σε ομάδες κάτω από τον έλεγχο της εφαρμογής. o Παρέχει δυνατότητα απομάκρυνσης αντικειμένων της εφαρμογής της τοπικής συσκευής σε ομάδες κάτω από τον έλεγχο της εφαρμογής. 4.2 ΕΠΙΠΕΔΟ ΔΙΚΤΥΟΥ - NWK Το επίπεδο δικτύου απαιτείται για να παρέχει την λειτουργία που εγγυάται τη σωστή λειτουργία του υποεπιπέδου MAC που ορίζεται από το IEEE και για να παρέχει μια κατάλληλη διεπαφή στο επίπεδο εφαρμογών APL Για την διεπαφή με το APL, το επίπεδο δικτύου περιέχει δύο οντότητες υπηρεσιών που παρέχουν την απαιτούμενη λειτουργικότητα. Αυτές είναι η υπηρεσία δεδομένων και η υπηρεσία διαχείρισης. Η οντότητα δεδομένων του επιπέδου δικτύου (NLDE) παρέχει την υπηρεσία εκπομπής μέσω του σημείου πρόσβασης υπηρεσίας της NLDE-SAP, και η οντότητα διαχείρισης του επιπέδου δικτύου (NLME) παρέχει την υπηρεσία διαχείρισης μέσω του σημείου πρόσβασης υπηρεσίας της NLME-SAP. Η NLME χρησιμοποιεί την NLDE για να πετύχει μερικά από τα διαχειριστικά της καθήκοντα και επιπλέον διατηρεί βάση δεδομένων των αντικειμένων που διαχειρίζεται γνωστή ως βάση πληροφοριών δικτύου (NIB) ΟΝΤΟΤΗΤΑ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΕΠΙΠΕΔΟΥ ΔΙΚΤΥΟΥ (NLDE) Η NLDE παρέχει μια υπηρεσία δεδομένων για να επιτρέπει σε μια εφαρμογή να μεταφέρει μονάδες δεδομένων εφαρμογών πρωτοκόλλου (application protocol data units APDU) μεταξύ δύο ή περισσοτέρων συσκευών. Οι συσκευές πρέπει να βρίσκονται στο ίδιο δίκτυο. Η NLDE παρέχει τις εξής υπηρεσίες: Δημιουργία του PDU επιπέδου δικτύου (NPDU): Η NLDE είναι ικανή να δημιουργήσει ένα NPDU από ένα APDU μέσω της προσθήκης του κατάλληλου επίβαρου. Δρομολόγηση ανάλογα με την τοπολογία: Η NLDE μπορεί να εκπέμψει ένα NPDU στην κατάλληλη συσκευή που είναι είτε ο τελικός αποδέκτης ή το επόμενο βήμα προς τον τελικό προορισμό στην αλυσίδα επικοινωνίας

30 Ασφάλεια: Ικανότητα για διαβεβαίωση της αυθεντικότητας και εμπιστευτικότητας μιας εκπομπής ΟΝΤΟΤΗΤΑ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗΣ ΕΠΙΠΕΔΟΥ ΔΙΚΤΥΟΥ(NLME) Η NLME παρέχει την υπηρεσία διαχείρισης για να επιτρέπει σε μια εφαρμογή να αλληλεπιδρά με τη στοίβα. Η NLME παρέχει τις εξής υπηρεσίες: Ρύθμιση μιας νέας συσκευής: Έχει την ικανότητα για την ρύθμιση της στοίβας για την σωστή λειτουργία. Μια επιλογή είναι η έναρξη δημιουργίας δικτύου ως συντονιστής ή η σύνδεση με ένα υπάρχον δίκτυο. Εκκίνηση ενός δικτύου: Δυνατότητα δημιουργίας νέου δικτύου. Σύνδεση, επανασύνδεση ή έξοδος από ένα δίκτυο: Δυνατότητα για σύνδεση, επανασύνδεση ή έξοδος από ένα δίκτυο καθώς και η ικανότητα ενός συντονιστή ή δρομολογητή να ζητήσουν από μια συσκευή να φύγει από το δίκτυο. Διευθυνσιοδότηση: Ικανότητα των συντονιστών και δρομολογητών να αναθέτουν διευθύνσεις σε συσκευές που συνδέονται στο δίκτυο. Εύρεση γειτόνων: Ικανότητα για εύρεση, καταγραφή, και αναφορά για τους άμεσους γείτονες μιας συσκευής. Εύρεση διαδρομής: Ικανότητα για εύρεση και καταγραφή διαδρομών μέσω του δικτύου, μέσω των οποίων τα μηνύματα μπορούν να δρομολογηθούν σωστά. Έλεγχος λήψης: Δυνατότητα μιας συσκευής να ελέγξει πότε ο δέκτης είναι ανοιχτός και πόσο χρόνο, επιτρέποντας στο υποεπίπεδο MAC συγχρονισμό ή απευθείας λήψη. Δρομολόγηση: Ικανότητα για χρήση διαφόρων μηχανισμών δρομολόγησης όπως η απλή αποστολή(unicast), εκπομπή προς όλους (broadcast), η πολλαπλή εκπομπή(multicast) ή πολλών προς έναν (many to one)

31 5 Η ΣΤΟΙΒΑ ZIGBEE ΤΗΣ MICROCHIP Η στοίβα ZigBee της εταιρίας Microchip είναι γραμμένη στην γλώσσα προγραμματισμού C, και είναι σχεδιασμένη για την οικογένεια μικροελεγκτών PIC18F. Ο κώδικας χρησιμοποιεί την εσωτερική flash μνήμη του μικροελεγκτή για την αποθήκευση των παραμέτρων, όπως η διεύθυνση MAC, τον πίνακα των γειτόνων, και τον πίνακα των διαδέσεων (binding table). 5.1 ΔΥΝΑΤΟΤΗΤΕΣ ΤΗΣ ΣΤΟΙΒΑΣ Η στοίβα της Microchip προσφέρει τα ακόλουθα χαρακτηριστικά: Είναι πιστοποιημένη πλατφόρμα για το πρωτόκολλο ZigBee v1.0 Υποστηρίζει όλους τους τύπους συσκευών ZigBee (συντονιστής, δρομολογητής, τελική συσκευή) Παρέχει μη πτητική αποθήκευση για τους πίνακες γειτόνων και διαδέσεων Είναι λειτουργικό σύστημα πραγματικού χρόνου Υποστηρίζει τον μεταγλωττιστή της Microchip MPLAB C18 Σχεδιασμός σε κομμάτια με ονομασίες συμβατές με αυτές των πρωτοκόλλων. 5.2 ΤΑ ΕΠΙΠΕΔΑ ΤΗΣ ΣΤΟΙΒΑΣ Η στοίβα είναι σχεδιασμένη σύμφωνα με το πρωτόκολλο ZigBee και τις προδιαγραφές του IEEE , με το κάθε επίπεδο σε ένα δικό του αρχείο κώδικα. Οι όροι και ονομασίες είναι αυτές που ορίζονται από τα πρωτόκολλα. Στο σχήμα 12 φαίνεται η στοίβα της microchip. Βλέπουμε ότι είναι όμοια με τη στοίβα του ZigBee v1.0. Σχήμα 12. Η στοίβα ZigBee της Microchip

32 5.3 ΤΑ ΑΡΧΕΓΟΝΑ ΤΗΣ ΣΤΟΙΒΑΣ Τα αρχέγονα που ορίζονται στα δύο πρωτόκολλα, χρησιμοποιούνται για την διεπαφή με τη στοίβα, καλώντας μία μόνο ρουτίνα χρησιμοποιώντας την λίστα παραμέτρων που ορίζεται για τα αρχέγονα στα πρωτόκολλα. Το επίπεδο των εφαρμογών επικοινωνεί με τη στοίβα κυρίως μέσω των αρχέγονων που ορίζονται από το πρωτόκολλο ZigBee και το IEEE Ο πίνακας περιγράφει τα αρχέγονα που χρησιμοποιούνται συνηθέστερα από το επίπεδο των εφαρμογών και τις αντίστοιχες απαντήσεις. Κάθε τύπος συσκευής χρησιμοποιεί μόνο κάποια από όλα τα αρχέγονα. Αρχέγονο που εκδίδει η Αρχέγονο της απάντησης Περιγραφή εφαρμογή APSDE_DATA_request APSDE_DATA_confirm Χρησιμοποιείται για να σταλούν μηνύματα σε άλλες συσκευές APSME_BIND_request APSME_BIND_confirm Οδηγεί στην δημιουργία μιας διάδεσης. Χρησιμοποιείται μόνο από συσκευές που υποστηρίζουν διάδεση. APSME_UNBIND_request APSME_UNBIND_confirm Αναγκάζει την αφαίρεση μιας διάδεσης. Χρησιμοποιείται μόνο από συσκευές που υποστηρίζουν διάδεση NLME_NETWORK_DISCOVERY_ NLME_NETWORK_DISCOVERY_ Ανακαλύπτει τα request confirm διαθέσιμα για σύνδεση δίκτυα. Δεν χρησιμοποιείται από τους ZigBee συντονιστές. NLME_PERMIT_JOINING_ request NLME_START_ROUTER_ request NLME_PERMIT_JOINING_ confirm NLME_START_ROUTER_ confirm Επιτρέπει σε άλλες συσκευές να συνδεθούν στο δίκτυο σαν παιδιά (children). Χρησιμοποιείται μόνο από συντονιστές και δρομολογητές. Ξεκινά την λειτουργία της δρομολόγησης. Μόνο για δρομολογητές και FFD συσκευές. NLME_JOIN_request NLME_JOIN_confirm Προσπάθεια σύνδεσης ή επανασύνδεσης σε ένα συγκεκριμένο δίκτυο. Δεν χρησιμοποιείται από τους συντονιστές

33 NLME_DIRECT_JOIN_ request NLME_DIRECT_JOIN_ confirm Προσθέτει μια συσκευή σαν παιδί. Μόνο για συντονιστές και δρομολογητές. NLME_LEAVE_request NLME_LEAVE_confirm Αποχώρηση από το δίκτυο ή αποβολή ενός παιδιού από το δίκτυο. NLME_SYNC_request NLME_SYNC_confirm Αίτηση των δεδομένων που έχουν αποθηκευτεί από την συσκευή-γονιό. Μόνο για RFD. ZDO_END_DEVICE_BIND_req APSDE_DATA_indication Χρησιμοποιείται μόνο από συσκευές που υποστηρίζουν διάδεση. Πίνακας 10. Τα αρχέγονα της στοίβας της Microchip 5.4 ΑΠΟΣΤΟΛΗ ΜΗΝΥΜΑΤΩΝ Η στοίβα επιτρέπει μόνο ένα εξερχόμενο μήνυμα κάθε φορά. Τα μηνύματα στέλνονται με την εξής διαδικασία: 1. Πρέπει το επίπεδο εφαρμογών να είναι έτοιμο για εξερχόμενο μήνυμα, κάτι που φαίνεται καλώντας την ρουτίνα ZigBeeReady() και πάρουμε TRUE. 2. Κλείδωμα του συστήματος με την ρουτίνα ZigBeeBlockTx() ώστε μελλοντικές κλήσεις της ZigBeeReady() να δίνουν FALSE. 3. Φόρτωση των δεδομένων του μηνύματος στη συστοιχία TxBuffer χρησιμοποιώντας την μεταβλητή TxData για την τοποθέτησή τους. Πρέπει στο τέλος η μεταβλητή TxData να έχει την τιμή του μήκους των δεδομένων. 4. Ρύθμιση των παραμέτρων του αρχέγονου APSDE_DATA_request 5. Αλλαγή της τιμής του currentprimitve σε APSDE_DATA_request και κλήση της ρουτίνας ZigBeeTasks(). Ένα παράδειγμα αποστολής φαίνεται στο πλαίσιο 1. Όπως φαίνεται, κάθε πλαίσιο πρέπει να έχει έναν μοναδικό Transaction Identifier που τον δίνει η στοίβα καλώντας των ρουτίνα APLGetTransId(). Η μεταβλητή destinationεndpoint έχει την τιμή του ακροσημείου στο οποίο στέλνουμε το μήνυμα, και η τιμή destinationaddress την 16bit διεύθυνση δικτύου της συσκευής αποδέκτη. Επίσης ζητάμε την δρομολόγηση του μηνύματος αν χρειαστεί

34 if (ZigBeeReady()) if (blightswitchtoggled) blightswitchtoggled = FALSE; ZigBeeBlockTx(); TxBuffer[TxData++] = APL_FRAME_TYPE_KVP 1; // KVP, 1 transaction TxBuffer[TxData++] = APLGetTransId(); TxBuffer[TxData++] = APL_FRAME_COMMAND_SET (APL_FRAME_DATA_TYPE_UINT8<< 4); TxBuffer[TxData++] = OnOffSRC_OnOff & 0xFF; // Attribute ID LSB TxBuffer[TxData++] = (OnOffSRC_OnOff >> 8) & 0xFF; // Attribute ID MSB TxBuffer[TxData++] = LIGHT_TOGGLE; params.apsde_data_request.dstaddrmode = APS_ADDRESS_16_BIT; params.apsde_data_request.dstendpoint = destinationendpoint; params.apsde_data_request.dstaddress.shortaddr = destinationaddress; params.apsde_data_request.profileid.val = MY_PROFILE_ID; params.apsde_data_request.radiuscounter = DEFAULT_RADIUS; params.apsde_data_request.discoverroute = ROUTE_DISCOVERY_ENABLE; params.apsde_data_request.txoptions.val = 0; params.apsde_data_request.srcendpoint = EP_SWITCH; params.apsde_data_request.clusterid = OnOffSRC_CLUSTER; currentprimitive = APSDE_DATA_request; Πλαίσιο 1. Αποστολή μηνύματος 5.5 ΠΕΡΙΟΡΙΣΜΟΙ ΣΤΗ ΣΤΟΙΒΑ ΤΗΣ MICROCHIP Σύμφωνα με το πρωτόκολλο ZigBee, πολλές επιλογές υψηλού επιπέδου αφήνονται στον χρήστη. Έτσι δεν υπάρχει υποστήριξη από την στοίβα για τα εξής: Δεν υποστηρίζονται δίκτυα χρονοθυρίδων (Μόνο δίκτυα μη-ραδιοφάρων) Οι διευθύνσεις δικτύου συσκευών που φεύγουν από το δίκτυο δεν μπορούν να ανατεθούν ξανά. Δεν γίνεται αυτόματη αφαίρεση κόμβων από τον πίνακα των γειτόνων. Δεν υποστηρίζεται η περίπτωση σύγκρουσης PAN ID Δεν γίνεται αυτόματη επισκευή της διαδρομής δρομολόγησης Δεν υποστηρίζεται η χρήση εναλλακτικού συντονιστή PAN. 5.6 ΔΡΟΜΟΛΟΓΗΣΗ ΜΗΝΥΜΑΤΩΝ Η στοίβα έχει την δυνατότητα δρομολόγησης μηνυμάτων χωρίς καμία μεσολάβηση από την τελική εφαρμογή. Υπάρχουν τρεις τρόποι δρομολόγησης και η επιλογή του καθενός γίνεται πριν την αποστολή του μηνύματος. SUPPRESS Εάν υπάρχει διαδρομή, τότε το μήνυμα την ακολουθεί. Αλλιώς, το μήνυμα ακολουθεί το δέντρο. ENABLE Εάν υπάρχει διαδρομή, τότε το μήνυμα την ακολουθεί. Αλλιώς ξεκινάει η εύρεση διαδρομής. Με την ολοκλήρωσή της γίνεται η αποστολή του μηνύματος. Εάν ο δρομολογητής, δεν έχει χώρο για την δρομολόγηση, τότε το μήνυμα ακολουθεί το δέντρο. FORCE Εάν ο δρομολογητής έχει χώρο, ξεκινά την εύρεση διαδρομής, ακόμα και αν αυτή ήδη υπάρχει. Όταν ολοκληρωθεί το

35 μήνυμα στέλνεται μέσω αυτής. Εάν ο δρομολογητής, δεν έχει χώρο για την δρομολόγηση, τότε το μήνυμα ακολουθεί το δέντρο. Κύρια χρήση της επιλογής αυτής, είναι για την επισκευή κατεστραμμένης διαδρομής. 5.7 ΡΥΘΜΙΣΗ ΠΑΡΑΜΕΤΡΩΝ - ΑΠΑΙΤΗΣΕΙΣ ΠΟΡΩΝ Η ρύθμιση της στοίβας απαιτεί την ανάθεση τιμών για κάποιες παραμέτρους πριν την μεταγλώττιση. Αυτές οι παράμετροι είναι: Διεύθυνση MAC Είδος συσκευής Τρόπος παροχής τροφοδοσίας Κωδικός κατασκευαστή Ισχύς εκπομπής πομποδέκτη Επιτρεπόμενα κανάλια Χρήση λειτουργιών ασφάλειας Υποστήριξη διαδέσεων Μέγιστος αριθμός πλαισίων από το επίπεδο APL. Τα πλαίσια πρέπει να αποθηκεύονται για την περίπτωση επανεκπομπής και χρησιμοποιούν μνήμη. Μέγιστος αριθμός πλαισίων επιβεβαίωσης από το APS. Μέγιστος αριθμός στον πίνακα διευθύνσεων APS. Μέγιστος αριθμός προσωρινά αποθηκευμένων έμμεσων μηνυμάτων. Μέγεθος πίνακα διαδέσεων Μέγεθος πίνακα γειτόνων Μέγιστος αριθμός προσωρινά αποθηκευμένων μηνυμάτων προς πολλαπλή αποστολή. Μέγεθος πίνακα εύρεσης διαδρομής Μέγεθος πίνακα δρομολόγησης Δεσμευμένες καταχωρήσεις του πίνακα δρομολογήσεων Μέγιστος αριθμός προσωρινά αποθηκευμένων μηνυμάτων προς δρομολόγηση. Κατώτατο ενεργειακό επίπεδο για δημιουργία δικτύου Ελάχιστο LQI για προσπάθεια σύνδεσης Χρόνος διατήρησης μηνυμάτων RFD παιδιών πριν την αποβολή. Είδος Ασφάλειας Κλειδί δικτύου Στον πίνακα που ακολουθεί φαίνονται οι απαιτήσεις σε πόρους μνήμης RAM και μη πτητικής flash μνήμης Παράμετρος RAM (Bytes) Flash (Bytes) Μέγιστος αριθμός πλαισίων από το επίπεδο APL 2/πλαίσιο - Μέγιστος αριθμός πλαισίων επιβεβαίωσης από το 2/πλαίσιο - επίπεδο APS Μέγιστος αριθμός στον πίνακα διευθύνσεων APS 2/καταχώρηση 10/καταχώρηση Μέγιστος αριθμός προσωρινά αποθηκευμένων 2*αριθμό - έμμεσων μηνυμάτων μηνυμάτων Μέγεθος πίνακα διαδέσεων - 5/καταχώρηση Μέγεθος πίνακα γειτόνων - 15/καταχώρηση

36 Μέγιστος αριθμός προσωρινά αποθηκευμένων 2*αριθμό - μηνυμάτων προς πολλαπλή αποστολή μηνυμάτων Μέγεθος πίνακα εύρεσης διαδρομής 2/καταχώρηση - Μέγεθος πίνακα δρομολόγησης - 5/καταχώρηση Μέγιστος αριθμός προσωρινά αποθηκευμένων μηνυμάτων προς δρομολόγηση 10*αριθμό μηνυμάτων - Επιπλέον κάθε μήνυμα προσωρινά αποθηκευμένο, πλέον των απαιτήσεων σε RAM πιάνει και τον αντίστοιχο με το μέγεθός του, χώρο στη στοίβα μνήμης του μικροελεγκτή. 5.8 ΟΙ ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ LQI-RSSI Το LQI (Επίπεδο ποιότητας σύνδεσης- Link Quality Threshold) είναι μέτρο της ποιότητας του λαμβανόμενου σήματος. Το LQI δίνει μια προσέγγιση του πόσο εύκολα ένα λαμβανόμενο σήμα μπορεί να αποδιαμορφωθεί, συγκεντρώνοντας το μέγεθος του σφάλματος μεταξύ των ιδανικών αναμενόμενων συμβόλων και τον λαμβανόμενων. Το LQI χρησιμοποιείται καλύτερα ως σχετικό μέτρο της ποιότητας σύνδεσης (μια υψηλή τιμή δείχνει καλύτερη σύνδεση). Η τιμή του LQI εξαρτάται από την διαμόρφωση που χρησιμοποιείται. Έτσι, για MSK, FSK, GFSK συγκρίνεται η ιδανικά αναμενόμενη συχνότητα, με την λαμβανόμενη. Ο RSSI (Ενδείκτης Ισχύος Λαμβανόμενου Μηνύματος - Received Signal Strength Indicator) αποτελεί ένδειξη της ισχύος του σήματος. Δεν έχει καμία σχέση με την ποιότητα ή την ορθότητα του σήματος. Αντίστοιχα ο LQI δεν έχει καμία σχέση με την ισχύ του σήματος. Βέβαια ο LQI συνήθως συνδέεται με τα ισχυρά σήματα αφού ένα ισχυρό σήμα επηρεάζεται λιγότερο από παρεμβολές. Υπάρχουν πέντε ακραίες περιπτώσεις που δείχνουν την χρήση των RSSI και LQI. Ένα ασθενές σήμα με παρουσία θορύβου θα δώσει χαμηλές τιμές RSSI και LQI Ένα ασθενές σήμα με πλήρη έλλειψη θορύβου θα δώσει χαμηλή τιμή RSSI και υψηλή LQI. Υψηλή τιμή θορύβου (π.χ. από παρεμβολές) θα δώσει υψηλή τιμή RSSI και χαμηλή τιμή LQI. Ένα ισχυρό σήμα χωρίς πολύ θόρυβο, θα δώσει υψηλά RSSI και LQI. Ένα πολύ υψηλό σήμα που προκαλεί κορεσμό στον δέκτη μπορεί να δώσει υψηλό RSSI και χαμηλό LQI

37 6 ΤΟ ΥΛΙΣΜΙΚΟ ΠΟΥ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΗΘΗΚΕ 6.1 ΓΕΝΙΚΑ Για την υλοποίηση της διπλωματικής, κατασκευάστηκαν 3 κόμβοι ZigBee για την υλοποίηση των τοπολογιών του πρωτοκόλλου. Επιπλέον χρησιμοποιήθηκαν επιπλέον εργαλεία, για τον προγραμματισμό, την παρακολούθηση του δικτύου, και τις μετρήσεις. Αυτά παρουσιάζονται στην συνέχεια του κεφαλαίου. 6.2 ΟΙ ΚΟΜΒΟΙ ΤΟΥ ΔΙΚΤΥΟΥ Η γενική μορφή των κόμβων, φαίνεται στο σχήμα 13 που ακολουθεί. Σχήμα 13. Κόμβος ZigBee Όπως φαίνεται από το σχήμα, κάθε κόμβος αποτελείται από ένα μικροελεγκτή PIC18F4620 που μπορεί να επικοινωνεί σειριακά μέσω RS232 με ένα υπολογιστή για τον προγραμματισμό του και για να στέλνει τα δεδομένα. Επιπλέον υπάρχει η πλακέτα CC2420EM που περιλαμβάνει τον πομποδέκτη και την κεραία, καθώς και ένα ολοκληρωμένο ψηφιακό θερμόμετρο. Τέλος υπάρχει ένας επιπλέον κρύσταλλος 32,768kHz για την υλοποίηση του χρονισμού και των χρονοθυρίδων. Η επικοινωνία του MCU με τον πομποδέκτη και το θερμόμετρο, γίνεται με το σειριακό πρωτόκολλο SPI ενώ με τον υπολογιστή, με την χρήση της θύρας EUSART (enhanced universal synchronous receiver transmitter) και ενός ολοκληρωμένου για την μετατροπή των στάθμεων ICL3232 ή του αντίστοιχου του MAX

38 6.2.1 ΣΧΗΜΑΤΙΚΟ ΤΗΣ ΒΑΣΙΚΗΣ ΠΛΑΚΕΤΑΣ Στο σχήμα 14 φαίνεται το σχηματικό της βασικής πλακέτας του κόμβου (Δεν φαίνεται η επιπλέον πλακέτα CC2420EM που περιγράφεται στην συνέχεια). Κάθε κομμάτι της περιγράφεται αναλυτικότερα στις υποπαραγράφους έως Σχήμα 14. Σχηματικό βασικής πλακέτας κόμβου Στην εικόνα 1 φαίνεται ένας κόμβος, και στην εικόνα 2 η κάτω πλευρά του

39 Εικόνα 1. Ένας από τους κόμβους που κατασκευάστηκαν. Εικόνα 2. Η κάτω πλευρά του κόμβου

40 ΚΥΚΛΩΜΑ ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑΣ Σχήμα 15. Το κύκλωμα τροφοδοσίας. Όπως φαίνεται στο σχήμα 15 η τροφοδοσία του μικροελεγκτή αλλά και όλου του κυκλώματος πομποδέκτη γίνεται από την τροφοδοσία του USB ή μέσω του βύσματος από άλλη εξωτερική τροφοδοσία. Υπάρχει ON/OFF διακόπτης και στην συνέχεια ένας σταθεροποιητής τάσης LM2937 που παρέχει τα σταθεροποιημένα 3,3Volt στην πλακέτα. Για την λειτουργία του LM υπάρχουν οι πυκνωτές στην είσοδο και στην έξοδό του. Επιπλέον υπάρχει led για την ένδειξη της τροφοδοσίας. Τέλος πριν και μετά τον σταθεροποιητή υπάρχουν βραχυκυκλωτές στην θέση των οποίων μπορεί να μετρηθεί σε σειρά το ρεύμα λειτουργίας της πλακέτας αλλά και οι απώλειες ισχύος του σταθεροποιητή ΚΥΚΛΩΜΑ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ ΜΕ Η/Υ Σχήμα 16. Το κύκλωμα επικοινωνίας με τον υπολογιστή

41 Στο σχήμα 16 φαίνεται το κύκλωμα μετατροπής στάθμεων για την σειριακή επικοινωνία του μικροελεγκτή με τον υπολογιστή. Συγκεκριμένα το είδος της επικοινωνίας είναι RS-232. Για την μετατροπή χρησιμοποιείται το ολοκληρωμένο max3232 ή το ICL3232 που λειτουργεί με 3,3V τροφοδοσία και μετατρέπει τις στάθμες των 0-3.3V σε ±9V που ορίζει το RS-232 πρωτόκολλο. Επιπλέον υπάρχουν βραχυκυκλωτήρες (jumpers) ώστε, αν χρειαστεί για την μείωση της κατανάλωσης, να απενεργοποιηθεί το ολοκληρωμένο ΜΙΚΡΟΕΛΕΓΚΤΗΣ Σχήμα 17. Ο μικροελεγκτής Στο σχήμα 17 φαίνεται το κομμάτι του μικροελεγκτή. Ο μικροελεγκτής που χρησιμοποιήθηκε είναι ο PIC 18LF4620 της εταιρίας Microchip. Έχει σχεδιαστεί με την τεχνολογία nanowatt με την οποία πετυχαίνει αρκετά χαμηλές καταναλώσεις. Συγκεκριμένα μπορεί να μπει σε κατάσταση απραξίας - Idle ή ύπνου - Sleep ώστε να μειωθεί η κατανάλωση

42 Η τυπική τιμή κατανάλωσης σε κατάσταση απραξίας είναι 5,8μΑ ενώ σε κατάσταση ύπνου η κατανάλωση μειώνεται σε ελάχιστα na. Επιπλέον διαθέτει σειριακές πόρτες και υποστηρίζει τα πρωτόκολλα SPI και I2C σε κατάσταση αφέντη ή δούλου με τα οποία επικοινωνεί με το θερμόμετρο TC77 και τον πομποδέκτη CC2420. Υπάρχει μονάδα EUSART (Enhanced Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter) η οποία χρησιμοποιείται για την επικοινωνία με τον υπολογιστή ως RS-232. Διαθέτει μνήμη flash για το πρόγραμμα που θα εκτελεί μεγέθους 64Kbytes,EEPROM 1024 bytes και μνήμη 3968 bytes. Στο σχηματικό υπάρχουν οι δύο τροφοδοσίες και οι δύο γειώσεις. Επιπλέον υπάρχουν δύο led που ελέγχονται από τον μικροελεγκτή και δύο κουμπιά για έλεγχο της λειτουργίας από τον χρήστη. Για την λειτουργία των κουμπιών απαιτείται η ενεργοποίηση των Pull-up αντιστάσεων του μικροελεγκτή. Έτσι η τιμή στον ακροδέκτη του μικροελεγκτή είναι 1 εκτός και αν το κουμπί έχει πατηθεί οπότε γίνεται 0. Ενεργοποιώντας το interrupton change για τους συγκεκριμένους ακροδέκτες του μικροελεγκτή μπορούμε να λάβουμε ασύγχρονα και να επεξεργαστούμε κάθε πάτημα κάποιου κουμπιού. Το κύκλωμα παραγωγής παλμών είναι ένας απλός κρύσταλλος με τους πυκνωτές του όπως ορίζει η συνδεσμολογία.(σχήμα 18) Εσωτερικά στον μικροελεγκτή βρίσκεται η παράλληλη αντίσταση και ο αντιστροφέας που δημιουργούν την ταλάντωση. Ο κρύσταλλος που χρησιμοποιήθηκε είναι 4MHz και αυτή η συχνότητα τετραπλασιάζεται με την χρήση ενός PLL και η συχνότητα λειτουργίας είναι τα 16MHz. Σχήμα 18. Η συνδεσμολογία κρυστάλλου

43 Στον πίνακα 11 φαίνονται οι συνδέσεις του μικροελεγκτή με τον πομποδέκτη CC2420. Ακροδέκτης μικροελεγκτή Ακροδέκτης CC2420 RD7 CSn RB0 FIFO RB3 FIFOP RC2 RESETn RB2 SFD RD6 VREG_EN Πίνακας 11. Συνδέσεις ακροδεκτών μικροελεγκτή-cc ΚΥΚΛΩΜΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΧΡΟΝΟΘΥΡΙΔΩΝ Σχήμα 19. Το κύκλωμα παραγωγής χρονοθυρίδων. Στο σχήμα 19 φαίνεται το κύκλωμα παραγωγής χρονοθυρίδων. Χρησιμοποιεί ένα κρύσταλλο χαμηλής συχνότητας 32,768kHz και δύο πυκνωτές 27pF. Η συνδεσμολογία αυτή χρησιμοποιείται από τον TIMER1 του μικροελεγκτή για την παραγωγή παλμών υψηλής ακρίβειας ακόμα και όταν βρίσκεται σε κατάσταση ύπνου όπου όλοι οι άλλοι timers δεν λειτουργούν

44 ΤΟ ΘΕΡΜΟΜΕΤΡΟ TC77 Σχήμα 20. Το θερμόμετρο TC77 Στο σχήμα 20 φαίνεται το ολοκληρωμένο θερμόμετρο TC77 της Microchip. Είναι πολύ μικρό σε μέγεθος και με μεγάλη ανάλυση στην θερμοκρασία. Συγκεκριμένα μετράει την θερμοκρασία με 13bits και ακρίβεια ±1 C (max.) από +25 C έως +65 C ±2 C (max.) από -40 C έως +85 C ±3 C (max.) από -55 C έως +125 C Λειτουργεί με τάση τροφοδοσίας 2,7V έως 5,5V. Σε κατάσταση μέτρησης η κατανάλωση είναι 250μA ενώ εκτός λειτουργίας καταναλώνει 0,1μA. Η επικοινωνία με τον μικροελεγκτή γίνεται με το σειριακό πρωτόκολλο SPI τριών καλωδίων ΤΟ ΚΥΚΛΩΜΑ ΕΠΑΝΕΚΚΙΝΗΣΗΣ ΑΠΟ ΤΟΝ Η/Υ Σχήμα 21. Το κύκλωμα Reset από τον υπολογιστή

45 Στο σχήμα 21 φαίνεται το κύκλωμα επανεκκίνησης του μικροελεγκτή μέσω του σήματος Request To Send (RTS) της σειριακής θύρας του υπολογιστή. Μέσω του τρανζίστορ εκφορτίζεται ο πυκνωτής και γίνεται η επανεκκίνηση του μικροελεγκτή. Υπάρχει επιπλέον κουμπί για την επανεκκίνηση χειροκίνητα από τον χρήστη. Η χρήση της δυνατότητας αυτής, γίνεται κυρίως από το software του σειριακού προγραμματιστή Η ΠΛΑΚΕΤΑ CC2420EM Σχήμα 22. Το σχηματικό της πλακέτας CC2420EM με τον πομποδέκτη CC2420. Το ολοκληρωμένο CC2420 της εταιρίας Chipcon της Texas Instruments είναι ένας πομποδέκτης πλήρως συμβατός με το πρωτόκολλο IEEE για την μπάντα συχνοτήτων 2,4 GHz. Χρησιμοποιεί την τεχνική διευρυμένου φάσματος απευθείας ακολουθίας με 2 MChips/s και ρυθμό αποστολής δεδομένων 250 kbps. Τυπικές τιμές κατανάλωσης είναι: Αποστολή δεδομένων (TX) 17,4mA Λήψη δεδομένων (RX) 18,8mA Λειτουργεί με τάση τροφοδοσίας από 2,1 έως 3,6 Volts και έχει εσωτερικό σταθεροποιητή τάσης για την δημιουργία των 1,8Volt που λειτουργεί ο πυρήνας του. Η ισχύς εκπομπής είναι προγραμματιζόμενη έτσι ώστε να μειώνεται η κατανάλωση εκπομπής όπου αυτό είναι δυνατόν με τιμές που φαίνονται στον πίνακα 12. Ισχύς εκπομπής (dbm) Κατανάλωση ρεύματος (ma) 0 17,4-1 16,5-3 15,2-5 13,9-7 12,5-45 -

46 -10 11,2-15 9,9-25 8,5 Πίνακας 12. Κατανάλωση ρεύματος για διαφορετική ισχύ εκπομπής Διαθέτει μνήμη ενδιάμεσης αποθήκευσης 128 bytes για την αποστολή και επιπλέον 128 bytes για την λήψη. Υπάρχει ψηφιακή ένδειξη της ισχύος του λαμβανόμενου σήματος (Received Signal Strength Indication RSSI) ή του επίπεδου της ποιότητας της σύνδεσης (Link Quality Threshold LQI). Διαθέτει υλισμικό για την κωδικοποίηση (AES-128) που χρησιμοποιείται για το IEEE και έχει ένδειξη της μπαταρίας λειτουργίας του. Υπάρχει επίσης δυνατότητα για την αξιολόγηση του καναλιού (clear channel assessment-cca) Στην πλακέτα του CC2420em υπάρχουν όλα τα εξωτερικά παθητικά στοιχεία που χρειάζεται για την λειτουργία του το CC2420 όπως είναι οι πυκνωτές για τον σταθεροποιητή τάσης. Το ολοκληρωμένο λειτουργεί με έναν κρύσταλλο 16MHz. Επιπλέον υπάρχουν τα στοιχεία που χρειάζονται για την προσαρμογή της κεραίας καθώς και μια κεραία 2.4GHz - SMA. Ο τρόπος επικοινωνίας του πομποδέκτη με τον μικροελεγκτή είναι με την χρήση του σειριακού πρωτοκόλλου SPI

47 6.3 ΤΑ ΑΝΑΠΤΥΞΙΑΚΑ CC2420DK Για την ολοκλήρωση της διπλωματικής χρησιμοποιήθηκαν οι δύο πλακέτες του αναπτυξιακού CC2420DK (development kit) που μας παρείχε η εταιρία OLYMPIA ELECTRONICS. Οι πλακέτες αυτές βοηθούν στην κατανόηση της λειτουργίας του πομποδέκτη CC2420 και των δυνατοτήτων. Επιπλέον φορτώνοντας σε αυτές το κατάλληλο firmware, μπορούν να λειτουργήσουν σαν ανιχνευτές πακέτων και να μελετήσουν τα ZigBee δίκτυα. Στην εικόνα 3 φαίνεται η πλακέτα του αναπτυξιακού και στην 4 το CC2420ΕΜ. Εικόνα 4. Το αναπτυξιακό CC2420DK. Εικόνα 3. CC2420EM 6.4 ΤΑ ΑΝΑΠΤΥΞΙΑΚΑ ΕΠΙΔΕΙΞΗΣ CC2420DBK Επιπλέον, για την διπλωματική χρησιμοποιήθηκαν οι δύο πλακέτες του αναπτυξιακού επίδειξης CC2420DBK (demonstration board kit) που μας παρείχε η εταιρία OLYMPIA ELECTRONICS. Οι πλακέτες αυτές βοήθησαν ως πρωτότυπα για την λειτουργία χρονοθυρίδων σε απλές αποστολές δεδομένων, και στη συνέχεια ως πηγές παρεμβολών για την δοκιμή της αντοχής του προτεινόμενου δικτύου. Τα αναπτυξιακά φαίνονται στην εικόνα 5. Εικόνα 5. Το αναπυξιακό επίδειξης CC2420DBK

48 6.5 Ο SCHAER+ ICSP ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΣΤΗΣ ΓΙΑ PIC Για τον αρχικό προγραμματισμό των μικροελεγκτών χρησιμοποιήθηκε ο ICSP προγραμματιστής για PIC scaher+. Με αυτόν προγραμματίστηκαν οι μικροελεγκτές των κόμβων με τον bootloader, tiny bootloader για PIC. Ο προγραμματιστής χρησιμοποιεί την παράλληλη θύρα του υπολογιστή και το λογιμικό WinPIC. Στην συνέχεια ο προγραμματισμός των μικροελεγκτών. τους γίνεται απευθείας με την σειριακή θύρα. Στην εικόνα 6 φαίνεται ο προγραμματιστής και στο σχήμα 23 το σχηματικό του. Εικόνα 6. Ο προγραμματιστής SCHAER+ Σχήμα 23. Το σχηματικό του προγραμματιστή Schaer

49 7 Η ΠΡΟΤΕΙΝΟΜΕΝΗ ΜΕΘΟΔΟΣ ΜΕΙΩΣΗΣ ΚΑΤΑΝΑΛΩΣΗΣ - ΧΡΟΝΟΘΥΡΙΔΩΝ 7.1 ΓΕΝΙΚΗ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ Σύμφωνα με το πρωτόκολλο ZigBee, οι συσκευές του συντονιστή και των δρομολογητών πρέπει να έχουν συνεχώς ανοικτό τον δέκτη τους. Μια τέτοια λειτουργία όμως απαιτεί συνεχή μεγάλη κατανάλωση ρεύματος. Η μέθοδος που προτείνουμε, επιτρέπει στους δρομολογητές και τον συντονιστή να μειώνουν δραστικά την κατανάλωσή τους κλείνοντας για προκαθορισμένα χρονικά διαστήματα τον δέκτη τους. Έτσι η προτεινόμενη διάταξη έχει εφαρμογές σε δίκτυα μικρού ρυθμού αποστολής δεδομένων χωρίς απαιτήσεις απόκρισης σε πραγματικό χρόνο. Επιπλέον υπάρχει η δυνατότητα μόνο για μεταφορά δεδομένων μόνο προς τον συντονιστή ή της γειτονικές συσκευές. Πιο συγκεκριμένα, εφαρμόζεται μια τεχνική χρονοθυρίδων (timeslots) από όλες τις συσκευές. Υπάρχει ένας προκαθορισμένος αριθμός χρονοθυρίδων, οι οποίες επαναλαμβάνονται κυκλικά. Σε κάθε μια έχει ανατεθεί μια χρονοθυρίδα για την επικοινωνία της και την αποστολή δεδομένων προς τον συντονιστή. Σε κάθε χρονοθυρίδα, ανοιχτό έχουν τον δέκτη μόνο η συσκευή που έχει την χρονοθυρίδα, ο συντονιστής και όλοι οι δρομολογητές που απαιτούν για την δρομολόγηση των πακέτων από την συσκευή στο συντονιστή. Στις χρονοθυρίδες που δεν έχουν ανατεθεί σε κάποια συσκευή όλες οι συσκευές κλείνουν τον δέκτη τους. Επιπλέον υπάρχει μια κοινή χρονοθυρίδα με αριθμό 0, όπου ο συντονιστής και όλοι οι δρομολογητές έχουν ανοιχτό τον δέκτη τους για την σύνδεση στο δίκτυο των νέων συσκευών. Όλες οι συσκευές έχουν το δικό τους ρολόι για τον χρονισμό, ο συγχρονισμός του οποίου γίνεται μια φόρα σε κάθε κύκλο των χρονοθυρίδων με την χρήση ενός ραδιοφάρου που αποστέλλεται από τον συντονιστή σε όλες τις συσκευές. Υπάρχουν δύο είδη ραδιοφάρων. Ο ραδιοφάρος σύνδεσης (connection beacon) που αποστέλλεται από τον συντονιστή και όλους τους δρομολογητές στην αρχή της 0ικής χρονοθυρίδας. Ο ραδιοφάρος χρονισμού (time beacon) που αποστέλλεται από τον συντονιστή, και μετά, από κάθε δρομολογητή που τον λαμβάνει. Στο σχήμα 24, φαίνεται η κυκλική επανάληψη των χρονοθυρίδων, για μια τοπολογία με τρεις χρονοθυρίδες διαθέσιμες για συσκευές, στην οποία υπάρχουν δύο συσκευές που έχουν συνδεθεί. Επιπλέον φαίνεται η πρώτη χρονοθυρίδα όπου αποτελεί την χρονοθυρίδα συνδέσεων, και οι ραδιοφάροι σύνδεσης και χρονισμού στην αρχή και το τέλος της TS0. Σχήμα 24. Κυκλική επανάληψη χρονοθυρίδων

50 Όταν μια νέα συσκευή συνδέεται στο δίκτυο σε έναν δρομολογητή, ο δρομολογητής εξασφαλίζει με την επικοινωνία του με τον συντονιστή, μια ελεύθερη χρονοθυρίδα για αυτήν και ταυτόχρονα ενημερώνει όλες τους απαραίτητους δρομολογητές για την σύνδεση της νέας συσκευής. 7.2 ΤΟΠΟΛΟΓΙΕΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΟΥ ΔΙΚΤΥΟΥ Με τους τρεις κόμβους που κατασκευάστηκαν, μελετήθηκαν 2 διαφορετικές τοπολογίες συνδέσεων με την νέα προτεινόμενη μέθοδο. Αυτές φαίνονται στα σχήματα 25 και 26. Σχήμα 25. Τοπολογία 1 τύπου αστέρα Στην τοπολογία 1 οι δύο δρομολογητές επικοινωνούν απευθείας με τον συντονιστή που βρίσκεται εντός της εμβέλειάς τους. Σχήμα 26. Τοπολογία 2 τύπου δέντρου

51 Στην τοπολογία 2 ο δρομολογητής 2 είναι εκτός της εμβέλειας του συντονιστή και έτσι συνδέεται στο δίκτυο μέσω του δρομολογητή ΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΑ ΚΑΤΑΣΤΑΣΕΩΝ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΣΥΣΚΕΥΩΝ Στην συνέχεια θα δούμε τον τρόπο λειτουργίας των συσκευών στο δίκτυο. Η λειτουργία τους περιγράφεται με την χρήση των διαγραμμάτων καταστάσεων ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΣΥΝΤΟΝΙΣΤΗ Στο σχήμα 27 φαίνεται η εκκίνηση της λειτουργίας του συντονιστή του δικτύου. Συντονιστής Αρχικοποίηση Υλισμικού Αρχικοποίηση ZigBee Εκκαθάριση Πινάκων Δημιουργία Δικτύου Εκκίνηση λειτουργίας χρονοθυρίδων Σχήμα 27. Εκκίνηση λειτουργίας συντονιστή Βλέπουμε ότι στην εκκίνηση λειτουργίας γίνονται κάποιες αρχικοποιήσεις. Συγκεκριμένα ρυθμίζεται ο μικροελεγκτής και οι ακροδέκτες του κατάλληλα, και στην συνέχεια γίνονται οι ρυθμίσεις για την υλοποίηση του πρωτοκόλλου. Επιπλέον γίνεται η εκκαθάριση των πινάκων γειτόνων και διαδέσεων από την flash μνήμη που μπορεί να υπάρχουν από παλιότερη εφαρμογή. Στην συνέχεια δημιουργείται το δίκτυο. Η αρχικοποιήσεις περιλαμβάνουν την ρύθμιση των χρονομετρητών, των διακοπών (interrupts), των σειριακών επικοινωνιών (EUSART, SPI) και των led. Όταν ολοκληρωθεί αυτή η διαδικασία ξεκινά η λειτουργία με βάση τις χρονοθυρίδες. Αυτή περιγράφεται στο σχήμα

52 Ενεργοποίηση CC2420 Αποστολή Ραδιοφάρου Σύνδεσης, ι=0 Αναμονή για σύνδεση νέων συσκευών μια 1TS Αποστολή Ραδιοφάρου Χρονισμού ι=μαχ? ΝΑΙ ΟΧΙ 0 Τimeslots[i] 1 Απενεργοποίηση CC2420 Ενεργοποίηση CC ι; ++ι; Sleep για μια TS Αναμονή για δεδομένα μια TS Σχήμα 28. Λειτουργία χρονοθυρίδων του συντονιστή Ξεκινώντας την λειτουργία των χρονοθυρίδων βρισκόμαστε στην αρχή της TS0. Έτσι απευθείας ο συντονιστής ενεργοποιεί τον πομποδέκτη CC2420 και στέλνει τον ραδιοφάρο σύνδεσης. Επιπλέον μηδενίζει την μεταβλητή-counter ι. Με βάση τον μετρητή TIMER1 που λειτουργεί με τον εξωτερικό κρύσταλλο περιμένει για το χρονικό διάστημα μιας TS για την σύνδεση σε αυτόν των νέων συσκευών. Η περίπτωση όπου γίνεται σύνδεση νέας συσκευής περιγράφεται στη συνέχεια. Τελειώνοντας την χρονοθυρίδα TS0 γίνεται η αποστολή του ραδιοφάρου χρονισμού προς όλες τις συσκευές για τον συγχρονισμό των ρολογιών τους. Στην συνέχεια ξεκινούν οι χρονοθυρίδες των συσκευών. Η μεταβλητή ι αυξάνεται στο τέλος της κάθε μιας έως την τελευταία χρονοθυρίδα, οπότε και ξεκινά η λειτουργία από την αρχή με την αποστολή του ραδιοφάρου σύνδεσης και μηδενίζεται η μεταβλητή ι. Η μεταβλητή Timeslots αποτελείται από τόσα bits όσες επιθυμούμε να είναι οι χρονοθυρίδες των συσκευών. Κάθε bit της μεταβλητής μας δείχνει το αν ο συντονιστής πρέπει να έχει ανοιχτό ή κλειστό τον δέκτη του σε αυτή την χρονοθυρίδα

53 Εάν η τιμή του bit είναι μονάδα, τότε γίνεται η ενεργοποίηση του δέκτη CC2420 και η αύξηση του ι. Στην συνέχεια υπάρχει αναμονή των δεδομένων από την συσκευή που έχει την χρονοθυρίδα. Εάν η τιμή του bit είναι μηδέν, τότε απενεργοποιείται ο δέκτης, αυξάνεται κατά ένα το ι, και ο συντονιστής πηγαίνει σε κατάσταση ύπνου, μέχρι την ολοκλήρωση της χρονοθυρίδας, οπότε και ξυπνά από διακοπή για τον έλεγχο της επόμενης χρονοθυρίδας. Αίτηση Σύνδεσης Νέας Συσκευής Σύνδεση Νέας Συσκευής Αποστολή Επόμενης Ελεύθερης Χρονοθυρίδας Σχήμα 29. Σύνδεση νέας συσκευής στον συντονιστή Κατά την διάρκεια της TS0 μπορεί να γίνει αίτηση σύνδεσης μιας νέας συσκευής. Με την σύνδεσή της, της αποστέλλεται από τον συντονιστή η επόμενη ελεύθερη χρονοθυρίδα στο ακροσημείο λήψης χρονοθυρίδας. Στην περίπτωση που η συσκευή έχει συνδεθεί μέσω ενός δρομολογητή, τότε ο δρομολογητής επικοινωνεί με τον συντονιστή στο ακροσημείο παροχής χρονοθυρίδας και του ζητά την επόμενη ελεύθερη ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΔΡΟΜΟΛΟΓΗΤΗ Στο σχήμα 30 φαίνεται η εκκίνηση της λειτουργίας των δρομολογητών. Αρχικοποίηση Υλισμικού Εκκίνηση Λειτουργίας Από Την TS1 Αρχικοποίηση ZigBee Αναμονή Για Λήψη Ραδιοφάρου Χρονισμού Εκκαθάριση Πινάκων Αναμονή Για Λήψη Χρονοθυρίδας Αναμονή Ραδιοφάρου Σύνδεση Στο Σύνδεσης Δίκτυο Σχήμα 30. Εκκίνηση λειτουργίας δρομολογητών Όπως βλέπουμε το διάγραμμα καταστάσεων είναι σχεδόν ίδιο με αυτό του συντονιστή στην αρχικοποίηση. Ωστόσο υπάρχει η διαφορά στην αρχικοποίηση του

54 πρωτοκόλλου, αφού τώρα η συσκευή θα λειτουργήσει ως δρομολογητής, δηλαδή θα εκτελεί αρκετά λιγότερες λειτουργίες. Οι δρομολογητές, δεν δημιουργούν δικό τους δίκτυο, αλλά περιμένουν να ακούσουν τον ραδιοφάρο σύνδεσης για να επιχειρήσουν να συνδεθούν στο δίκτυο που δημιούργησε ο συντονιστής. Όταν αυτός ληφθεί τότε επιχειρείται η σύνδεση στο δίκτυο. Με την ολοκλήρωση της σύνδεσης η συσκευή, περιμένει για την λήψη της χρονοθυρίδας που θα της ανατεθεί. Αφού έρθει, τότε η συσκευή περιμένει το τέλος της TS0 και την λήψη του ραδιοφάρου χρονισμού. Μόλις συγχρονιστεί, ξεκινά την κυκλική λειτουργία των χρονοθυρίδων ξεκινώντας από την TS1. Στην συνέχεια στο σχήμα 31 παρουσιάζεται η λειτουργία των χρονοθυρίδων από τους δρομολογητές. Ενεργοποίηση CC2420 Αποστολή Ραδιοφάρου Σύνδεσης, ι=0 Αναμονή για σύνδεση νέων συσκευών μια 1TS Αναμονή Ραδιοφάρου Χρονισμού Αποστολή Ραδιοφάρου Χρονισμού ι=μαχ? ΝΑΙ ΟΧΙ 0 Τimeslots[i] 1 Απενεργοποίηση CC2420 Ενεργοποίηση CC ι; ++ι; Sleep για μια TS Αναμονή Για Δρομολόγηση Δεδομένων ή Αποστολή Δεδομένων Σχήμα 31. Λειτουργία χρονοθυρίδων του δρομολογητή

55 Στην αρχή της TS0 ο δρομολογητής στέλνει και αυτός ένα ραδιοφάρο σύνδεσης. Ακούγοντάς τον, μπορούν να συνδεθούν στο δίκτυο, συσκευές που είναι εκτός βεληνεκούς του συντονιστή. Στην συνέχεια ο δρομολογητής περιμένει για την σύνδεση νέων συσκευών σε αυτόν σχεδόν για μια ολόκληρη χρονοθυρίδα, έως ότου να ακούσει τον ραδιοφάρο χρονισμού. Με την λήψη του, συγχρονίζει το ρολόι του και στέλνει και αυτός ένα ραδιοφάρο χρονισμού, για να συγχρονίσει τις συσκευές που είναι εντός του βεληνεκούς του, αλλά μακριά από τον συντονιστή. Εάν μια συσκευή λάβει δύο φορές τον ραδιοφάρο συγχρονισμού, τότε συγχρονίζεται μόνο στον πρώτο, ο οποίος θα προέρχεται και από την συσκευή που είναι στην υψηλότερη θέση στο δέντρο του δικτύου. Η περίπτωση που μια συσκευή συνδέεται μέσω του δρομολογητή παρουσιάζεται αργότερα. Με την ολοκλήρωση της TS0 αρχίζει η λειτουργία χρονοθυρίδων των συσκευών. Εάν το bit της αντίστοιχης χρονοθυρίδας στην μεταβλητή Timeslots είναι 0, τότε ο δρομολογητής κλείνει τον δέκτη του και κοιμάται για μια TS. Εάν το bit 1 είναι ένα τότε υπάρχουν δύο περιπτώσεις. Η μια είναι, η χρονοθυρίδα να ανήκει στην συσκευή και η άλλη η συσκευή να χρησιμοποιείται απλά για την δρομολόγηση δεδομένων από κάποια άλλη συσκευή. Και στις δύο περιπτώσεις η συσκευή ανοίγει τον δέκτη της. Η συσκευή μπορεί να καταγράφει δεδομένα με μια άλλη χρονική κλίμακα οπότε και τα έχει αποθηκευμένα για αποστολή αργότερα στο TS της, ή να παίρνει τα δεδομένα κατά την διάρκεια του TS της και να τα στέλνει απευθείας. Αίτηση Σύνδεσης Από Άλλη Συσκευή Σύνδεση Νέας Συσκευής Αίτηση Χρονοθυρίδας Από Συντονιστή Ενημέρωση Συσκευής Για Χρονοθυρίδα Ενημέρωση Απαραίτητων Δρομολογητών Για Χρονοθυρίδα Σχήμα 32. Σύνδεση νέας συσκευής μέσω του δρομολογητή Στο σχήμα 32 φαίνεται το διάγραμμα καταστάσεων της σύνδεσης μιας νέας συσκευής στο δίκτυο που γίνεται μέσω ενός δρομολογητή. Στο TS0, αφού ολοκληρωθεί η διαδικασία της σύνδεσης, ο γονιός δρομολογητής, ζητά από τον συντονιστή την ανάθεση μιας νέας χρονοθυρίδας. Επιπλέον ενημερώνει όλους τους

56 εμπλεκόμενους δρομολογητές στην διαδρομή μέχρι τον συντονιστή για την χρονοθυρίδα της νέας συσκευής. Τέλος στέλνει την χρονοθυρίδα στην νέα συσκευή ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΤΕΛΙΚΩΝ ΣΥΣΚΕΥΩΝ Στα πλαίσια της διπλωματικής δεν αναπτύχθηκαν τελικές συσκευές. Αυτό έγινε γιατί δεν θα παρουσίαζαν σημαντική βελτίωση στην κατανάλωσή τους. Ωστόσο ο προγραμματισμός για την ένταξη τους σε αυτό το προτεινόμενο δίκτυο θα ήταν πολύ απλός. Οι τελικές συσκευές θα λειτουργούσαν σαν δρομολογητές, με την διαφορά ότι δεν θα υποστήριζαν δρομολόγηση και θα άνοιγαν μόνο για τη δική τους χρονοθυρίδα. Επιπλέον δεν θα έστελναν ραδιοφάρους σύνδεσης και χρονισμού. Θα έπρεπε ωστόσο να ανοίγουν για ένα μικρό χρονικό διάστημα στο τέλος του TS0 για τον συγχρονισμό τους με την συσκευή γονιό. 7.4 Η ΜΕΘΟΔΟΣ ΜΕΙΩΣΗΣ ΜΕ ΧΡΟΝΙΚΟ ΕΛΕΓΧΟ Μια άλλη μέθοδος που προτείνεται για την μείωση της κατανάλωσης είναι αυτή των Arun Viswanathan, Terrance Boult (Power Conservation in ZigBee Networks using Temporal Control) [B1] που εφαρμογή της φαίνεται στο σχήμα 33. Σχήμα 33. Εφαρμογή μεθόδου μείωσης κατανάλωσης με χρονικό έλεγχο

57 Και σε αυτή την μέθοδο χρησιμοποιούνται χρονοθυρίδες, με την διαφορά ότι σε αυτή την περίπτωση, όταν έρθει η στιγμή για την εκπομπή δεδομένων, όλες οι συσκευές που απαιτούνται για την δρομολόγηση, δημιουργούν από την αρχή το δίκτυο ZigBee και με την ολοκλήρωση της αποστολής το καταστρέφουν. Στα ενδιάμεσα χρονικά διαστήματα, οι συσκευές μπορούν να κοιμούνται ή να συγκεντρώνουν δεδομένα για την αποστολή τους στο μέλλον. 7.5 ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ - ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΜΕΤΑΞΥ ΜΕΘΟΔΩΝ Στον πίνακα που ακολουθεί φαίνονται οι μετρήσεις κατανάλωσης ενέργειας των επιμέρους ολοκληρωμένων και εξωτερικών στοιχείων του συντονιστή και των δρομολογητών σε κάθε φάση λειτουργίας. Οι μετρήσεις δείχνουν την κατανάλωση ρεύματος, που μπορεί να ανάχθει σε κατανάλωση ισχύος με τον πολλαπλασιασμό επί την σταθερή τάση λειτουργίας όλου του κυκλώματος που είναι τα 3,3V. Ολοκληρωμένο σε λειτουργία Κατανάλωση(mA) MAX3232 σε κατάσταση IDLE 3,65 MAX3232 κατά την αποστολή 4,1 Πράσινο Led 3,23 Κίτρινο Led 3,54 CC2420 κατά την λήψη ή αναμονή 19,9 CC2420 κατά την αποστολή 12,5 CC2420 με VREG off 0 TC77 κατά την δειγματοληψία 0,3 TC77 σε αναμονή 0 MCU στην main loop 5,4 MCU σε sleep με timer1 0,48 MCU σε sleep χωρίς timer1 0 Πίνακας 13. Η κατανάλωση στα διάφορα στάδια. Χρησιμοποιώντας τις τιμές κατανάλωσης και λαμβάνοντας υπόψιν τους χρόνους που απαιτούνται για την ολοκλήρωση κάθε σταδίου βρίσκουμε την συνολική κατανάλωση της κάθε μεθόδου. Στον πίνακα 14 φαίνονται οι τιμές μέσης κατανάλωσης που μετρήθηκαν με τις διαφορετικές μεθόδους για την τοπολογία 1 που φαίνεται στο σχήμα 25. Στον πίνακα 15 φαίνονται οι τιμές μέσης κατανάλωσης που μετρήθηκαν με τις διαφορετικές μεθόδους για την τοπολογία 2 που φαίνεται στο σχήμα 26. Στις συσκευές είχε απενεργοποιηθεί η λειτουργία της RS-232 επικοινωνίας και των led για την εύρεση της ελάχιστης κατανάλωσης. Για την μέτρηση χρησιμοποιήθηκε χρονοθυρίδα διάρκειας 5 δευτερολέπτων (αρχική τιμή του counter 0xB000 και συχνότητα λειτουργίας 32,768kHz / 8 εξαιτίας του prescaler) και για δεδομένα ένα string array με την τιμή της θερμοκρασίας. Ο συνολικός χρόνος παρατήρησης ήταν 2 κύκλοι χρονοθυρίδων. Μέθοδος/Συσκευή Μέση Κατανάλωση(mA)

58 ZigBee Συντονιστής 25,4 ZigBee Δρομολογητής 1 25,2 ZigBee Δρομολογητής 2 25,2 Χρονοθυρίδων Συντονιστής 10,5 Χρονοθυρίδων Δρομολογητής 1 7 Χρονοθυρίδων Δρομολογητής 2 7 Χρονοθυρίδων Συντονιστής * 5,1 Χρονοθυρίδων Δρομολογητής 1 * 4,8 Νέα Μέθοδος Δρομολογητής 2 * 4,8 Πίνακας 14. Μέση κατανάλωση των συσκευών στην τοπολογία ,4 25,2 25,2 Μέση Κατανάλωση , ,1 4,8 4,8 ZigBee Χρονοθυρίδες Χρονοθυρίδες * Αριθμός Συσκευής Σχήμα 34. Σύγκριση κατανάλωσης μεθόδων τοπολογίας 1 Μέθοδος/Συσκευή Μέση Κατανάλωση(mA) ZigBee Συντονιστής 25,4 ZigBee Δρομολογητής (tree level 1) 25,2 ZigBee Δρομολογητής (tree level 2) 25,2 Χρονοθυρίδες Συντονιστής 10,5 Χρονοθυρίδες Δρομολογητής 1 10,5 Χρονοθυρίδες Δρομολογητής 2 7 Χρονοθυρίδες Συντονιστής * 5,1 Χρονοθυρίδες Δρομολογητής 1 * 4,8 Χρονοθυρίδες Δρομολογητής 2 * 4,8 Πίνακας 15. Μέση κατανάλωση των συσκευών στην τοπολογία

59 Μέση Κατανάλωση ,4 25,2 25,2 10,5 10,5 7 5,1 4,8 4, Αριθμός Συσκευής ZigBee Χρονοθυρίδες Χρονοθυρίδες* Σχήμα 35. Σύγκριση κατανάλωσης μεθόδων τοπολογίας 1 Στις συσκευές με αστερίσκο * χρησιμοποιήθηκε η τεχνική της παύσης λειτουργίας δέκτη με την ολοκλήρωση της λήψης των δεδομένων. Η τεχνική χρονικού ελέγχου δεν χρησιμοποιήθηκε αλλά θα παρουσιαστεί και θα συγκριθεί στην συνέχεια με το πρόγραμμα προσομοίωσης. Ωστόσο η υλοποίησή της έχει αρκετά προβλήματα. Σημαντικότερο είναι, η απαίτηση για συνεχή δημιουργία του δικτύου που σημαίνει συνεχής εγγραφές και σβήσιμο στην μη πτητική flash μνήμη. Ωστόσο η μνήμη αυτή έχει συγκεκριμένο αριθμό μέγιστων επανεγγραφών πριν καταστραφεί. Έτσι η τεχνική αυτή οδηγεί στην χρήση άλλου τύπου μνήμης που πιθανότατα απαιτεί τροφοδοσία για την διατήρηση των δεδομένων. (Αυτό οδηγεί σε αντίθεση με το πρωτόκολλο ZigBee που απαιτεί μόνιμη αποθήκευση των πινάκων). Στην συνέχεια παρουσιάζονται οι έξοδοι στην κονσόλα του υπολογιστή εάν συνδεθεί σειριακά με κάθε κόμβο. ************** ZigBee Stack v Coordinator CC2420 Trying to start network... PAN 1D65 started successfully. Joining permitted. TimeSlot 00 Sent Connection beacon... Sending time beacon TimeSlot 01 Disabling CC2420 TimeSlot 02 TimeSlot 03 TimeSlot 04 TimeSlot 05 TimeSlot 06 TimeSlot 07 TimeSlot 08 TimeSlot 00 Enabling CC2420 Sent Connection beacon... Sending time beacon TimeSlot 01 Disabling CC2420 TimeSlot 02 TimeSlot 03 TimeSlot 04 TimeSlot 05 TimeSlot 06 TimeSlot 07 TimeSlot 08 Πλαίσιο 2. Λειτουργία Συντονιστή χωρίς συνδεδεμένους δρομολογητές. Στο πλαίσιο 2 φαίνεται η εκκίνηση της λειτουργίας του συντονιστή και η λειτουργία των χρονοθυρίδων χωρίς να έχει συνδεθεί κάποια άλλη συσκευή

60 TimeSlot 00 Sent Connection beacon... Node 0001 just joined. Num of routers joined 02 Num of children 02 Timeslots02 Message sent successfully. Timeslot Requested and given.07 Message sent successfully. Sending time beacon TimeSlot 00 Enabling CC2420 Sent Connection beacon... Sending time beacon TimeSlot 01 TimeSlot 02 Received C TimeSlot 03 Received C TimeSlot 04 Disabling CC2420 TimeSlot 05 TimeSlot 06 TimeSlot 07 TimeSlot 08 Πλαίσιο 3. Σύνδεση συσκευών στον συντονιστή Στο πλαίσιο 3 φαίνεται η σύνδεση δύο νέων συσκευής στο δίκτυο. Η μια συνδέθηκε απευθείας στον συντονιστή (0002) και της δόθηκε η χρονοθυρίδα 0x01 ( ) και η δεύτερη συνδέθηκε μέσω άλλου δρομολογητή και ζήτηση χρονοθυρίδα. Της ανατέθηκε η χρονοθυρίδα 0x04 ( ). Έτσι οι χρονοθυρίδες του συντονιστή είναι πλέον (0x x07). Πλέον στις χρονοθυρίδες 2 και 3 φαίνεται η λήψη των δεδομένων από τις νέες συσκευές. ***** Router - v CC2420 Waiting for connection beacon Trying to join network as a new device... Network(s) found. Trying to join 016D. Join successful as device Router Started! Enabling joins... Joining permitted. Timeslot arrived TimeSlot 00 Enabling CC2420 Sending connection beacon... Time beacon frame arrived Sending beacon... TimeSlot CSending temperature message. TimeSlot 02 Disabling CC2420 TimeSlot 03 TimeSlot 04 TimeSlot 05 TimeSlot 06 TimeSlot 07 TimeSlot 08 Πλαίσιο 4. Λειτουργία δρομολογητή Στο πλαίσιο 4 φαίνεται η εκκίνηση της λειτουργίας του δρομολογητή. Με την λήψη του ραδιοφάρου σύνδεσης γίνεται σύνδεση στο δίκτυο και λήψη της χρονοθυρίδας. Στην συνέχεια στην συγκεκριμένη χρονοθυρίδα γίνεται η αποστολή των δεδομένων

61 TimeSlot 00 Enabling CC2420 Sending connection beacon... Node A001 just joined. Requesting Timeslot. Timeslot arrived. Sending Timeslot. 01Time beacon frame arrived Sending beacon... Πλαίσιο 5. Σύνδεση νέας συσκευής στον δρομολογητή. Στο πλαίσιο 5 φαίνεται η σύνδεση μιας νέας συσκευής (A001) στον δρομολογητή. Στην συνέχεια γίνεται αίτηση νέας χρονοθυρίδας από τον συντονιστή και αποστολή της στην νέα συσκευή

62 8 ΤΟ ΛΟΓΙΣΜΙΚΟ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ 8.1 ΓΕΝΙΚΑ ΓΙΑ ΤΟ ΛΟΓΙΣΜΙΚΟ Στα πλαίσια της διπλωματικής έγινε ανάπτυξη ενός λογισμικό προσομοίωσης τοπολογιών ZigBee δικτύων διαφορετικών τεχνικών για την μέτρηση της μέσης κατανάλωσης σε ένα χρονικό διάστημα - ZigBeeSIM. Το πρόγραμμα αναπτύχθηκε στην γλώσσα προγραμματισμού Visual C++.Net. Το πρόγραμμα φαίνεται στην εικόνα 7. Εικόνα 7. Το πρόγραμμα προσομοίωσης Για την προσομοίωση χρησιμοποιούνται τρεις τεχνικές. Η απλή επικοινωνία βάση του πρωτοκόλλου ZigBee, η μέθοδος που προτείνεται για την βελτίωση της κατανάλωσης με χρονικό έλεγχο που είναι ZigBee συμβατή και η νέα προτεινόμενη μέθοδος χρονοθυρίδων αυτής της εργασίας. 8.2 ΟΙ ΕΠΙΛΟΓΕΣ ΤΟΥ ΛΟΓΙΣΜΙΚΟΥ Στην εικόνα 8 φαίνεται το πρόγραμμα με νούμερα για τα κουμπιά και τις περιοχές ενδιαφέροντος που θα εξηγηθούν στην συνέχεια. Ο ΧΩΡΟΣ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΥ Η περιοχή 1 είναι ο χώρος σχεδιασμού της τοπολογίας που θέλουμε να μελετήσουμε. Σε αυτή με τον κέρσορα τοποθετούμε τις συσκευές στην θέση που θέλουμε για την υλοποίηση της τοπολογίας. Με κίτρινο χρώμα και νούμερο 0 βρίσκεται πάντα ο συντονιστής του δικτύου, με λευκό οι δρομολογητές, και με κόκκινο οι τελικές συσκευές. Κατά την διάρκεια του σχεδιασμού της τοπολογίας δεν υπάρχουν οι γραμμές που φαίνονται στο σχήμα 101 και δείχνουν την σύνδεση των συσκευών με τοπολογία δέντρου

63 Εικόνα 8. ΤΟ ΤΟΠΙΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ Το κουμπί 2 με όνομα Local Schedule ανοίγει το παράθυρο επιλογών της εικόνας 9. Εικόνα 9. Το παράθυρο Local Schedule Σε αυτό το παράθυρο υπάρχουν επιλογές που χρησιμοποιούνται από τις μεθόδους χρονικού ελέγχου και απλού δικτύου ZigBee για την λήψη δεδομένων. Συγκεκριμένα υπάρχει η επιλογή για το ανά πόσα δευτερόλεπτα πρέπει να γίνεται δειγματοληψία και πόσα είναι τα δεδομένα που παίρνονται από αυτήν. Η επιλογή για τα byte των δεδομένων χρησιμοποιείται και από την νέα προτεινόμενη μέθοδο. ΤΟ ΠΑΡΑΘΥΡΟ ΡΥΘΜΙΣΕΩΝ Το κουμπί 3 ανοίγει το παράθυρο των ρυθμίσεων όπου δίνονται οι ρυθμίσεις για όλους τις παραμέτρους που χρησιμοποιούνται στην προσομοίωση. Αυτό φαίνεται στην εικόνα

64 Εικόνα 10. Το παράθυρο των ρυθμίσεων Σε αυτό το παράθυρο δίνονται οι τιμές για τον ρυθμό αποστολής δεδομένων σε kbps, και τις καταναλώσεις για ανοικτό δέκτη, για την εκπομπή, της αδράνειας του μικροελεγκτή, της κατάστασης ύπνου. Υπάρχουν οι επιλογές που χρησιμοποιούνται από την μέθοδο χρονικού ελέγχου του χρόνου για την επαναδημιουργία του δικτύου και της μέσης κατανάλωσης σε αυτή την χρονική διάρκεια. Η επιπλέον αυτή κατανάλωση, δικαιολογείται λόγω της εγγραφής στην μη πτητική μνήμη και της αυξημένης κινητικότητας στο δίκτυο. Επιπλέον υπάρχει η κατανάλωση λόγω δειγματοληψίας (λόγω της κατανάλωσης των A/D ή εξωτερικών ολοκληρωμένων αισθητήρων) και ο χρόνος λήψης. Τέλος υπάρχουν οι χρόνοι για την διάρκεια της προσομοίωσης από το πρόγραμμα, της περιόδου για την αποστολή δεδομένων (για τα Temporal control απλό ZigBee μόνο). Για την νέα προτεινόμενη μέθοδο υπάρχουν οι εξής επιπλέον παράμετροι που πρέπει να ρυθμιστούν. Ο αριθμός των χρονοθυρίδων, η μέση κατανάλωση ρεύματος κατά την διάρκεια αποστολής ενός ραδιοφάρου και ο χρόνος που απαιτείται, και η διάρκεια της χρονοθυρίδας. Υπάρχει επίσης επιλογή για λήψη δεδομένων σε κάθε χρονοθυρίδα ή μόνο στην μια χρονοθυρίδα της αποστολής. Στην πρώτη περίπτωση εννοείται πως υπάρχει προσωρινή αποθήκευση και αποστολή όλων μαζί στην κατάλληλη χρονοθυρίδα. Τέλος υπάρχει η επιλογή για κλείσιμο του δέκτη με την ολοκλήρωση της αποστολής-λήψης δεδομένων και όχι στο τέλος της χρονοθυρίδας. Αυτό βελτιώνει την κατανάλωση ρεύματος και χρησιμοποιείται και από την μέθοδο του χρονικού ελέγχου αλλά δεν επιτρέπει την αμφίδρομη επικοινωνία των συσκευών. Μια λύση θα μπορούσε να είναι η αποστολή εντολής από τον συντονιστή για το κλείσιμο του δέκτη εάν δεν υπάρχει εκκρεμότητα

65 ΤΟ ΠΑΡΑΘΥΡΟ ΝΕΟΥ ΔΡΟΜΟΛΟΓΗΤΗ / ΤΕΛ. ΣΥΣΚΕΥΗΣ Το κουμπί 4 ανοίγει το παράθυρο εισαγωγής νέου δρομολογητή ή τελικής συσκευής όπως φαίνεται στην εικόνα 11. Εικόνα 11. Το παράθυρο εισαγωγής νέου δρομολογητή/τελικής συσκευής Σε αυτό το παράθυρό δίνονται οι X,Y συντεταγμένες της νέας συσκευής για την τοποθέτησή του στον χώρο σχεδιασμού. ΤΟ ΠΑΡΑΘΥΡΟ ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑΣ ΤΟΠΟΛΟΓΙΑΣ ΠΛΕΓΜΑΤΟΣ Το κουμπί 5 ανοίγει το παράθυρο δημιουργίας πλέγματος συσκευών που φαίνεται στην εικόνα 12. Εικόνα 12. Παράθυρο δημιουργίας πλέγματος Εικόνα 13. Το πλέγμα 4*4 Σε αυτό το παράθυρο δίνονται οι συσκευές που θέλουμε για τον άξονα x και y και η ενδιάμεση απόσταση μεταξύ τους κατά τους άξονες x και y. Γίνεται επιπλέον η τοποθέτηση του συντονιστή στην θέση που ορίζουμε εμείς (x,y) και η μετακίνηση όλου του πλέγματος κατά x,y στον χώρο σχεδίασης από την αρχική θέση 0,0. Επιπλέον υπάρχει η επιλογή για δημιουργία τελικών συσκευών στις εξωτερικές θέσεις του πλέγματος ή όχι. Στην εικόνα 13 φαίνεται το πλέγμα που δημιουργείται με τις παραμέτρους που φαίνονται στην εικόνα 12. ΤΟ ΚΟΥΜΠΙ ΤΟΠΟΘΕΤΗΣΗΣ ΔΡΟΜΟΛΟΓΗΤΗ/ΤΕΛ. ΣΥΣΚΕΥΗΣ Το κουμπί 6 αλλάζει την επιλογή από τοποθέτηση δρομολογητή σε τοποθέτηση τελικής συσκευής και το ανάποδο, σε κάθε πάτημά του. Ανάλογα με την ένδειξη που έχει, πάτημα στον χώρο σχεδιασμού με τον κέρσορα θα δημιουργήσει την αντίστοιχη συσκευή. Η ΜΕΓΙΣΤΗ ΑΠΟΣΤΑΣΗ ΣΥΝΔΕΣΗΣ

66 Στην επιλογή της θέσης 7 εισάγουμε την μέγιστη απόσταση για την οποία μπορεί να υπάρξει σύνδεση δύο συσκευών στον χώρο σχεδίασης. Δηλαδή για την προσομοίωση αποτελεί την εμβέλεια των συσκευών. ΚΟΥΜΠΙ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΥ ΣΥΝΔΕΣΕΩΝ Το πάτημα του κουμπιού 8 δημιουργεί τις συνδέσεις μεταξύ των συσκευών για την δημιουργία του δικτύου. Κάθε συσκευή συνδέεται με την συσκευή που βρίσκεται ψηλότερα στην ιεραρχία δέντρου και βρίσκεται εντός της εμβέλειάς της που ορίστηκε στο 7. ΚΟΥΜΠΙ ΕΚΚΑΘΑΡΙΣΗΣ ΟΛΩΝ Πάτημα του κουμπιού 9 σβήνει όλες τις συσκευές από τον χώρο σχεδίασης. ΚΟΥΜΠΙ ΕΝΑΡΞΗΣ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ Πάτημα του κουμπιού 10 ξεκινά την προσομοίωση ανοίγοντας το παράθυρο προσομοίωσης που θα εξηγηθεί στην ενότητα 8.3. Δημιουργεί τρία αρχεία (temp.zsf, temp2.zsf, temp3.zsf) που περιέχουν τα δεδομένα προσομοίωσης. ΜΕΝΟΥ ΕΠΙΛΟΓΩΝ ΑΡΧΕΙΟΥ Στο μενού 11 υπάρχουν οι επιλογές για δημιουργία νέας τοπολογίας και ρυθμίσεων, την αποθήκευση σε αρχείο των υπαρχόντων (αρχεία τύπου sim) και την ανάκτηση από αρχείο παλαιότερων. 8.3 Η ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΜΕ ΤΟ ΛΟΓΙΣΜΙΚΟ Το παράθυρο της προσομοίωσης δίνει τα διαγράμματα κατανάλωσης της κάθε συσκευής στο δίκτυο καθώς και την μέση τιμής της. Επιπλέον υπάρχει δυνατότητα εξαγωγής σε αρχείο όλων των τιμών κατανάλωσης για όλες τις συσκευές. Στην εικόνα 14 φαίνεται το παράθυρο προσομοίωσης. Εικόνα 14. Το παράθυρο προσομοίωσης

67 Στις θέσεις 1, 2, 3 φαίνονται τα τρία διαγράμματα που έχουν επιλεχθεί από τις λίστες. Στο παράθυρο μπορούν να φανούν μόνο μέχρι τρία διαγράμματα κάθε φορά. Τα διαγράμματα δίνουν τις τιμές της κατανάλωσης σε κάθε χρονική στιγμή. Στη θέση 4 φαίνεται η θέση του κέρσορα όπου δίνονται οι τιμές χρόνου, κατανάλωσης. Στη θέση 5 φαίνονται οι μέσες τιμές κατανάλωσης για τις τρεις συσκευές που έχουν επιλεχθεί. Στην θέση 6 βρίσκονται οι τρεις λίστες επιλογής συσκευών. Κάθε λίστα χρησιμοποιεί την δική της μέθοδο προσομοίωσης από τις τρεις διαθέσιμες (απλή ZigBee, με χρονικό έλεγχο, νέα προτεινόμενη μέθοδο) για την προσομοίωση κάθε συσκευής του δικτύου. Έτσι μπορούν να γίνουν οι συγκρίσεις των διαφορετικών μεθόδων. Μπορούν να επιλεγούν έως τρεις συνολικά συσκευές, ανεξαρτήτου στήλης. Το κουμπί 7 δημιουργεί ένα αρχείο (results.txt) που περιλαμβάνει όλες τις τιμές κατανάλωσης για κάθε συσκευή. Πλαίσιο 6. Zigbee Network Simulation Results File Created at 13:10:36 16/6/2008 Non temporal results NODE 0 mean consumption : NODE 1 mean consumption : NODE 2 mean consumption : NODE 3 mean consumption : Temporal results NODE 0 mean temporal consumption : NODE 1 mean temporal consumption : NODE 2 mean temporal consumption : NODE 3 mean temporal consumption : New Method Results NODE 0 mean new method consumption : NODE 1 mean new method consumption : NODE 2 mean new method consumption : NODE 3 mean new method consumption : Πλαίσιο 6. Το αρχείο results.txt 8.4 Η ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΤΩΝ ΤΟΠΟΛΟΓΙΩΝ Στην συνέχεια παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της προσομοίωσης των δύο τοπολογιών που κατασκευάστηκαν και στην πράξη για τις 3 διαφορετικές μεθόδους ΤΟΠΟΛΟΓΙΑ 1 Στην εικόνα 15 φαίνεται η τοπολογία 1 που σχεδιάστηκε στο πρόγραμμα προσομοίωσης. Εικόνα 15. Η τοπολογία 1 όπως σχεδιάστηκε στον προσομοιωτή

68 Στις εικόνες που ακολουθούν φαίνονται τα διαγράμματα προσομοίωσης για τις τέσσερις μεθόδους (ZigBee, χρονικού ελέγχου, νέες μέθοδοι με ανοιχτό ή κλειστό τον δέκτη μετά την λήψη των δεδομένων) Εικόνα 16. Μέθοδος ZigBee Εικόνα 17. Μέθοδος χρονικού ελέγχου Εικόνα 18. Η μέθοδος χρονοθυρίδων. Εικόνα 19. Μέθοδος Χρονοθυρίδων 2. Στον πίνακα 16 που ακολουθεί φαίνονται συγκεντρωτικά τα αποτελέσματα για την μέση κατανάλωση. Μέθοδος Συντονιστής Δρομολογητής 1 Δρομολογητής 2 ZigBee 25,45 25,42 25,41 Χρονικού Ελέγχου 25,64 6,58 6,59 Χρονοθυρίδων 11,63 8,03 7 Χρονοθυρίδων 2. 5,62 5,14 4,97 Πίνακας

69 ΤΟΠΟΛΟΓΙΑ 2 Στην εικόνα 19 φαίνεται η τοπολογία 2 που σχεδιάστηκε στο πρόγραμμα προσομοίωσης. Σχήμα 19. Η τοπολογία 2 όπως σχεδιάστηκε στον προσομοιωτή. Στις εικόνες που ακολουθούν φαίνονται τα διαγράμματα προσομοίωσης για τις τέσσερις μεθόδους (ZigBee, χρονικού ελέγχου, νέες μέθοδοι με ανοιχτό ή κλειστό τον δέκτη μετά την λήψη των δεδομένων). Εικόνα 20. Μέθοδος ZigBee Εικόνα 21. Μέθοδος χρονικού ελέγχου Εικόνα 22. Η μέθοδος χρονοθυρίδων. Εικόνα 23. Μέθοδος χρονοθυρίδων

70 Στον πίνακα 17 που ακολουθεί φαίνονται συγκεντρωτικά τα αποτελέσματα για την μέση κατανάλωση. Μέθοδος Συντονιστής Δρομολογητής 1 Δρομολογητής 2 ZigBee 25,45 25,30 25,42 Χρονικού Ελέγχου 25,64 7,95 6,58 Χρονοθυρίδων 10,39 10,4 7,08 Χρονοθυρίδων 2. 5,84 5,91 5,04 Πίνακας ΤΟΠΟΛΟΓΙΕΣ ΠΟΛΛΩΝ ΚΟΜΒΩΝ Στην συνέχεια παρουσιάζονται τοπολογίες περισσοτέρων κόμβων για τον υπολογισμό της βελτίωσης σε μεγαλύτερα δίκτυα. Στην εικόνα 24 φαίνεται η τοπολογία που μελετήθηκε. Εικόνα 24. Μέθοδος\Συσκευή ZigBee 25,44 25,22 25,41 25,45 25,12 25,45 25,31 25,41 Χρονικού Ελέγχου 26,09 8,72 6,58 6,23 9,79 6,24 7,72 6,57 Χρονοθυρίδων 22,83 12,76 7,07 7,07 13,66 7,07 9,44 7,14 Χρονοθυρίδων 2. 10,22 9,88 8,49 5,04 7,28 5,04 5,81 5,11 Πίνακας 18. Τα προηγούμενα αποτελέσματα πάρθηκαν με χρήση 8 χρονοθυρίδων των 5 δευτερολέπτων για την μέθοδο των χρονοθυρίδων και με αποστολή δεδομένων ανά 45 δευτερόλεπτα για την μέθοδο χρονικού ελέγχου. Εάν η εφαρμογή το επιτρέπει μπορεί να αυξηθεί ο αριθμός των χρονοθυρίδων, μειώνοντας έτσι την συχνότητα αποστολής δεδομένων. Έτσι με χρήση 16 χρονοθυρίδων των 5 δευτερολέπτων (αποστολή δεδομένων ανά 85 δευτερόλεπτα) πήραμε τα αποτελέσματα που φαίνονται στον πίνακα 19. Μέθοδος\Συσκευή ZigBee 25,44 25,27 25,44 25,43 25,19 25,43 25,36 25,44 Χρονικού Ελέγχου 25,75 7,48 6,02 6,02 8,26 6,03 6,74 6,01 Χρονοθυρίδων 12,18 9,49 3,65 3,65 6,75 3,65 4,86 3,68 Χρονοθυρίδων 2 8,31 4,08 2,69 2,69 4,79 2,69 3,4 2,72 Πίνακας