Θέμα: Προηγμένες Τεχνικές για την Παρακολούθηση και τον Έλεγχο Κτιριακών Ενεργειακών Καταναλώσεων

Transcript

1 Διατμηματικό Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών «Κατανεμημένη πράσινη ηλεκτρική ενέργεια και οι προηγμένες δικτυακές υποδομές για τη διαχείριση και την οικονομία της» Μεταπτυχιακή Διπλωματική Εργασία του Μάκκα Γεώργιου - Πάρι Διπλωματούχου Ηλεκτρολόγου Μηχανικού και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών Αριθμός Μητρώου: Θέμα: Προηγμένες Τεχνικές για την Παρακολούθηση και τον Έλεγχο Κτιριακών Ενεργειακών Καταναλώσεων Επιβλέπων Σύμβουλος Καθηγητής: Καθηγητής Κουμπιάς Σταύρος Αριθμός Διατριβής: Πάτρα, 24/01/2017

2 Πανεπιστήμιο Πατρών, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών [Μάκκας Γεώργιος - Πάρις] [2017] Με την επιφύλαξη παντός δικαιώματος Το σύνολο της εργασίας αποτελεί πρωτότυπο έργο, παραχθέν από τον Μάκκαν Γεώργιο - Πάρι, και δεν παραβιάζει δικαιώματα τρίτων καθ οιονδήποτε τρόπο. Αν η εργασία περιέχει υλικό, το οποίο δεν έχει παραχθεί από τον/ην ίδιο/α, αυτό είναι ευδιάκριτο και αναφέρεται ρητώς εντός του κειμένου της εργασίας ως προϊόν εργασίας τρίτου, σημειώνοντας με παρομοίως σαφή τρόπο τα στοιχεία ταυτοποίησής του, ενώ παράλληλα βεβαιώνει πως στην περίπτωση χρήσης αυτούσιων γραφικών αναπαραστάσεων, εικόνων, γραφημάτων κλπ., έχει λάβει τη χωρίς περιορισμούς άδεια του κατόχου των πνευματικών δικαιωμάτων για την συμπερίληψη και επακόλουθη δημοσίευση του υλικού αυτού.

3 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η Μεταπτυχιακή Διπλωματική Εργασία με θέμα: «Προηγμένες Τεχνικές για την Παρακολούθηση και τον Έλεγχο Κτιριακών Ενεργειακών Καταναλώσεων» του κ. Μάκκα Γεώργιου Πάρι, Διπλωματούχου (Πτυχιούχου) Ηλεκτρολόγου Μηχανικού και Τεχνολογίας Υπολογιστών παρουσιάστηκε δημοσίως στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών του Πανεπιστημίου Πατρών στις 24/01/2017 και εξετάστηκε και εγκρίθηκε από την ακόλουθη Εξεταστική Επιτροπή: Σ. Κουμπιάς, Καθηγητής Πανεπιστημίου Πατρών, Επιβλέπων Καθηγητής Α. Αλεξανδρίδης, Καθηγητής Πανεπιστημίου Πατρών, Μέλος τριμελούς εξεταστικής επιτροπής Ε. Χούσος, Καθηγητής Πανεπιστημίου Πατρών, Μέλος τριμελούς εξεταστικής επιτροπής Πάτρα, 24/01/2017 Ο Επιβλέπων Σύμβουλος Καθηγητής Ο Διευθυντής του ΔΜΔΕ Καθηγητής Σ. Κουμπιάς Καθηγητής Ν. Βωβός

4

5 Ευχαριστίες Η διπλωματική αυτή εργασία αποτελεί το επιστέγασμα μιας συνεχόμενης προσπάθειας για την επίτευξη των ακαδημαϊκών στόχων, οι οποίοι είχαν τεθεί κατά την έναρξη της ακαδημαϊκής ζωής μου. Για την συμβολή τους στην επιτυχία αυτή οφείλω να ευχαριστήσω όλους εκείνους που μου παρείχαν τα απαραίτητα εφόδια. Θα ήθελα να ευχαριστήσω το τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Πατρών για τα συνεχόμενα χρόνια παροχής ακαδημαϊκών γνώσεων. Η σχολή αυτή αποτέλεσε τόπο αυτό-ανακάλυψης, τόσο σε ακαδημαϊκό, όσο και σε προσωπικό επίπεδο. Ακόμη, θα ήθελα να ευχαριστήσω τον επιβλέποντα καθηγητή μου Κουμπιά Σταύρο για την εμπιστοσύνη που μου έδειξε στην ανάληψη του έργου αυτού, καθώς και για την καθοδήγηση που παρείχε. Επίσης, θα ήθελα να ευχαριστήσω την διπλωματούχο του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Πατρών Μαρκοπούλου Βικτωρία, για την εξαιρετική δουλειά της διπλωματικής της εργασίας, μιας και αποτέλεσε την βάση για την υλοποίηση της εργασίας ετούτης. Να την ευχαριστήσω επίσης για τις συμβουλές της και για τον χρόνο της. Ένα μεγάλο ευχαριστώ από καρδιάς για τον Πέτρο, την Ελένη, την Ελπίδα, τον Ιάσονα και τον Ορέστη, για την παροχή στέγης, μα ακόμη περισσότερο υποστήριξης, σε έναν καιρό υπήρχε μεγάλη ανάγκη και για τα δύο. Τέλος, θα ήθελα να ευχαριστήσω την οικογένειά μου για την αμέριστη πίστη και υποστήριξη τους. 1

6 Πρόλογος Στην σύγχρονη εποχή των εξελιγμένων συστημάτων, όπου οι ανθρώπινες ανάγκες καλύπτονται με όλο και πιο δημιουργικές τεχνολογικές λύσεις, το πρόβλημα της ορθής κατανάλωσης ενέργειας απασχολεί όλο και περισσότερο. Στον διασυνδεδεμένο κόσμο του σήμερα, και ακόμη περισσότερο του αύριο, ο άνθρωπος-καταναλωτής οφείλει να βρει τον βέλτιστο τρόπο εκμετάλλευσης της διαθέσιμης ενέργειας, για οικονομικούς λόγους και όχι μόνο. Ένας από τους βασικούς τρόπους με τους οποίους μπορούν να δοθούν ορισμένες λύσεις σε τέτοια ερωτήματα είναι τα λεγόμενα «έξυπνα σπίτια». Πρόκειται για χώρους υπό τον πλήρη έλεγχο του χρήστη, όπου μπορεί να παρακολουθήσει ανά πάσα στιγμή καταναλώσεις, τιμές ενέργειας, να προγραμματίσει την λειτουργία των διαθέσιμων συσκευών και, γενικά, να προσαρμόσει το προφίλ κατανάλωσης στις δικές του ανάγκες. Σε αυτή την εργασία, πραγματοποιούνται κάποια πρώτα βήματα προς την κατεύθυνση ενός «έξυπνου σπιτιού» με την μελέτη και την αξιοποίηση της έννοιας του Internet-of- Things. Ένα προϋπάρχον δίκτυο Zigbee αναλύεται και προστίθεται σε αυτό λειτουργικότητα με την προσθήκη επιπλέον συσκευών σε αυτό. 2

7 Περίληψη Σε αυτή την διπλωματική εργασία επιτεύχθηκε η λήψη ενεργειακών δεδομένων, καθώς και ο έλεγχος μιας έξυπνης πρίζας Bizy Plug, χρησιμοποιώντας την στοίβα πρωτοκόλλου ασύρματων επικοινωνιών Zigbee. Για τον σκοπό αυτό, δημιουργήθηκε ένας κόμβος router με την χρήση ενός ενσωματωμένου υπολογιστικού συστήματος Waspmote της εταιρίας Libelium, ο οποίος προστέθηκε με επιτυχία στο προϋπάρχον δίκτυο Zigbee. Ακόμη, δημιουργήθηκε ένας κόμβος end-device, ο οποίος συνδέθηκε επιτυχώς στο δίκτυο και λειτούργησε σε Sleep Mode, σαν πρώτο καθοριστικό βήμα για μελλοντική επέκταση του δικτύου. 3

8 ABSTRACT In this thesis energy data measurement was achieved, along with the control of a smart plug Bizy Plug, using the wireless network protocol Zigbee. For this purpose, a router node was created using an embedded board Waspmote of Libelium, which was added to a preexisting network. Also, an end-device node was created, was successfully added to the network and was used in Sleep Mode, which was the first step for future network expansion. 4

9 Περιεχόμενα 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Σκοπός Εργασίας IoT (Internet-of-Things) Smart Grid (Έξυπνα Δίκτυα) Smart Home / Home Automation (Έξυπνο Σπίτι) IEEE (Zigbee) Εισαγωγή Στοίβα Πρωτοκόλλου Βασικά Χαρακτηριστικά Zigbee Τεχνικά Χαρακτηριστικά Zigbee Ασφάλεια Zigbee Μορφή Δικτύου Zigbee Λειτουργίες Δικτύου Zigbee Εφαρμογές Zigbee ΔΙΚΤΥΟ ZIGBEE Εισαγωγή PAN (Personal Area Network) Διευθύνσεις Συσκευών Operating Channel Mesh Topology Routing (Δρομολόγηση) Transmission API mode Υπηρεσίες Zigbee ΣΥΣΚΕΥΕΣ ΔΙΚΤΥΟΥ Εισαγωγή XBee PRO series Waspmote UART Dinrails Smart Plug ΕΠΙΠΕΔΟ ΕΦΑΡΜΟΓΗΣ

10 5.1 Εισαγωγή X-CTU Λήψη πληροφοριών μέσω API frames Clusters ΕΦΑΡΜΟΓΗ Εισαγωγή Αρχικοποιήσεις Προγραμματισμός Waspmote Συλλογή Δεδομένων Έλεγχος Sleep Mode Γραφική Αναπαράσταση Μετρήσεων ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Ανακεφαλαίωση Προοπτικές επέκτασης ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α HEADER MINE CONTROL CONTROL END-DEVICE ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

11 ΠΙΝΑΚΑΣ ΟΡΟΛΟΓΙΑΣ Internet-of-Things Machine-to-Machine Wireless Sensor Networks Zigbee Mesh topology Sleep mode Beacon mode Advanced Encryption Standard Zigbee Node Endpoint Cluster Smart Plug Dinrail Η διασύνδεση φυσικών συσκευών (αισθητήρες, οχήματα, δρομολογητές κλπ) για την ανταλλαγή πληροφοριών και την σύνδεση με το παγκόσμιο δίκτυο. Άμεση επικοινωνία μεταξύ συσκευών δίχως την ανθρώπινη συμμετοχή. Ασύρματα δίκτυα αισθητήρων Στοίβα πρωτοκόλλων για την επικοινωνία μεταξύ συσκευών IoT. Τοπολογία ad-hoc, όπου κάθε κόμβος βοηθά στην μετάδοση δεδομένων στο δίκτυο. Λειτουργία χαμηλής κατανάλωσης για την εξοικονόμηση ενέργειας σε διαστήματα αδράνειας της συσκευής. Λειτουργία συγχρονισμού του ασύρματου δικτύου Zigbee. Κρυπτογραφικό πρότυπο επικοινωνίας. Κόμβος του δικτύου Zigbee. Χαρακτηριστικό συσκευής του δικτύου Zigbee. Περιλαμβάνει σύνολα Cluster. Χαρακτηριστικό συσκευής του δικτύου Zigbee. Καθένα υλοποιεί μια λειτουργία της συσκευής. Πρίζα με την δυνατότητα αποστολής και λήψης πληροφοριών. Δυνατότητα ελέγχου της λειτουργίας της. Συσκευή λήψης πληροφοριών από ηλεκτρικούς πίνακες, με δυνατότητα αποστολής των πληροφοριών αυτών. Δυνατότητα ελέγχου της λειτουργίας της. 7

12 ΠΙΝΑΚΑΣ ΣΥΝΤΟΜΕΥΣΕΩΝ IoT M2M WSN OSI PHY MAC NWK APL APS ZDO CSMA-CA CRC FCS AES NIST ISM MIC SKKE AODV PAN RSSI ZDP ZCL UART Internet-of-Things Machine-to-Machine Wireless Sensor Networks Open Systems Interconnection Physical Layer Medium Access Control Layer Network Layer Application Layer Application Support Sublayer Zigbee Device Object Sense Multiple Access with Collision Avoidance Cyclic Redundancy Check Frame Checksum Advanced Encryption Standard National Institute of Standards and Technology Industrial, Scientific and Medical Radio Bands Message Integrity Code Shared-Secret Key Establishment Ad-hoc On demand Distance Vector Personal Area Network Received Signal Strength Indication Zigbee Device Profile Zigbee Cluster Library Universal Serial Receiver Transmitter 8

13 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.1 Σκοπός Εργασίας Σκοπός της παρούσας μεταπτυχιακής διπλωματικής εργασίας είναι η επέκταση των δυνατοτήτων του ασύρματου δικτύου που λειτουργεί στον χώρο του εργαστηρίου «Ηλεκτρονικών εφαρμογών». Το ασύρματο δίκτυο είναι κατασκευασμένο στα πλαίσια του Home Automation προφίλ, ιδανικό για παρακολούθηση ενός μικρού οικιακού δικτύου. Στον χώρο του εργαστηρίου βρίσκονται τοποθετημένα 3 dinrails, μοιρασμένα σε τρεις ηλεκτρολογικούς πίνακες. Αυτά χρησιμοποιούνται για την λήψη των μετρήσεων ενεργειακής κατανάλωσης. Ακόμη, διατίθεται μια πρίζα σούκο SmartPlug, η οποία μπορεί να προμηθεύσει μετρήσεις κατανάλωσης ενέργειας, καθώς και να λειτουργήσει ως μέσο ελέγχου. Η παρούσα εργασία κάνει εκτεταμένη χρήση των διαθέσιμων λειτουργιών της SmartPlug για έλεγχο των συσκευών που τροφοδοτεί. Για την σχεδίαση του ασύρματου δικτύου και την εφαρμογή του Home Automation προφίλ χρησιμοποιήθηκε το πρωτόκολλο Zigbee (IEEE ), λόγω της ιδανικότητας του για εφαρμογές χαμηλού ρυθμού μετάδοσης δεδομένων και τις χαμηλές του ενεργειακές απαιτήσεις. Για την σύνδεση στο συγκεκριμένο δίκτυο, χρησιμοποιήθηκε ένα board waspmote ενσωματωμένου συστήματος Libelium. Το waspmote προγραμματίστηκε αρχικά σε λειτουργία ZigBee Router και στην συνέχεια σε ZigBee End-Device. Οι δυο μορφές είχανε διαφορετικό σκοπό. Ο ZigBee Router χρησιμοποιήθηκε για την λήψη δεδομένων και τον έλεγχο της λειτουργίας της SmartPlug, ενώ το End-Device χρησιμοποιήθηκε για την έλεγχο της λειτουργίας sleep, προκειμένου να επιτευχθεί λιγότερη ενεργειακή κατανάλωση του συστήματος. Στην συνέχεια παρατίθενται βασικές γνώσεις για την κατανόηση του ασύρματου συστήματος. 9

14 1.2 IoT (Internet-of-Things) Μια έννοια καινούργια όσο και ο εικοστός πρώτος αιώνας, το Internet of Things ήτανε ένα όραμα από της αρχές της δεκαετίας του 80. Ξεκινώντας από μια γενική ιδέα επικοινωνίας των συσκευών τεχνολογίας μεταξύ τους δίχως ανθρώπινη παρέμβαση και με δυνατότητα πρόσβασης στις λειτουργίες τους ανά πάσα στιγμή μέσω του διαδικτύου, το IoT έχει εξελίχθη σε κάτι πολύ περισσότερο, μέσω των τεχνολογιών που συνεχίζουν να αναπτύσσονται. Βρίσκεται ακόμη πολύ μακριά από το αρχικό όραμα των δισεκατομμυρίων διασυνδεδεμένων συσκευών, μα τα βήματα του είναι σταθερά και ιδιαιτέρως ενθαρρυντικά. Βασικά μέρη του IoT είναι οι επικοινωνίες Machine-to-Machine (M2M) και τα Wireless Sensor Networks (WSN). Οι επικοινωνίες M2M δεν είναι κάτι το καινούργιο, μιας και η ανταλλαγή πληροφοριών από την μια συσκευή δίχως την ανθρώπινη παρέμβαση είναι και ήταν κατασκευαστική λογική ατέλειωτων ηλεκτρονικών συστημάτων από την αρχή της εμφάνισης τους. Παρόλα αυτά, η εφαρμογή τους στο IoT εμφανίζει πολλές προκλήσεις, μιας και ο σχεδιαστής καλείται να επεκτείνει την επικοινωνία αυτή πέρα από τα όρια των μηχανών που συνδέονται και να την κάνει μέρος του ευρύτερου δικτύου, στην περίπτωση του IoT του δικτύου Internet. Τα Wireless Sensor Networks αποτελούν δίκτυα με σκοπό την συλλογή δεδομένων από τους χαμηλής κατανάλωσης κόμβους τους. Συνηθίζεται να αποτελούνται από λίγους κεντρικούς κόμβους με πολλές δυνατότητες, υπολογιστικές, δρομολόγησης και άλλες, και πολλούς κόμβους χαμηλών δυνατοτήτων, οι οποίοι έχουν μόνο τις απαραίτητες δυνατότητες για την λήψη πληροφοριών από το περιβάλλον και συντήρηση της λειτουργίας τους. Μετά την εγκατάστασή τους έχουν την δυνατότητα να διατηρήσουν την λειτουργία τους για μεγάλα χρονικά διαστήματα δίχως πρόβλημα. Τα WSN είναι βασικό στοιχείο του IoT, αποτελούν τα βασικά αισθητήρια όργανα για τις εφαρμογές που αναπτύσσονται. Δουλειά του σχεδιαστή είναι να συνδέσει το WSN στο ευρύτερο δίκτυο. Σε ιδανικό σενάριο IoT, μπορεί να υπάρξει παρακολούθηση του WSN από οποιαδήποτε απόσταση μέσω του διαδικτύου, καθώς και σιγουριά συντήρηση του δικτύου αισθητήρων. 10

15 1.3 Smart Grid (Έξυπνα Δίκτυα) Τα σύγχρονα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας δεν είναι σε καμία περίπτωση ιδανικά. Ο κεντρικός έλεγχος των συμβατικών δικτύων υπαγορεύει την λειτουργία του δικτύου με έναν συγκεκριμένο τρόπο, έτσι οι δυνατότητες εξέλιξής τους περιορίζονται από τις αρχικές κατασκευές τους, καθώς και από τις διάφορες νομοθεσίες. Για την αντιμετώπιση των διαφόρων προβλημάτων που προκύπτουν από την ραγδαία αύξηση της κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας έχει προταθεί η μετατροπή των συμβατικών δικτύων σε «Έξυπνα Δίκτυα». Σύμφωνα με τον Διεθνή Οργανισμό Ενέργειας (International Energy Agency), το έξυπνο δίκτυο ορίζεται ως: «Ένα ηλεκτρικό δίκτυο που χρησιμοποιεί ψηφιακές και άλλες προηγμένες τεχνολογίες για να παρακολουθεί και να διαχειρίζεται τη μεταφορά ενέργειας από όλες τις πηγές παραγωγής ώστε να ικανοποιεί τα μεταβαλλόμενα ηλεκτρικά φορτία των καταναλωτών. Τα έξυπνα δίκτυα συντονίζουν τις ανάγκες και τις δυνατότητες όλων των γεννητριών, τους χειριστές του δικτύου, τους καταναλωτές και όλους όσους σχετίζονται με την αγορά ηλεκτρικής ενέργειας για να λειτουργούν όλα τα μέρη του συστήματος όσο γίνεται πιο αποδοτικά, ελαχιστοποιώντας τα κόστη και τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις, ενώ μεγιστοποιεί την αξιοπιστία του συστήματος, την ευελιξία και την ευστάθεια» Τα Έξυπνα Δίκτυα επιδιώκουν να εξασφαλίσουν την καλύτερη διαχείριση της ηλεκτρικής ενέργειας. Μεγάλο μέρος αυτών είναι τα μικροδίκτυα (Microgrid), τα οποία αποτελούν μικρές ανεξάρτητες κυψέλες ηλεκτρικής παραγωγής και κατανάλωσης, οι οποίες έχουν την δυνατότατα από κοινού λειτουργία με το ευρύτερο δίκτυο ή την ανεξάρτητη λειτουργία τους. Για να μετατραπούν τα κλασσικά δίκτυα σε έξυπνα είναι απαραίτητη η ύπαρξη επεξεργαστικής ισχύς και αισθητήρων σε ολόκληρη σχεδόν την έκταση του δικτύου. Το Internet-of-Things είναι μια από τις τεχνολογίες οι οποίες είναι σε θέση να ικανοποιήσουνε τις απαιτήσεις αυτές, μιας και η ίδια τους η κατασκευή υπαγορεύει μια ανάλογη λειτουργία. Με χρήση, λοιπόν, των τεχνολογιών IoT, η επίβλεψη και ο έλεγχος του δικτύου θα γίνεται με μεγάλη ευκολία, αν όχι εξ ολοκλήρου, σε έναν πολύ μεγάλο βαθμό. 11

16 1.4 Smart Home / Home Automation (Έξυπνο Σπίτι) Στο παρελθόν οι ιστορίες επιστημονικής φαντασίας μιλούσανε για σπίτια στα οποία όλες οι ανάγκες της οικογένειας εξυπηρετούνται από το ίδιο το σπίτι, χρησιμοποιώντας φουτουριστικά μηχανήματα με υπερβολικά πολλά λαμπάκια σε διάφορα χρώματα. Είναι εντυπωσιακό το πόσο μικρό χρονικό διάστημα χρειάστηκε για την προσέγγιση ενός τέτοιου σπιτιού. Αν και βρισκόμαστε ακόμα μακριά από το ιδανικό «Έξυπνο Σπίτι», τα βήματα των τελευταίων ετών είναι αλματώδη προς την κατεύθυνσή του. Το προφίλ Home Automation αποτελεί το πρώτο μεγάλο βήμα προς την κατεύθυνση αυτή. Αποτελεί την επέκταση των δυνατοτήτων της οικίας μέσα από έλεγχο και αυτοματοποίηση. Αφορά όλες τις πιθανές μορφές αυτοματοποίησης της καθημερινότητας του σύγχρονου ανθρώπου. Ο φωτισμός, η θέρμανση, η λειτουργία των συσκευών, όλα είναι προϊόντα έρευνας στον τομέα του Home Automation. Βέβαια, η πιο βασική λειτουργία, καθώς και η πιο εύκολα υλοποιήσιμη, είναι η παρακολούθηση των ηλεκτρικών καταναλώσεων. Για την υλοποίηση μιας εφαρμογής Home Automation, είναι απαραίτητο να ληφθούν υπόψη τα κόστη εγκατάστασης, η ανθεκτικότητα της και η επεκτασιμότητα της. Κατ ουσία, πρόκειται για ένα ακόμη δίκτυο επικοινωνίας, το οποίο συνδέει όλες τις συσκευές μεταξύ τους, καθώς και με τον χρήστη του δικτύου. Στην ιδανική του μορφή, ο χρήστης έχει τον απόλυτο έλεγχο του χώρου του. Για την ρεαλιστική υλοποίηση των συστημάτων αυτών, το ερευνητικό ενδιαφέρον έχει στραφεί στα ασύρματα δίκτυα. Το χαμηλότερο κόστος και η ευκολότερη εγκατάσταση είναι από τα μεγάλα τους πλεονεκτήματα. Ένα ενσύρματο δίκτυο θα ήτανε μη πρακτικό και δύσκολα επεκτάσιμο. Η προσπάθεια είναι να διευκολυνθούν οι διαδικασίες και όχι να δυσχεραίνονται, κάτι που προφανώς θα γινόταν αν ο χώρος γέμιζε με καλώδια. Φυσικά, υφίστανται και εφαρμογές με ενσύρματες επικοινωνίες, μα αυτές προτιμούνται σε περίπτωση προ-εγκατάστασης και όχι κατασκευής δικτύου σε ήδη υπάρχοντα χώρο. Παραδείγματα πρωτοκόλλων ασυρμάτων δικτύων που μπορούν να χρησιμοποιηθούν είναι τα: IEEE (WLAN/Wi-Fi) 12

17 DASH7 6LowPAN IEEE (Zigbee) Bluetooth Z-Wave Για την προκείμενη εφαρμογή θα χρησιμοποιηθεί το πρωτόκολλο Zigbee. 13

18 14

19 2 IEEE (Zigbee) 2.1 Εισαγωγή Το Zigbee αποτελεί ένα στάνταρ ασύρματου δικτύου, το οποία χαρακτηρίζεται από χαμηλό κόστος και χαμηλή κατανάλωση. Αναπτύχθηκε από την Zigbee Alliance, μια μη-κερδοσκοπική συνεργασία μεταξύ οργανισμών για την δημιουργία ανοιχτών στάνταρ που στοχεύουν στην θεμελίωση των βάσεων για τον μέλλον του IoT. Η στοίβα πρωτοκόλλου Zigbee προορίζεται για χρήση σε εφαρμογές όπου οι συσκευές αναμένονται να έχουν μεγάλη χρονική διάρκεια λειτουργίας, όπως στα δίκτυα αισθητήρων. Χαρακτηρίζεται από το χαμηλό latency (ταχύτητα απόκρισης), πράγμα το οποίο βοηθά στην μείωση των ρευμάτων που απαιτούνται για την λειτουργία των συσκευών. Το Zigbee 2004 Specification ήταν η πρώτη μορφή της στοίβας που ανακοινώθηκε από την Zigbee Alliance τον Ιούνιο του Αποτελούσε το Specification 1.0 και η επίσημη ονομασία του ήταν IEEE Στην συνέχεια ανακοινώθηκε το ZigBee 2006 Specification, τον Σεπτέμβριο του 2006, το οποίο καταργούσε την προηγούμενη στοίβα. Η αρχική ονομασία του ήτανε b, μα η βιομηχανία το αποκάλεσε με το όνομα ΙΕΕΕ , σε αναλογία με την προηγούμενη έκδοση, αν και δεν επρόκειτο για εντελώς καινούργιο πρωτόκολλο, μονάχα μια αναθεώρηση του παλιού. Μερικές από τις αλλαγές ήτανε η μεγαλύτερη ευελιξία στην χρήση των συχνοτήτων, η βελτίωση της ασφάλειας, η εισαγωγή beacon scheduling, μεγαλύτερη ευελιξία του αλγόριθμου του καναλιού επικοινωνίας και άλλες. Τέλος, η πιο πρόσφατη εκδοχή της στοίβας είναι η ZigBee Pro Specification ή Zigbee 2007, που ανακοινώθηκε τον Οκτώβριο του Στοίβα Πρωτοκόλλου Η αρχιτεκτονική της στοίβας Zigbee αποτελείται από ένα σύνολο από blocks που ονομάζονται επίπεδα (layers). Το κάθε επίπεδο εκτελεί συγκεκριμένες υπηρεσίες για το επίπεδο το οποίο βρίσκεται από πάνω του. Το Zigbee ακολουθεί την διαστρωμάτωση κατά το μοντέλο OSI (Open Systems Interconnection), μα αντί για τα εφτά επίπεδα, έχει μονάχα τέσσερα. Τα επίπεδα PHY 15

20 (Physical Layer, φυσικό επίπεδο) και MAC (Medium Access Control Layer, επίπεδο ελέγχου προσπέλασης μέσου) αποτελούνε μέρος του IEEE και ορίζονται από αυτό. Η Zigbee Alliance προσέθεσε και άλλα δύο επίπεδα, το NWK (Network Layer, επίπεδο δικτύου) και το APL (Application Layer, επίπεδο εφαρμογής). Το πλαίσιο επιπέδου εφαρμογής APL χωρίζεται σε δύο υποεπίπεδα, το APS (Application Support Sublayer, υποστήριξης εφαρμογής) και το ZDO (Zigbee Device Object, αντικείμενα συσκευής Zigbee). Τα επίπεδα αυτά φαίνονται στην Εικόνα 2.1. Εικόνα Βασικά Χαρακτηριστικά Zigbee Από τα βασικά χαρακτηριστικά του Zigbee είναι, όπως προαναφέρθηκε, η χαμηλή κατανάλωση ισχύος και η φθηνή και εύκολη επεκτασιμότητα του. Με βάση τα τοπικά περιβαλλοντολογικά χαρακτηριστικά της εγκατάστασης και την διαθέσιμη ισχύ, η 16

21 μετάδοση σήματος συσκευών που υλοποιούν το πρωτόσκολο κυμαίνεται ανάμεσα στα όρια των μέτρων. Για εφαρμογές σε εσωτερικούς χώρους, που το περιβάλλον είναι γεμάτο εμπόδια και θορύβους, το βεληνεκές της μετάδοσης είναι περί τα 10 με 20 μέτρα, μιας και έχουν ιδιαίτερη σημασία τα υλικά που παρεμβάλλονται μεταξύ των συσκευών, καθώς και τα διάφορα άλλα ασύρματα δίκτυα που προσπαθούν να χρησιμοποιήσουν την ίδια συχνότητα. Οι ταχύτητες που υποστηρίζει είναι στα 250 kbps για την συχνότητα των 2,4 GHz. Ένα δίκτυο Zigbee καταλαμβάνει μέχρι 16 κανάλια στην παγκόσμια συχνότητα των 2,4 GHz, με διαχωρισμό μεταξύ τους 5 MHz, αν και το καθένα αξιοποιεί μονάχα 2 MHz. Το κάθε κανάλι χωρίζεται φυσικά από τα υπόλοιπα του δικτύου. Αξίζει να σημειωθεί ότι η συχνότητα 2,4 GHz (και ένα σύνολο συχνοτήτων γύρω από αυτή) αποτελεί την παγκόσμια ελεύθερη ραδιοσυχνότητα, έχοντας την ονομασία ISM (Industrial, Scientific and Medical Radio Bands). Οι συγκεκριμένες συχνότητες δεν απαιτούν ειδική άδεια για να χρησιμοποιηθούν και η χρήση τους δεν επιφέρει κόστος. Αν και υπάρχουν και αρκετές άλλες συχνότητες ελεύθερες, η συγκεκριμένη εγγυάται την μέγιστη δυνατή απόδοση ως αφορά την κάλυψη με το μικρότερο δυνατό μέγεθος κεραίας. Πολλές από τις τεχνολογίες ασύρματων δικτύων αποφασίζουν να χρησιμοποιήσουν τις εν λόγω συχνότητες για τις εφαρμογές τους, έτσι πρέπει να λάβουν υπόψη τον πιθανό θόρυβο από τις παρεμβολές. Για αυτό τον λόγο, όλα τα στάνταρ όπως και το Zigbee, έχουν κατάλληλους αλγορίθμους καναλιού επικοινωνίας για την ασφαλή και όσο το δυνατόν πιο έγκυρη μετάδοση των πακέτων τους. Άλλες συχνότητες που αξιοποιεί το Zigbee είναι 868MHz στην Ευρώπη και τα 915ΜHz στη Βόρεια Αμερική και την Αυστραλία. Οι συχνότητες αυτές είναι ISM. 2.4 Τεχνικά Χαρακτηριστικά Zigbee Η υψηλή αξιοπιστία και η απόδοση του Zigbee είναι προϊόν της ειδικής του σχεδίασης η οποία περιλαμβάνει: CSMA-CA FCS Mesh Τοπολογία 17

22 ACK πακέτα Sleep mode Το CSMA-CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) αποτελεί ένα τρόπο προσπέλασης τους ασύρματου δικτύου. Η συσκευή ελέγχει αν το κανάλι επικοινωνίας χρησιμοποιείται. Αν περάσει το διάστημα ελέγχου με το κανάλι επικοινωνίας να παραμένει αχρησιμοποίητο, η συσκευή αποφασίζει να αποστείλει το πακέτο της. Αυτή η μέθοδος χρησιμοποιείται για την αποφυγή σύγκρουσης των πακέτων στο κανάλι, που θα είχε ως αποτέλεσμα την σπατάλη πολύτιμων πόρων. Αυτή η μέθοδος έχει ιδιαίτερη σημασία για τα ασύρματα δίκτυα, και εν συνεχεία το Zigbee, μιας και εμφανίζεται σε αυτά το «πρόβλημα του κρυμμένου κόμβου». Το πρόβλημα αυτό προκύπτει όταν ένας κόμβος είναι ορατός από έναν δεύτερο, μα όχι από τους υπόλοιπους. Αυτό φέρνει δυσκολίες στις ομαλές επικοινωνίες μεταξύ τους. Έχει παρατηρηθεί ότι το CSMA-CA είναι ο καλύτερος τρόπος προσπέλασης του καναλιού για την αποφυγή αυτού του προβλήματος. Για τον λόγο αυτόν αξιοποιείται και από το Zigbee Ακόμη, το Zigbee χρησιμοποιεί ένα 16-bit CRC (Cyclic Redundancy Check), το οποίο ονομάζεται FCS ( Frame Checksum). Χρησιμοποιείται σε κάθε πακέτο που μεταδίδεται για να πιστοποιήσει την ακεραιότητα της μετάδοσης του. Αν το FCS υπολογιστεί το ίδιο στον αποστολέα και τον παραλήπτη, το πακέτο μεταδόθηκε επιτυχώς. Το Zigbee προσφέρει τις τοπολογίες αστέρα και δέντρου, μα και την mesh τοπολογία. Στην mesh τοπολογία, η δρομολόγηση (routing) των μηνυμάτων πραγματοποιείται από τους κόμβους σε μια αποκεντρωμένη διαδικασία όπου πολλές συνεργαζόμενες συσκευές λειτουργούν επικουρικά η μια στην άλλη. Αυτού του είδους η τοπολογία επιτρέπει τα εξής χαρακτηριστικά: 1. Σχηματισμός του δικτύου ad-hoc 2. Multi-hop δίκτυο 3. Αυτόματη Ανακάλυψη Διαδρομής 4. Αυτοεπούλωση Στην mesh τοπολογία, η επεκτασιμότητα του δικτύου είναι απλή υπόθεση, μιας και το μόνο που απαιτείται είναι η διασύνδεση του καινούργιου κόμβου με έναν από 18

23 τους ήδη συνδεδεμένους. Αντιστοίχως, η έξοδος ενός κόμβου από το δίκτυο είναι το ίδιο απλή, μιας και το μόνο που χρειάζεται είναι η απομάκρυνσή του. Οι γειτονικοί κόμβοι θα βρούνε εύκολα εναλλακτικές διαδρομές για την εξυπηρέτηση των επικοινωνιών, αρκεί τέτοιες διαδρομές να υπάρχουνε. Περισσότερα πλεονεκτήματα της mesh τοπολογίας στο Zigbee θα φανούν στην συνέχεια, καθώς μελετάμε τον τρόπο με τον οποίο γίνεται η δρομολόγηση των πακέτων. Επίσης, το Zigbee χρησιμοποιεί end-to-end acknowledgment πακέτα για να επιβεβαιώσει ότι ένα πακέτο λήφθηκε από τον κόμβο για τον οποίο προοριζόταν. Ακόμη, το Zigbee φιλτράρει οποιοδήποτε διπλά λαμβανόμενο πακέτο. Τέλος, από τα σημαντικότερα χαρακτηριστικά του Zigbee είναι η δυνατότητα που παρέχει στις συσκευές του να πέσουν σε κατάσταση Sleep. Αυτή η λειτουργία είναι ο κύριος λόγος της χαμηλής κατανάλωσης του στάνταρ. Για την εφαρμογή της κατάστασης Sleep πρέπει να ληφθούν υπόψη οι δυο καταστάσεις δικτύου beacon και non-beacon. Η κατάσταση αυτή υποδεικνύεται κατά την κατασκευή του δικτύου. Το beacon είναι ένα περιοδικό σήμα συγχρονισμού. Για τα non-beacon δίκτυα, η κατάσταση Sleep αφορά τις συσκευές ανεξάρτητα από τις υπόλοιπες. Καμιά μορφή συγχρονισμού, μονάχα ο τρόπος που έχει σχεδιαστεί η εφαρμογή και το είδος της συσκευής καθορίζουν αν μια συσκευή θα είναι σε Sleep ή όχι. Για τα beacon δίκτυα, η κατάσταση Sleep καθορίζεται από το σήμα beacon. Η λειτουργία αυτή είναι γνωστή με την ονομασία «low duty cycle», όπου ένας Zigbee κόμβος δεν χρειάζεται να κρατάει συνεχή επαφή με το δίκτυο για να παραμένει στο δίκτυο, παρά μόνο να στέλνει περιοδικά σήματα τα οποία επιβεβαιώνουν την παρουσία του. Στην εφαρμογή αυτής της εργασίας, το δίκτυο είναι σε non-beacon λειτουργία. Περισσότερα για την λειτουργία Sleep στα ανάλογα κεφάλαια. 19

24 2.5 Ασφάλεια Zigbee Για την ασφάλεια του δικτύου, το Zigbee χρησιμοποιεί τον αλγόριθμο AES (Advanced Encryption Standard) όπως ατός καθορίστηκε από τον οργανισμό NIST (National Institute of Standards and Technology). Το πρότυπο AES-128 είναι ένα block cipher το οποίο κρυπτογραφεί και αποκρυπτογραφεί πακέτα με έναν αρκετά ισχυρό τρόπο. Είναι ένα από τα πιο γνωστά και αξιόπιστα πρότυπα κρυπτογράφησης. Για την επιβεβαίωση της ακεραιότητας των δεδομένων που αποστέλλονται, το Zigbee χρησιμοποιεί το MIC (Message Integrity Code), επίσης γνωστό και ως MAC (Message Authentication Code). Αυτό προστίθεται στο τέλος του μηνύματος και επιβεβαιώνει την ακεραιότητα του header του μηνύματος, καθώς και του payload. Δημιουργείται με την κρυπτογράφηση, μέσω AES, μερών του IEEE MAC frame χρησιμοποιώντας το key του δικτύου, πράγμα το οποίο βοηθά και στην πιστοποίηση του αποστολέα του μηνύματος. Η μορφή του μηνύματος φαίνεται στην Εικόνα 2.2. Εικόνα 2.2 Τα τρία πεδία που σχετίζονται με την ασφάλεια στο IEEE MAC frame είναι τα: Frame Control Auxiliary Security Control Data Payload Η αναλυτική μορφή του Auxiliary Security Control φαίνεται στην Εικόνα

25 Εικόνα 2.3 Το Auxiliary Security Control ενεργοποιείται μονάχα όταν το πεδίο Security Enabled είναι ενεργοποιημένο στον Frame Control frame. Έχει τρία πεδία: 1. Security Control 2. Frame Counter 3. Key Identifier Το Security Control καθορίζει το είδος της προστασίας, ανάλογα με τον καθορισμό την τιμή του. Τα διάφορα είδη προστασίας προκύπτουν σύμφωνα με τον Πίνακα 2.1 : 21

26 Πίνακας 2.1 Το Frame Counter είναι ένας μετρητής ο οποίος εμποδίζει την επίθεση αναμετάδοσης προστασίας. Αυτό πραγματοποιείται με την ύπαρξη ενός μοναδικού sequence ID, το οποίο είναι μοναδικό για το κάθε μήνυμα και αντιπροσωπεύεται σε αυτό το πεδίο. Το Key Identifier έχει όλες τις πληροφορίες κλειδιού που χρειάζονται για την επικοινωνία με ένα συγκεκριμένο κόμβο στο δίκτυο. Όπως αναφέρθηκε, το Data Payload έχει λόγο στην ασφάλεια του μηνύματος, και η αναλυτική του μορφή φαίνεται στην Εικόνα 2.4. Εικόνα 2.4 Όπως φαίνεται στο σχήμα, η μορφή του Data Payload καθορίζεται από την μορφή που ορίσαμε στο Security Control του Auxiliary Security Control. Για τις εφαρμογές του Waspmote, όπως είναι και οι δικές μας, εφαρμόζεται το AES-CTR. Ο λόγος για αυτό είναι ότι η εκάστοτε κρυπτογράφηση χρησιμοποιεί το ανάλογο hardware, κάτι το οποίο είναι διαθέσιμο μέσω των radio module που χρησιμοποιούνται. Η προστασία του πρωτοκόλλου Zigbee προσθέτει άλλα δύο επίπεδα πάνω από το , τα Network και Application επίπεδα ασφαλείας. Όλες οι πολιτικές ασφαλείας βασίζονται στον AES-128 αλγόριθμο κρυπτογράφησης οπότε η αρχιτεκτονική του MAC επιπέδου είναι σε ισχύ. 22

27 Υπάρχουν τρία διαφορετικά είδη κλειδιών (keys). 1. Master keys 2. Link keys 3. Network keys Τα master keys είναι προ-εγκατεστημένα σε κάθε κόμβο. Ο σκοπός τους είναι να διατηρούν την εμπιστευτικότητα στην ανταλλαγή link keys μεταξύ των διαφόρων κόμβων στην διαδικασία SKKE (Key Establishment Procedure). Τα link keys είναι μοναδικά για κάθε ζευγάρι κόμβων. Τα διαχειρίζεται το επίπεδο Application και χρησιμοποιούνται για την κρυπτογράφηση όλων των πληροφοριών που ανταλλάσσουν οι εκάστοτε συσκευές. Το network key είναι ένα εμπιστευτικό 128 bits κλειδί το οποίο μοιράζονται όλοι οι κόμβοι του δικτύου. Το δημιουργεί το Trust Center του δικτύου και το ανανεώνει σε τακτά χρονικά διαστήματα. Κάθε κόμβος χρειάζεται να έχει στην κατοχή του αυτό το key για την εισαγωγή του στο δίκτυο. Όταν αποφασιστεί από το Trust Center το καινούργιο κλειδί, μεταδίδεται στο δίκτυο χρησιμοποιώντας το παλιό. Ταυτόχρονα, το Frame Counter που αναφέραμε προηγουμένως μηδενίζεται. Συνήθως το Trust Center είναι ο Coordinator του δικτύου και είναι υπεύθυνο για την πιστοποίηση των συσκευών που ζητούν την είσοδο στο δίκτυο. Υπάρχουν δυο πολιτικές ασφαλείας που μπορεί να ακολουθήσει το Trust Center: 1. Commercial Mode 2. Residential Mode Στο Commercial Mode το Trust Center μοιράζεται με όλες τις συσκευές του δικτύου τα Master και Link keys. Απαιτούνται υψηλές διαθέσιμες μνήμες σε όλες τις συσκευές και προσφέρεται μια αποκεντρωμένη λύση διαχείρισης των κλειδιών. Στο Residential Mode το Trust Center μοιράζεται μονάχα το Network key. Προφανώς απαιτείται λιγότερη διαθέσιμη μνήμη στις συσκευές. Συνήθως είναι η μορφή που επιλέγεται στα WSN μοντέλα. 23

28 2.6 Μορφή Δικτύου Zigbee Για το Zigbee πρωτόκολλο υπάρχουν τρεις τύποι κόμβων, οι οποίοι υποδεικνύουν την λειτουργία της συσκευής, καθώς και τις δυνατότητες και τους περιορισμούς της. Αυτοί είναι οι: Coordinator Router End-device Ο Coordinator είναι η συσκευή με τις περισσότερες δυνατότητες. Είναι ο κόμβος ο οποίος σχηματίζει το δίκτυο, αυτός ο οποίος καθορίζει όλες τις ρυθμίσεις του και προσδιορίζει με ποιον τρόπο θα λειτουργεί. Μπορεί επίσης να λειτουργήσει και ως γέφυρα για επικοινωνία με άλλα δίκτυα. Για κάθε δίκτυο Zigbee υπάρχει μονάχα ένας Coordinator. Όπως αναφέρθηκε, μπορεί να λειτουργήσει και ως Trust Center. Δεν βρίσκεται ποτέ σε sleep mode και είναι μέρος του δικτύου δρομολόγησης των δεδομένων. Η απώλεια του Coordinator μπορεί να προκαλέσει την απώλεια ολόκληρου του δικτύου. Ο Router είναι μια συσκευή η οποία μπορεί να αποτελέσει node (κόμβο) ενός προδημιουργημένου δικτύου, μα όχι να δημιουργήσει ένα καινούργιο από μόνη της. Μετά την ένταξη στο δίκτυο, ανάλογα με τις ρυθμίσεις, έχει την δυνατότητα να δεχθεί την ένταξη μιας καινούργιας συσκευής. Είναι από τους κόμβους που συμμετέχουν στην δρομολόγηση των δεδομένων, όπως γίνεται προφανές και από το όνομά του. Δεν μπορεί να πέσει σε Sleep mode, όπως και ο Coordinator. Η απώλεια ενός router δεν προκαλεί καθολική κατάρρευση του δικτύου, μπορεί μερική, μπορεί ακόμη το δίκτυο να επηρεαστεί σε ελάχιστο βαθμό. Το End-device είναι η συσκευή με τις λιγότερες δυνατότητες. Περιέχει μόνο αρκετή λειτουργικότητα για να εκτελέσει την αποστολή της και να επικοινωνήσει με τον parent node στον οποίο έχει διασυνδεθεί. Οι parent node μπορεί να είναι Coordinator ή Router. Το end-device δεν μπορεί να συμμετέχει στην δρομολόγηση των δεδομένων, το μόνο που κάνει είναι να αποστέλλει δεδομένα στο parent node της και να αφήνει την δρομολόγησή τους στις κατάλληλες συσκευές. Μπορεί να εισέλθει σε καταστάσεις χαμηλής ενέργειας, sleep, προκειμένου να εξοικονομήσει διαθέσιμη ισχύ. Συνήθως είναι οι πιο φθηνές και πολυπληθείς συσκευές του δικτύου. 24

29 Και οι τρείς συσκευές χρησιμοποιούνται για την πραγματοποίηση της εκάστοτε εφαρμογής. Ο κατάλληλος συνδυασμός τους είναι το μυστικό μιας επιτυχημένης και οικονομικής εγκατάστασης δικτύου Zigbee. Το δίκτυο Zigbee μπορεί να πάρει τρεις μορφές. Οι τοπολογίες αυτές είναι: Star Tree Mesh Παραδείγματα αυτών φαίνονται στο παρακάτω σχήμα: Εικόνα 2.5 Όπως φαίνεται, ο Coordinator είναι μοναδικός και γύρω του χτίζεται το υπόλοιπο δίκτυο. Κάθε τοπολογία έχει τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα της, μα μας ενδιαφέρει περισσότερο η mesh συνδεσμολογία, η οποία προσφέρει και την μεγαλύτερη ευελιξία, καθώς παίρνει το φόρτο των εργασιών από τον Coordinator και τον διαμοιράζει στο δίκτυο. 25

30 2.7 Λειτουργίες Δικτύου Zigbee Το επίπεδο δικτύου μας παρέχει τις λειτουργίες όπως η multi-hop δρομολόγηση, η ανακάλυψη και η συντήρηση της διαδρομής, η σύνδεση στο δίκτυο, καθώς και η αποχώρηση από αυτό, και η ασφάλεια. Για την διαδικασία της εισαγωγής μιας συσκευής σε ένα δίκτυο (Join), απαιτούνται τα εξής βήματα. Πρώτον, πραγματοποιείται από την συσκευή μια διαδικασία ανακάλυψης διαθέσιμων δικτύων. Με την υποστήριξη της λειτουργίας σάρωσης από το MAC επίπεδο, οι γειτονικοί routers ανακοινώνουν τα δίκτυα στα οποία συμμετέχουν. Το ανώτερο επίπεδο επιλέγει το επιθυμητό δίκτυο και από την μεριά του αυτό διαλέγει τον parent node που θα ξεκινήσει την διαδικασία εισαγωγής. Ταυτόχρονα, το δίκτυο δίνει την εντολή στο MAC επίπεδο του node να ξεκινήσει την διαδικασία συσχέτισης. Η διαδικασία αυτή καταλήγει σε αποδοχή ή απόρριψη της αιτούσας συσκευής. Σε περίπτωση αποδοχής, ο καινούργιος κόμβος θα ζητήσει από τον Coordinator μια 16 bit διεύθυνση δικτύου, η οποία θα είναι το μέσο επικοινωνίας για τους κόμβους του δικτύου. Για την δρομολόγηση των μηνυμάτων θα χρησιμοποιείται η διεύθυνση αυτή και όχι η 64 bit MAC διεύθυνση του κόμβου. Η ανακάλυψη διαδρομής είναι μιας διαδικασία με την οποία ο κάθε κόμβος μαθαίνει την κατάλληλη διαδρομή για την επικοινωνία με έναν συγκεκριμένο κόμβο. Αυτή η πληροφορία αποθηκεύεται στον πίνακα δρομολόγησης της κάθε συσκευής. Ο Coordinator και κάθε router έχει έναν πίνακα ανακάλυψης διαδρομής για να υλοποιηθεί η διαδικασία. Για την ανακάλυψη διαδρομής χρησιμοποιείται ο αλγόριθμος AODV (Ad-hoc On demand Distance Vector). Σε κάθε κόμβο υπάρχει ένας πίνακας ο οποίος έχει αποθηκευμένο το επόμενο βήμα (hop) για την προσέγγιση ενός συγκεκριμένου κόμβου. Αν είναι η πρώτη φορά που αναφέρεται ο συγκεκριμένος κόμβος προορισμού για τον κάθε κόμβο αναφοράς, τότε πραγματοποιείται μια διαδικασία ανακάλυψης διαδρομής. Για την ανακάλυψη διαδρομής για έναν κόμβο προορισμού, ο κόμβος αποστολέας κάνει μια broadcast αποστολή ενός route request σε όλους τους γείτονές του. H εντολή αυτή περιέχει τη διεύθυνση δικτύου της πηγής, τη διεύθυνση δικτύου του 26

31 προορισμού και ένα πεδίο με το κόστος της διαδρομής. Καθώς η εντολή αυτή μεταδίδεται μέσω του δικτύου, κάθε κόμβος που αναμεταδίδει το μήνυμα ανανεώνει και το πεδίο με το κόστος της διαδρομής και δημιουργεί μια προσωρινή είσοδο στον πίνακα του. Όταν ο κόμβος προορισμού λάβει ένα αίτημα διαδρομής, συγκρίνει το πεδίο κόστος διαδρομής με την προηγούμενη λαμβανόμενη εντολή αιτήματος διαδρομής. Εάν το πεδίο αυτό είναι καλύτερο από όποιο προηγούμενο είχε λάβει τότε ο κόμβος προορισμού θα μεταδώσει ένα πακέτο απάντησης διαδρομής στον κόμβο που του έστειλε το αίτημα. Οι ενδιάμεσοι κόμβοι λαμβάνουν και προωθούν αυτό το πακέτο απάντησης προς τον κόμβο αποστολέα. Στο παρακάτω σχήμα (Εικόνα 2.6) φαίνεται η διαδικασία, όπου ο κόμβος S βρίσκει την διαδρομή με το μικρότερο κόστος μέχρι τον κόμβο D. Εικόνα 2.6 Το πρωτόκολλο Zigbee περιλαμβάνει acknowledgment (ACK) πακέτα στο MAC και το APS επίπεδο για την επιτυχή αποστολή των μηνυμάτων του. Τα ACK πακέτα του MAC επιπέδου διασφαλίζουν την επιτυχή αποστολή της πληροφορίας από κόμβο σε κόμβο. Αυτό σημαίνει ότι σε κάθε επόμενο hop του μηνύματος, υπάρχει η αποστολή ενός ACK πακέτου από τον κόμβο που παρέλαβε το μήνυμα για την επιβεβαίωση της επιτυχούς παραλαβής. Σε περίπτωση αποτυχίας, ο εκάστοτε κόμβος αποστολέας αποπειράται να στείλει το μήνυμα άλλες τρεις φορές. Αυτή η διαδικασία πραγματοποιείται σε όλα τα hops μέχρι τον προορισμό. 27

32 Τα ACK πακέτα του APS επιπέδου έχουν να κάνουν με την επιτυχή παραλαβή του μηνύματος από τον κόμβο προορισμού. Όταν το μήνυμα παραληφθεί επιτυχώς, ο κόμβος αποστέλλει ένα ACK πακέτο πίσω στον αρχικό κόμβο αποστολέα για να επιβεβαιώσει την ακέραια παραλαβή του μηνύματος. Σε περίπτωση αποτυχίας παραλαβής του ACK αυτού σήματος υπάρχει επανάληψη της προσπάθειας αποστολής άλλες δυο φορές. 2.8 Εφαρμογές Zigbee Το Zigbee είναι ένα πρωτόκολλο χαμηλής ενεργειακής κατανάλωσης, με χαμηλό φορτίο στο κανάλι επικοινωνίας και σχετικά γρήγορες αποκρίσεις. Υπάρχουνε πολλά διαφορετικά προφίλ εφαρμογών τα οποία μπορούν να ικανοποιηθούν. Το κάθε προφίλ εφαρμογής προσδιορίζει τη συμβατότητα μεταξύ εφαρμογών από διαφορετικούς κατασκευαστές. Μερικές από τις εφαρμογές του πρωτοκόλλου είναι: Βιομηχανικός έλεγχος Δίκτυα αισθητήρων Αυτοματισμοί κτιρίων Οικιακοί αυτοματισμοί Παρακολούθηση οχημάτων Υγειονομική περίθαλψη 28

33 3 ΔΙΚΤΥΟ ZIGBEE 3.1 Εισαγωγή Για το στήσιμο ενός ασύρματου δικτύου με βάση την στοίβα πρωτοκόλλου Zigbee, καθώς και για την συντήρηση του, απαιτούνται αρκετές παράμετροι, άλλες ρυθμιζόμενες κατά την αρχή της δημιουργίας του δικτύου και άλλες στην συνέχεια. Σε αυτό το κεφάλαιο, θα εξεταστούν οι διάφορες μεταβλητές του δικτύου, καθώς και οι τρόποι που έχει προβλέψει το πρωτόκολλο Zigbee για την ορθή εκκίνηση και λειτουργία του δικτύου. 3.2 PAN (Personal Area Network) Τα δίκτυα Zigbee ονομάζονται αλλιώς και PANs (Personal Area Networks). Για το καθένα από αυτά που δημιουργείται, υπάρχει ένα μοναδικό PAN ID, το οποίο είναι ένας αριθμός Identifier που λειτουργεί ως μοναδικό γνώρισμα του δικτύου, για να ξεχωρίζει από τα υπόλοιπα. Όλες οι συσκευές ενός δικτύου γνωρίζουν το PAN ID του και όσες επιθυμούν την εισχώρηση στο δίκτυο οφείλουν να το πληροφορηθούν. Το τελευταίο μπορεί να γίνει είτε προγραμματιστικά, δηλαδή να τους γίνει εκ των προτέρων εισαγωγή ενός PAN ID για την σύνδεση στο συγκεκριμένο δίκτυο, είτε μέσω ανακάλυψης, όπου οι συσκευές αναγνωρίζουν τα PAN ID των κοντινών σε αυτές δίκτυα Zigbee. Υπάρχουν δυο μορφές PAN ID, 64-bit και 16-bit. Οι δυο δεν αποκλείουν η μια την άλλη και μάλιστα χρησιμοποιούνται σε συνεργασία. Οι 16-bit PAN ID διευθύνσεις χρησιμοποιούντα στο MAC layer για την μετάδοση δεδομένων μέσα στο ίδιο δίκτυο. Καθώς, όμως, τα 16 bit περιορίζουν αρκετά τον αριθμό των διαθέσιμων διευθύνσεων, μπορεί να προκύψουν δίκτυα με το ίδιο 16-bit PAN ID. Σε αυτήν την περίπτωση, χρησιμοποιείται το 64-bit PAN ID, η οποία έχει και την ονομασία extended PAN ID. Σε ενδεχόμενη σύγκρουση τέτοιας φύσεως, το πρωτόκολλο Zigbee μπορεί να αλλάξει την 16-bit PAN ID διεύθυνση του ενός δικτύου για να αποφευχθούν μελλοντικές συγκρούσεις. 29

34 Κατά την διαδικασία προσθήκης μια συσκευής στο δίκτυο Zigbee, είναι απαραίτητη η γνώση της extended PAN ID, μιας και αυτή είναι που χρησιμοποιείται στην διαδικασία. Έτσι, αποφεύγονται λανθασμένες προσπάθειες σύνδεσης συσκευών σε πολλαπλά δίκτυα ταυτόχρονα. Μετά την σύνδεση στο δίκτυο, παρέχεται στις συσκευές το 16-bit PAN ID και γίνεται χρήση αυτού για τις λειτουργίες του δικτύου. Είναι προφανές ότι ο λόγος χρήσης του 16-bit PAN ID είναι για διευκόλυνση και, κατ επέκταση, επιτάχυνση των διαδικασιών του δικτύου, μιας και μια διεύθυνση 64- bit θα φόρτωνε τα μηνύματα του δικτύου πολύ περισσότερο. 3.3 Διευθύνσεις Συσκευών Κάθε συσκευή του δικτύου Zigbee χαρακτηρίζεται από συγκεκριμένες διευθύνσεις με βάση τις οποίες μπορούν να παραλάβουν και να στείλουν μηνύματα μέσω του δικτύου αυτού. Αποτελούν την ταυτότητα της συσκευής, δίχως την οποία δεν θα μπορούσαν να γίνουν κόμβοι του δικτύου. Υπάρχουν δυο τύποι διευθύνσεων, οι MAC διευθύνσεις και οι διευθύνσεις δικτύου (Network Address). Η MAC address αποτελεί μια 64-bit διεύθυνση μοναδική για την κάθε συσκευή, η οποία καθορίζεται κατά την κατασκευή της. Η διεύθυνση αυτή δίνεται συνήθως από τον κατασκευαστή και βρίσκεται καταγεγραμμένη πάνω στην συσκευή. Διαφορετικά, η ανεύρεση της δεν είναι δύσκολη υπόθεση. Από την MAC address μπορούν να πηγάσουν πολλές πληροφορίες, όπως ο κατασκευαστής, η παρτίδα παραγωγής και η ημερομηνία κατασκευής. Λόγω της ανεξαρτησίας της MAC address από την εφαρμογή, είναι σπάνιο να πρόκειται για τον μοναδικό τρόπο ταυτοποίησης της συσκευής στο δίκτυο. Κάθε πρωτόκολλο έχει και έναν εναλλακτικό τρόπο προσδιορισμού της ταυτότητας μιας συσκευής. Η Network address είναι μια 16-bit διεύθυνση η οποία προσδίδεται στην εκάστοτε συσκευή μετά την επιτυχή προσθήκη της σε ένα δίκτυο Zigbee. Είναι η ταυτότητα της συσκευή μέσα στο δίκτυο και η διεύθυνση στην οποία αποστέλλονται όλα τα μηνύματα που προορίζονται για την συγκεκριμένη συσκευή. Οι πίνακες δρομολόγησης κάνουν χρήση αυτών των διευθύνσεων για την αποστολή των 30

35 πακέτων στους κατάλληλους προορισμούς. Για τον Coordinator, η Network address είναι πάντα η 0x0000 και για τις υπόλοιπες συσκευές είναι ένας τυχαίος 16-bit αριθμός ο οποίος τους προσδόθηκε από την συσκευή που επέτρεψε την είσοδό τους στο δίκτυο, είτε αυτή ήταν ο Coordinator ή κάποιος router. Αξίζει να σημειωθεί ότι η 16-bit διεύθυνση δεν είναι πάντοτε σταθερή, μιας και μπορεί να υπάρξει σύγκρουση μεταξύ δυο συσκευών για την χρήση μιας διεύθυνσης. Σε αυτήν την περίπτωση, επιλέγεται διαφορετική 16-bit διεύθυνση για την μια από τις δυο συσκευές. Έτσι, στα μηνύματα συνήθως περιλαμβάνεται και η 64-bit για την επιβεβαίωση της αποστολής του μηνύματος στην σωστή συσκευή. 3.4 Operating Channel Για κάθε δίκτυο που δημιουργείται, επιλέγεται και μια συγκεκριμένη συχνότητα λειτουργίας γύρω από τα 2,4 GHz. Η συχνότητα αυτή επιλέγεται κατά την δημιουργία του δικτύου Zigbee από τον Coordinator. Σε αυτή την συχνότητα αποστέλλονται όλα τα μηνύματα του δικτύου και οφείλουν να την γνωρίζουν όλες οι συσκευές του δικτύου. Η συχνότητα των 2.4 GHz διαιρείται ανά 5 MHz. Όπως φαίνεται στον Πίνακα 3.1, για την εφαρμογή αυτή υπάρχουν διαθέσιμα 14 κανάλια λειτουργίας (μιας και χρησιμοποιείται το XBee PRO series, για το οποίο θα γίνει αναφορά στην συνέχεια). 31

36 Πίνακας Mesh Topology Όπως αναφέρθηκε και προηγουμένως, το δίκτυο Zigbee έχει την δυνατότητα να λειτουργήσει σε τοπολογίες star, tree και mesh. Επιλέγεται η τοπολογία mess για τις δυνατότητες τις οποίες προφέρει. Στην mesh τοπολογία ενός PAN, κάθε συσκευή μπορεί να επικοινωνήσει με οποιαδήποτε άλλη μέσα στην εμβέλεια της. Σε περίπτωση που η ζητούμενη συσκευή είναι εκτός εμβελείας πραγματοποιείται μια διαδικασία δρομολόγησης για την οποία θα γίνει αναφορά στην συνέχεια. Τα mesh δίκτυα είναι ad-hoc, self-organizing και self-healing. Ένα από τα μεγαλύτερα πλεονεκτήματά της είναι η δρομολόγηση πολλαπλής διαδρομής, η οποία καθιστά την κατάρρευση ή αποσύνδεση κόμβων ελάχιστα επιβλαβή. Χαρακτηριστικό της είναι η ύπαρξη δυνατότητας πολλαπλών αλμάτων (hops) για την παράδοση ενός μηνύματος στον προορισμό του. 32

37 Είναι εύκολη η προσθήκη επιπλέον συσκευών σε ένα mesh δίκτυο, καθώς και η αφαίρεση αυτών. Η δυνατότητα αυτό-επούλωσης αναφέρεται στην δυνατότητα εύρεσης εναλλακτικών διαδρομών προς έναν κόμβο σε περίπτωση ανάγκης. Το πρωτόκολλο δρομολόγησης σε μια mesh τοπολογία είναι αρκετά πιο πολύπλοκο από τις υπόλοιπες και απαιτείται μεγαλύτερο overhead. H mesh τοπολογία δεν επιτρέπει την χρήση του beacon mode. 3.6 Routing (Δρομολόγηση) Για την δρομολόγηση σε ένα mesh δίκτυο, απαιτείται η ύπαρξη πινάκων δρομολόγησης (routing table) σε όλους τους κόμβους που ασχολούνται με την δρομολόγηση. Συγκεκριμένα σε ένα δίκτυο Zigbee, αυτοί είναι οι κόμβοι routers και ο Coordinator. Χρησιμοποιείται ένας αλγόριθμος ανακάλυψης διαδρομής για την συνεχή ενημέρωση της δομής δεδομένων που αποτελεί τον πίνακα δρομολόγησης. Ο πίνακας δρομολόγησης είναι υπεύθυνος για τον προσδιορισμό του επόμενου άλματος ενός πακέτου, προκειμένου να φτάσει στον προορισμό του. Σε κάθε καινούργιο μήνυμα, γίνεται έλεγχος του πίνακα δρομολόγησης. Σε περίπτωση που ο κόμβος προορισμού βρίσκεται εκτός της εμβέλειας του κόμβου που κρατάει το μήνυμα, εμφανίζεται η διεύθυνση στην οποία θα πρέπει να αποσταλεί το μήνυμα για την προσέγγιση του κόμβου προορισμού. Ο κόμβος με την διεύθυνση αυτή θα επαναλάβει την διαδικασία, μέχρις ότου να γίνει παραλαβή του μηνύματος από τον κόμβο προορισμού. 3.7 Transmission Υπάρχουν δυο τρόποι μετάδοσης των μηνυμάτων σε ένα Zigbee δίκτυο. Η Broadcast μετάδοση και η Unicast μετάδοση. Στην Broadcast μετάδοση, το μήνυμα αποστέλλεται από τον ένα κόμβο σε όλο το δίκτυο. Ο Coordinator και οι routers επαναλαμβάνουν το πακέτο που έλαβαν τρεις φορές προκειμένου να γίνει δυνατή αυτή η μετάδοση του μηνύματος. Ο κόμβος που απέστειλε το μήνυμα δημιουργεί είσοδο σε ένα τοπικό πίνακα broadcast μεταδόσεων. 33

38 Ο πίνακας αυτός έχει 8 θέσεις και κάθε καταχώρηση διαρκεί για 8 δευτερόλεπτα. Από αυτή την καταχώρηση παρακολουθείται η λήψη του πακέτου από την κάθε συσκευή. Όπως είναι λογικό, οι broadcast μεταδώσεις θα πρέπει να γίνονται με μέτρο στο κάθε δίκτυο, μιας και δεν είναι δύσκολο να δημιουργηθεί κυκλοφοριακή συμφόρηση σε ένα δίκτυο με πολλούς κόμβους. Στην Unicast μετάδοση, το μήνυμα αποστέλλεται από τον κόμβο αποστολέα στον κόμβο παραλήπτη και μονάχα σε αυτόν. Μπορεί να πρόκειται για αποστολή με ένα μονάχα hop, όπου ο αποστολέας και ο παραλήπτης είναι γειτονικοί, ή με πολλά hops σε διαφορετική περίπτωση. Η διαδικασία στην δεύτερη περίπτωση πραγματοποιείται με τον τρόπο που αναφέραμε προηγουμένως, όπου ο κόμβος εξετάζει τον πίνακα δρομολόγησής του για να αποφασίσει που πρέπει να σταλεί το εκάστοτε πακέτο. 3.8 API mode Υπάρχουν δυο τρόποι λειτουργίας του πρωτοκόλλου Zigbee, η Transparent λειτουργία και η API λειτουργία. Στο προφίλ Home Automation επιβάλλεται η λειτουργία API. Η λειτουργία API είναι μέθοδος η οποία βασίζεται στα frames για την αποστολή και λήψη δεδομένων. Με την χρήση του radio module XBee, για το οποίο θα γίνει αναφορά στην συνέχεια, η λειτουργία API επιτρέπει στον προγραμματιστή: Να αλλάξει παραμέτρους χωρίς να περάσει στο command mode Να δει το RSSI (Received Signal Strength Indication) και την διεύθυνση του αποστολέα για το κάθε πακέτο Να λαμβάνει απάντηση επιβεβαίωσης για το κάθε πακέτο που αποστέλλεται Τα frames του API mode είναι ο τρόπος με τον οποίο ρυθμίζονται και παρακολουθούνται οι διάφορες λειτουργίες μέσα στο module. Συγκεκριμένα, συνίσταται η χρήση τους όταν: Η συσκευή στέλνει RF δεδομένα σε πολλαπλούς προορισμούς 34

39 δίκτυο Αποστέλλονται εντολές ελέγχου απομακρυσμένων συσκευών στο Υπάρχει αποδοχή δεδομένων από απομακρυσμένες συσκευές Η συσκευή πρέπει να υποστηρίζει Clusters, Endpoints και Profile Ids Η συσκευή χρησιμοποιεί ZDP (Zigbee Device Profile) services Η μορφή που λαμβάνουν τα frames στην API λειτουργία είναι: Εικόνα 3.1 Όπως φαίνεται, ένα frame ξεκινάει πάντα με τον αριθμό 0x7E ο οποίος υποδεικνύει την αρχή ενός API mode frame. Είναι γνωστός με την ονομασία Start Delimiter και είναι πάντα ο ίδιος. Στην συνέχεια τα bytes 2 και 3 αναφέρουν το μήκος του πακέτου. Ακολουθούν τα Frame Data bytes, που είναι το ωφέλιμο φορτίο και το frame ολοκληρώνεται με τα bytes του checksum, τα οποία επιβεβαιώνουν την σωστή αποστολή του frame. Στο Frame Data, το cmdid (command ID) δείχνει τα API messages τα οποία θα συμπεριληφθούν στην συνέχεια, δηλαδή στο cmddata (command Data). Τα multibyte values στέλνονται σε μορφή big endian. Στην εφαρμογή μας υποστηρίζονται τα ακόλουθα API Frame Names. 35

40 Πίνακας 3.2 Στο κεφάλαιο της εφαρμογής θα αναλυθεί ο τρόπος με τον οποίο χρησιμοποιούνται. 3.9 Υπηρεσίες Zigbee Απαραίτητο για την σωστή λειτουργία του πρωτοκόλλου Zigbee είναι να καθοριστεί το ZDP (Zigbee Device Profile), σύμφωνα με το οποίο καθορίζεται η 36

41 λειτουργία των συσκευών και οι υπηρεσίες οι οποίες είναι διαθέσιμες. Τα device profiles φαίνονται στον Πίνακα 3.3. Πίνακας 3.3 Μέσω του προφίλ που επιλέγεται καθορίζεται και τα διάφορα χαρακτηριστικά των συσκευών, όπως τα Cluster IDs και τα endpoints. Για την επιτυχή λειτουργία των συσκευών, το ZDO πρέπει να αναγνωρίζεται και να εξυπηρετείται από την συσκευή με την οποία θα υπάρξει διάδραση. Στην εφαρμογή αυτής της εργασίας χρησιμοποιείται το Home Automation προφίλ, το οποίο υποστηρίζουν οι διαθέσιμες συσκευές. Το Home Automation προφίλ χρησιμοποιεί τον όρο attributes για τα διάφορα δεδομένα τα οποία μπορούν να διαβαστούν και να τροποποιηθούν. Αυτά συμπεριλαμβάνονται μέσα σε μεγαλύτερες οντότητες που ονομάζονται Clusters, τα οποία είναι προκαθορισμένα από τον κατασκευαστή των συσκευών και προσδιορίζονται από ένα 2 byte αριθμόαναγνωριστικό, γνωστό και ως Cluster ID. Μια ακόμη μεγαλύτερη έννοια που περιλαμβάνει σύνολο από clusters είναι τα Endpoints. Για την επικοινωνία, λοιπόν, με μια συσκευή πρέπει να καθοριστεί το endpoint, το cluster του και στην συνέχεια το συγκεκριμένο attribute το οποίο χρειάζεται. Στην Εικόνα 3.2 φαίνεται η διαβάθμιση τους. 37

42 Εικόνα 3.2 Endpoint: Κάθε κόμβος Zigbee υποστηρίζει μέχρι και 240 endpoints, τα οποία υποδεικνύουν την τρέχουσα εφαρμογή στον κόμβο. Προφανώς, κάθε κόμβος Zigbee μπορεί να συμμετέχει σε διαφορετικές εφαρμογές. Για παράδειγμα, το endpoint 64 μπορεί να δείχνει την λάμπα που είναι συνδεδεμένη σε έναν κόμβο, ενώ το 145 να δείχνει την συσκευή μέτρησης ενέργειας. Ο κόμβος είναι ένας, μα τρέχει και τις δυο εφαρμογές. Για τον διαχωρισμό τους, χρησιμοποιούνται τα endpoint IDs, τα οποία κυμαίνονται από 0 έως 240. Το κάθε endpoint έχει ένα σύνολο από cluster. Cluster: Είναι ένα σύνολο από attributes και commands. Καθορίζονται από έναν αριθμό 2 byte, το γνωστό και ως Cluster ID. Υποδεικνύουν τις διάφορες δυνατότητες της εφαρμογής, όπως την αποστολή και λήψη πληροφοριών και τον έλεγχο των συσκευών. Είναι ανεξάρτητα τις φύσης των συσκευών, πράγμα που σημαίνει ότι ο ορισμός τους είναι ο ίδιος και η κάθε συσκευή βρίσκει τον τρόπο να το υλοποιήσει. Έτσι, ένα frame το οποίο ζητάει πληροφορίες μέσω ενός συγκεκριμένου cluster ενός endpoint θα είναι όμοιο 38

43 για την λήψη πληροφοριών από ένα διαφορετικό endpoint, αρκεί αυτό να έχει στην λίστα του το ίδιο cluster. Attribute: Αποτελεί ένα αντικείμενο αναπαράστασης μιας ποσότητας ή μιας κατάστασης στην συγκεκριμένη συσκευή του δικτύου Zigbee. Κάθε attribute δηλώνει έναν 16-bit ID, το είδος των δεδομένων του, αν είναι read-only ή read/write, μια αρχική τιμή και αν υποστηρίζεται επί του παρόντος από κάποια υλοποίηση. Παραδείγματα attribute είναι η ονομασία του κατασκευαστή της συσκευής, η κατάστασή της, οι πληροφορίες που έχει συλλέξει από τους αισθητήρες της και οι τιμές του πίνακα δρομολόγησης. Για την εδραίωση και συντήρηση του δικτύου ( commissioning and maintenance ), το πρωτόκολλο Zigbee παρέχει δυο σύνολα υπηρεσιών, με διαφορετικό τμήμα λειτουργίας. Αυτά είναι τα ZDO (Zigbee Device Object) και ZCL (Zigbee Cluster Library). Το Zigbee Device Object πρόκειται ουσιαστικά για ένα πρωτόκολλο, μέρος της στοίβας πρωτοκόλλου Zigbee, υπεύθυνο για την διαχείριση των διαφόρων συσκευών του δικτύου, την ανταλλαγή και χρήση των κλειδιών και τις διάφορες πολιτικές της υπόλοιπης στοίβας πρωτοκόλλου. Είναι ένα application object, δηλαδή, το οποίο είναι υπεύθυνο για την αρχικοποίηση των Application Support Sublayer (APS), Network Layer (NWK), και Security Service Provider (SSP). Τρέχει πάντα στο endpoint 0x0000 σε όλες τις συσκευές Zigbee. Απαιτείται να υπάρχει όταν αναπτύσσεται μια εφαρμογή στην οποία υπάρχει διάδραση μεταξύ συσκευών Zigbee σε ένα δημόσιο προφίλ, όπως είναι το Home Automation profile, ή όταν υπάρχει επαφή με συσκευές από διαφορετικούς κατασκευαστές. Μερικές ZDO υπηρεσίες είναι: Προβολή του πίνακα γειτόνων (neighbor table) οποιασδήποτε συσκευής στο δίκτυο. Προβολή του πίνακα δρομολόγησης (routing table) οποιασδήποτε συσκευής στο δίκτυο. 39

44 Προβολή λίστας με τα υποστηριζόμενα endpoints κάθε συσκευής στο δίκτυο. Να καθιστά ικανή μια συσκευή να αποχωρήσει από το δίκτυο. Να ενεργοποιεί ή απενεργοποιεί τη δυνατότητα permit-joining για μια ή περισσότερες συσκευές. Στον παρακάτω πίνακα φαίνονται μερικά Cluster IDs τα οποία υλοποιούν τις ανάλογες ZDO εντολές. Πίνακας 3.4 Ένα ιδιαιτέρως ενδιαφέρον API frame είναι το Explicit Transmit API frame (0x11), όπως αυτό φαίνεται στον Πίνακα 3.2, το οποίο χρησιμοποιείται για να στείλει 40

45 ZDO commands σε συσκευές του δικτύου. Για να γίνει αυτό, πρέπει οι τιμές στο payload τις εντολής να αποστέλλονται σε μορφή little endian. Πρέπει να τεθούν τα εξής στο API frame για την αποστολή ενός ZDO command: SE = 0x00 (source endpoint) DE = 0x00 (destination endpoint) Zigbee Device profile ID = 0x0000 Cluster ID = (οποιοδήποτε αφορά το ανάλογο ZDO command) Η ZCL (Zigbee Cluster Library) αναπτύχθηκε από την Zigbee Alliance και αποτελεί ένα σύνολο για τις διάφορες λειτουργίες των cluster στην εκάστοτε συσκευή. Εμπεριέχει δομές από frames, commands για την πρόσβαση σε συγκεκριμένα attributes, data types και ένα σύνολο από clusters. Τα cluster είναι τα ίδια όπως ορίστηκαν παραπάνω, με μερικά να εξυπηρετούν γενικού σκοπού εφαρμογές και άλλα να απευθύνονται σε πιο συγκεκριμένες λειτουργίες, όπως για εργοστασιακές εφαρμογές κλπ. Στην ZCL, γίνεται χρήση του μοντέλου client/server. Ο client είναι μια διεπαφή cluster η οποία βρίσκεται στη λίστα cluster εξόδου του simple descriptor και σχετίζεται με ένα συγκεκριμένο endpoint. Από εκεί στέλνονται εντολές για τη διαχείριση των attributes στο αντίστοιχο server cluster. Ο server είναι μια διεπαφή cluster που βρίσκεται στη λίστα cluster εισόδου του simple descriptor, συνδέεται άμεσα με ένα endpoint και υποστηρίζει τα attribute του cluster. Το μοντέλο αυτό φαίνεται στην Εικόνα 3.3. Εικόνα

46 Ως server ενός cluster αναφέρεται η οντότητα η οποία αποθηκεύει τα attributes ενός cluster, ενώ αυτή η οποία τα διαχειρίζεται, τροποποιώντας ή προβάλλοντας τα, αποτελεί τον client του cluster. Αναλόγως με την εφαρμογή, μπορεί να υπάρχουν attributes και στον client. Για την καλύτερη κατανόηση αυτών των εννοιών μπορεί κανείς να ακολουθήσει το παρακάτω παράδειγμα. Ο client στέλνει την εντολή «read attribute», η οποία λαμβάνεται από την συσκευή του server. Η απάντηση στην εντολή, που εμπεριέχει την τιμή του attribute στην συγκεκριμένη περίπτωση, στέλνεται από τον server στον client. Για το κάθε ενεργό endpoint της συσκευής, υπάρχει ένας simple descriptor, οποίος εμπεριέχει τα clusters τα οποία υποστηρίζει η συσκευή στο συγκεκριμένο προφίλ. Στον simple descriptor εμπεριέχονται δυο λίστες, η input cluster list και η output cluster list. Η πρώτη περιγράφει τους server cluster συσκευή και η δεύτερη τους client clusters, τους οποίους υποστηρίζει η συσκευή, αντίστοιχα. Στον παρακάτω πίνακα (Πίνακας 3.5) φαίνονται τα Cluster ID range των clusters για τις διάφορες λειτουργικότητες που υποστηρίζει η ZCL. Πίνακας 3.5 Τα frames της ZCL αποτελούνται από την επικεφαλίδα (ZCL header) και το φορτίο (ZCL payload). Η μορφή τους παρουσιάζεται στον Πίνακα

47 Πίνακας 3.6 Όπως είναι εύκολο να παρατηρήσει κανείς, το ZCL header αποτελούν τα Frame control, Manufacturer Code, Transaction Sequence Number και Command ID, ενώ το Frame payload ταυτίζεται με το ZCL payload. Ακολουθεί αναλυτική παρουσίαση των τμημάτων του. Frame Control: Έχει μήκος 8-bit και περιέχει πληροφορίες σχετικά με το είδος της εντολής, καθώς και τις διάφορες σημαίες ελέγχου (control flags). Η μορφή του φαίνεται στον παρακάτω πίνακα. Πίνακας 3.7 Manufacturer Code: Έχει μήκος 16-bit και καθορίζει το code του κατασκευαστή για τυχόν επεκτάσεις ενός προφίλ πέρα από τα εργοστασιακά πρότυπα. Αξίζει να σημειωθεί ότι για την συμπλήρωση αυτού του πεδίου απαιτείται το flag του frame control «Manufacturer specific» πρέπει να έχει τεθεί 1. Transaction Sequence Number: Έχει μήκος 8-bit και αποτελεί τον αριθμό της συγκεκριμένης συναλλαγής. Αυτός είναι ο τρόπος με τον οποίο το command frame της ερώτησης συνδέεται με το command frame της απάντησης. Command ID: Έχει μήκος 8-bit και υποδεικνύει το cluster command που χρησιμοποιείται. Από το frame type στο πεδίο frame control καθορίζεται αν το Command ID απευθύνεται σε ένα συγκεκριμένο cluster ή όχι. 43

48 Frame Payload: Το μήκος του εξαρτάται από πολλούς παράγοντες και δεν είναι συγκεκριμένο, μονάχα το μέγιστο μήκος του μπορεί να καθοριστεί από το stack profile που χρησιμοποιείται. Εμπεριέχει το ωφέλιμο φορτίου το πακέτου. Στον Πίνακα 3.8 υπάρχουν τα διάφορα Command IDs των general commands, τα οποία υποστηρίζονται σε οποιοδήποτε προφίλ. Πίνακας 3.8 Για την εφαρμογή αυτή χρησιμοποιείται η Read Attributes Command σε μεγάλο βαθμό για την συλλογή δεδομένων, γι αυτό αξίζει μια πιο αναλυτική εξέτασή της. Η δομή ενός Read Attribute Command frame είναι η παρακάτω. Πίνακας 3.9 Στον ZCL header, για να διαβαστούν τα attributes ενός οποιουδήποτε cluster όλα τα bits του frame control field τίθενται 0. Προφανώς, το Command ID παίρνει την τιμή 0x00, όπως φαίνεται και από τον παραπάνω πίνακα, για το Read Attribute 44

49 Command. Στο payload, το κάθε attribute identifier καθορίζει το χαρακτηριστικό που πρόκειται να διαβαστεί. Το καθένα έχει μήκος 16-bit. Η απάντηση σε ένα τέτοιο frame είναι η Read Attribute Response Command και έχει την παρακάτω μορφή. Πίνακας 3.10 Αυτή είναι η απάντηση την οποία πρέπει να επιστρέψει μια συσκευή που δέχτηκε την Read Attribute Command. Περιέχει τόσα Read Attribute Status Record όσα και τα Attribute ID του frame που έλαβε. Τα Status Records εμπεριέχει το Attribute ID, μιας τιμή status, το είδος της τιμής του attribute και την τιμή του attribute. Σε περίπτωση λανθασμένου λαμβανόμενου Attribute ID, το Status Record αναλαμβάνει να ενημερώσει. Η μορφή του Read Attribute Status Record, όπως περιγράφτηκε παραπάνω, φαίνεται στον Πίνακα Πίνακας 3.11 Attribute ID: Status: Attribute data type: Attribute value: 16-bit 8-bit 8-bit variable 45

50 46

51 4 ΣΥΣΚΕΥΕΣ ΔΙΚΤΥΟΥ 4.1 Εισαγωγή Σε αυτό το κεφάλαιο μελετώνται οι συσκευές που χρησιμοποιήθηκαν για την υλοποίηση της εφαρμογής. Μέσω αυτών των συσκευών, κατασκευάστηκε ο κόμβος που εισήρθε στο ασύρματο δίκτυο. Οι διάφορες συσκευές αυτές ήτανε απαραίτητες για την πραγματοποίηση της ζητούμενης λειτουργικότητας. 4.2 XBee PRO series 2 Τα radio modules XBee PRO series 2 είναι συσκευές οι οποίες λειτουργούν με βάση το πρωτόκολλο Zigbee, ικανοποιώντας την ανάγκη για χαμηλή κατανάλωση ενέργειας και χαμηλό κόστος. Λειτουργούν στο εύρος συχνότητας των 2,4 GHz. Οι συσκευές είναι προϊόν της Digi International. Εικόνα 4.1 Τα XBee μπορούν να χρησιμοποιηθούν με ελάχιστες συνδέσεις. Απαιτείται ισχύς για την λειτουργία τους, γραμμή σειριακής εισόδου και εξόδου δεδομένων, καθώς και τις γραμμές reset και sleep. Στην Εικόνα 4.2 φαίνονται ενδεικτικά τα pins ενός XBee PRO series 2. 47

52 Εικόνα 4.2 Δεν θα πρέπει να υπάρχει σύγχυση μεταξύ των XBee και Zigbee, μιας και πρόκειται για διαφορετικά προϊόντα. Ενώ το Zigbee είναι RF πρωτόκολλο δημιουργημένο από την Zigbee Alliance, το XBee είναι ένα σύνολο προϊόντων, συγκεκριμένα RF modules, της Digi International. Με τις κατάλληλες ρυθμίσεις, τα modules αυτά είναι ικανά να σχηματίσουνε ένα δίκτυο βασισμένο στο Zigbee πρωτόκολλο. Τα XBee radio modules κατασκευάζονται σε δυο μορφές, through-hole και surface-mount, τα οποία αποτελούν δυο διαφορετικές φιλοσοφίες κατασκευής εξαρτημάτων ολοκληρωμένων κυκλωμάτων. Για την εφαρμογή αυτή, χρησιμοποιείται through-hole τεχνολογία, μιας και το διαθέσιμο Waspmote, για το οποίο θα γίνει αναφορά παρακάτω, παρέχει έτοιμες υποδοχές για την τοποθέτηση των module. Τα XBee αρχικοποιούνται μέσω από το γραφικό περιβάλλον της εφαρμογής XCTU, όταν έχουνε συνδεθεί μέσω του Libelium Gateway. 4.3 Waspmote Για την κατασκευή των κόμβων με τους οποίους θα γίνει η διάδραση με το ασύρματο δίκτυο, χρησιμοποιείται το board Waspmote της Libelium. Πρόκειται για ένα ενσωματωμένο υπολογιστικό σύστημα το οποίο μπορεί να προγραμματιστεί και να ρυθμιστεί αναλόγως για την πραγματοποίηση συγκεκριμένων εργασιών. 48

53 Γενικά, τα ενσωματωμένα υπολογιστικά συστήματα αποτελούν συσκευές με απαραίτητη την ύπαρξη ενός κεντρικού μικροεπεξεργαστή, καθώς και διάφορα άλλα ψηφιακά μέρη, όπως οι μνήμες, οι ελεγκτές κλπ. Ένα ενσωματωμένο υπολογιστικό σύστημα έχει ενσωματωμένο λογισμικό για την λειτουργία του καθώς και διάφορα αναλογικά στοιχεία, όπως οι αισθητήρες και οι διεγέρτες. Για την λειτουργία αυτών των αναλογικών μερών απαραίτητη είναι και η ύπαρξη μετατροπέων από αναλογικό σε ψηφιακό σήμα και αντιστρόφως. Τα ενσωματωμένα υπολογιστικά συστήματα είναι συσκευές συγκεκριμένου σκοπού, έτσι χρησιμοποιούνται με βάση την κατανάλωση ενέργειας που έχουνε, τους διαθέσιμους αισθητήρες, την επεκτασιμότητα τους και άλλα χαρακτηριστικά. Το Waspmote, το οποίο φαίνεται στο παρακάτω σχήμα, έχει κατασκευαστεί από την εταιρία Libelium και έχει την δυνατότητα να προγραμματιστεί για τους διάφορους σκοπούς της διπλωματικής εργασίας. Όπως αναφέραμε, τα ενσωματωμένα υπολογιστικά συστήματα εξυπηρετούν συγκεκριμένους σκοπούς και το Waspmote δεν αποτελεί εξαίρεση. Με τον κατάλληλο προγραμματισμό, μπορεί να αποτελέσει κόμβο ενός WSN, ο οποίος εκτελεί την λειτουργία την οποία έχει προγραμματίσει ο σχεδιαστής. Εικόνα

54 Τα χαρακτηριστικά του Waspmote είναι τα παρακάτω. Μικροελεγκτής: ATmega1281 Συχνότητα: MHz Μνήμη SRAM: 8 KB Μνήμη EPROM: 4 KB Μνήμη FLASH: 128 KB SD Card: 2 GB Βάρος: 20 gr Διαστάσεις: 73.5 x 51 x 13 mm Εύρος θερμοκρασίας: [-10 βαθμοί κελσίου, +65 βαθμοί κελσίου] Ρολόι: RTC (32KHz) Τάση μπαταρίας: 3.3V - 4.2V USB charging: 5V 100 ma Solar panel charging: 6-12V 280 ma Παρακάτω φαίνονται η πάνω και η κάτω όψη του Waspmote. Εικόνα

55 Εικόνα 4.5 Στα επόμενα κεφάλαια θα περιγραφούν τα αναλυτικά βήματα για τον προγραμματισμό του ώστε να γίνει κόμβος του δικτύου Zigbee του εργαστηρίου. 4.4 UART Για την είσοδο δεδομένων από το waspmote στον υπολογιστή, είναι απαραίτητη η χρήση μιας συσκευής επικοινωνίας. Για την συγκεκριμένη εφαρμογή, επιλέξαμε μια συσκευή σειριακής επικοινωνίας UART. Η σειριακή επικοινωνία είναι ένας τρόπος επικοινωνίας μεταξύ ηλεκτρονικών συσκευών κατά τον οποίο η μεταφορά των δεδομένων γίνεται ένα bit την φορά, σε αντίθεση με την παράλληλη επικοινωνία, όπου γίνεται μεταφορά πολλαπλών bit ταυτόχρονα. Υπάρχουν δυο τρόποι υλοποίησής, σύγχρονη σειριακή επικοινωνία και ασύγχρονη. Στην σύγχρονη τα ρολόγια των δύο συσκευών που επικοινωνούν είναι συγχρονισμένα εκ των προτέρων, για δειγματοληψία στα ίδια χρονικά διαστήματα. Στην ασύγχρονη δεν υπάρχει τέτοιος συγχρονισμός μεταξύ πομπού και δέκτη, έτσι ο συγχρονισμός γίνεται με start και stop bits, με διάρκεια 1, 1,5 ή 2 bits. Επιπλέον, στην ασύγχρονη επικοινωνία συνιστάται η χρήση ελέγχου ισοτιμίας, ο οποίος είναι ένας 51

56 εύκολος τρόπος να ελέγξει ο δέκτης αν παρέλαβε τα σωστά δεδομένα από τον αποστολέα. Στην εφαρμογή αυτή χρησιμοποιείται η UART της Libelium με το όνομα Waspmote Gateway. Εικόνα 4.6 Παρακάτω φαίνονται LEDs του Waspmote Gateway, καθώς και οι λειτουργίες που εξυπηρετούν. Εικόνα Dinrails Για την λήψη των πληροφοριών ενέργειας από το σύστημα, χρησιμοποιούνται οι συσκευές Dinrails της εταιρίας Meazon. Πρόκειται για τριφασικούς μετρητές, οι οποίοι έχουνε συνδεθεί στους πίνακες του εργαστηρίου για να δώσουν την δυνατότητα να γίνει καταμέτρηση των διαφόρων μεγεθών ενέργειας, όπως είναι η 52

57 συνολική κατανάλωση των τριών φάσεων. Παρέχουν την δυνατότητα καταγραφής των δεδομένων στις εσωτερικές τους μνήμες για διάστημα περίπου 21 ημερών ή και περισσότερο. Έχουν την δυνατότητα χρονοπρογραμματισμού μέσω του εξωτερικού ρελέ. Ενδεικτικά ένα από τα Dinrails στην Εικόνα 4.8. Εικόνα 4.8 Οι συσκευές αυτές συνδέονται στο δίκτυο με μια διαδικασία η οποία θα περιγραφτεί παρακάτω και αποτελούνε κόμβους του δικτύου Zigbee του εργαστηρίου. Με τα κατάλληλα μυνήματα από τον καινούργιο κόμβο υπάρχει δυνατότητα αντλησης των πληροφοριών κατανάλωσης, αποστολής σήματος αναγνώρισης συσκεύης ή και έλεγχος για την ενεργοποίηση ή απενεργοποίηση της συσκευής. Ο τρόπος με τον οποίο γίνονται οι λειτουργίες αυτές θα γίνει προφανής στο κεφάλαιο ΕΠΙΠΕΔΟ ΕΦΑΡΜΟΓΗΣ. 53

58 Μερικά χαρακτηριστικά τους είναι: Αρχιτεκτονική: Συχνότητα λειτουργίας: Ταυτόχρονη λειτουργία πολλαπλών μετρητικών συσκευών: Αποθήκευση μετρήσεων: Ανταπόκριση σε απώλεια επικοινωνίας: Μηχανισμός ασφαλείας: Κατανάλωση: Εμβέλεια: Zigbee Mesh Network 2.4 GHz Ναι Ναι Ναι, ανακατεύθυνση μέσω Zigbee Ναι, AES 128-bits Μικρότερη από 0.5 Watt Μέχρι 50m 4.7 Smart Plug Εκτός από τα Dinrails, για την λήψη μετρήσεων χρησιμοποιείται η πρίζα Bizy Plug, επίσης της εταιρίας Meazon. Πρόκειται για έναν μονοφασικό μετρητή, ο οποίος παρεμβαίνει ανάμεσα στην παροχή ρεύματος και την συσκευή. Στην ουσία, πρόκειται για μια ελεγχόμενη έξυπνη πρίζα, η οποία μπορεί να δεχθεί σήματα για την ενεργοποίηση και απενεργοποίηση της, καθώς και να στείλει πληροφορίες σχετικά με την κατανάλωσή ενέργειας. Ο έλεγχος γίνεται μέσα από το ενσωματωμένο ρελέ της. Εμπεριέχει και αισθητήρα θερμοκρασίας. Στις παρακάτω εικόνες φαίνεται η Bizy Plug. 54

59 Εικόνα 4.9 Εικόνα 4.10 Ακολοθούν κάποια χαρακτηριστηκά της. Προφίλ: Home Automation 1.2 Αρχιτεκτονική: Zigbee Mesh Network 55

60 Συχνότητα λειτουργίας: Ταυτόχρονη λειτουργία πολλαπλών μετρητικών συσκευών: Αποθήκευση μετρήσεων: Ανταπόκριση σε απώλεια επικοινωνίας: Μηχανισμός ασφαλείας: Κατανάλωση: Εμβέλεια: 2.4 GHz Ναι Ναι Ναι, ανακατεύθυνση μέσω Zigbee Ναι, AES 128-bits Μικρότερη από 0.5 Watt Μέχρι 50m 56

61 5 ΕΠΙΠΕΔΟ ΕΦΑΡΜΟΓΗΣ 5.1 Εισαγωγή Σε αυτό το κεφάλαιο θα περιγραφτούν οι διαδικασίες οι οποίες ακολουθήθηκαν προκειμένου να επιτευχθεί η επιτυχής εισαγωγή των συσκευών στο δίκτυο, καθώς και η λειτουργία τους. Αρχικά, θα γίνει αναφορά στην αρχικοποίηση των radio modules που χρησιμοποιήθηκαν. Οι αρχικοποιήσεις πραγματοποιήθηκαν μέσα από το γραφικό περιβάλλον Χ-CTU, καθώς και ορισμένα από τα πειραματικά frames που στάλθηκαν για την λήψη πληροφοριών. Στην συνέχεια, θα περιγραφούν οι λειτουργίες τις οποίες μπορούν να υποστηρίξουν οι διαθέσιμες μετρητικές συσκευές, καθώς και τον τρόπο με τον οποίο μπορεί να γίνει η εκμετάλλευση τους για να πραγματοποιηθεί η εφαρμογή. 5.2 X-CTU Το γραφικό περιβάλλον X-CTU αποτελεί μια πλατφόρμα ρυθμίσεων (Configuration Platform), η οποία επιτρέπει την ρύθμιση των συσκευών RF της εταιρίας Digi. Συγκεκριμένα, είναι ο τρόπος με τον οποίον πραγματοποιείται η ρύθμιση των XBee modules Μέσω αυτής της πλατφόρμας, υπάρχει η δυνατότητα να αναβαθμιστεί το firmware των XBee, να ελεγχθούν τα χαρακτηριστικά τους και να δοκιμαστεί η λειτουργία τους. Παρακάτω φαίνεται το γραφικό περιβάλλον X-CTU. 57

62 Εικόνα 5.1 Στην περίπτωσή της εργασίας αυτής, τα XBee συνδέονται στον υπολογιστή μέσω της Libelium Gateway. Για την επιτυχή σύνδεση του κόμβου στο PAN του εργαστηρίου, έπρεπε να γίνει η ρύθμιση ορισμένων παραμέτρων σε αυτό το περιβάλλον. Αυτές είναι οι παρακάτω: Zigbee stack profile (ZS) : 2 Channel verification (JV) : 1 Join Notification (JN) : 1 Network Discovery Options (NO) : 01 Power mode (PM) : 0 Encryption enable (EE) : 1 Encryption Key (KY) : 5a c6c69616e Baud rate (BD) : API enable (AP) : 1 API output mode (AO) : 1 58

63 Αναλυτικότερα, το Zigbee Stack Profile ορίζεται 2 για να ακολουθεί την ρύθμιση του δικτύου του εργαστηρίου, το οποίο ακολουθεί το Home Automation προφίλ. Το Channel Verification ορίζεται 1, δηλαδή ενεργό, προκειμένου ο Router που δημιουργείται να ανιχνεύσει την ύπαρξη ενεργού Coordinator στο κανάλι, ειδάλλως επιλέγει την έξοδο και την αναζήτηση εναλλακτικού ενεργού PAN. Το Join Notification παίρνει την τιμή 1 για να στείλει ο κόμβος ένα broadcast σήμα σε όλους τους κόμβους του καναλιού κατά την είσοδο του, οι οποίοι ανάβουνε τα LED τους σε απάντηση και στέλνουν ένα API frame. Η Encryption Enable ενεργοποιείται με τον αριθμό 1 και το Encryption Key είναι το δημόσιο κλειδί κρυπτογράφησης που χρησιμοποιεί το PAN του εργαστηρίου. Μετά την ρύθμιση των συσκευών, υπάρχει η δυνατότητα να αποσταλούν API frames μέσω του περιβάλλοντος X-CTU προκειμένου να δοκιμαστεί η λειτουργικότητα τους. Όπως αναφέρθηκε, πρέπει να τεθούν τα εξής στο API frame για την αποστολή ενός ZDO command: SE = 0x00 (source endpoint) DE = 0x00 (destination endpoint) Zigbee Device profile ID = 0x0000 Cluster ID = (οποιοδήποτε αφορά το ανάλογο ZDO command) Παρακάτω θα μελετηθούν μερικά από τα commands τα οποία στάλθηκαν για την δοκιμή της ορθής λειτουργίας του δικτύου. 5.3 Λήψη πληροφοριών μέσω API frames Ένα frame βασικό για την αναγνώριση των συσκευών στο δίκτυο είναι το Network Address Request. Μέσω αυτού, μπορεί ο κόμβος να αναγνωρίσει την διεύθυνση των διαφόρων συσκευών του δικτύου. 59

64 Εικόνα 5.2 Στάλθηκε το παρακάτω frame: API ID: Frame ID: 64-bit address: 16-bit address: source endpoint: destination endpoint: Cluster ID: Profile ID: Broadcast Radius: Transmit Options: Data Payload: 0x11 0x01 0x ( FFFF) 0xFFFE 0x00 0x00 0x0000 0x0000 0x00 0x DDA A200 60

65 Συγκεκριμένα, η 64-bit address ρυθμίστηκε σε «broadcast», η 16-bit address ρυθμίστηκε σε «άγνωστη διεύθυνση», το Cluster ID σε «network address request», το Profile ID σε «Zigbee Device Profile» και στο payload βάλαμε την 64-bit MAC address του router που δημιουργείται. Η απάντηση από την καθεμιά συσκευή του δικτύου ήταν η 64-bit και η 16-bit διεύθυνσή της, οι οποίες φαίνονται παρακάτω. Συσκευή 64-bit Address 16-bit Address Waspmote 0013A200403DDA75 C6FD Plug 00124B0002CC8068 BAB0 Dinrail b00040Α7F5F 3ACE Dinrail B00040A7FD Dinrail B00040A8105 D9EE Coordinator 00124B B Πίνακας 5.1 Οι συσκευές φαίνονται στο παρακάτω σχήμα, το οποίο σχεδίασε το X-CTU μέσω της λειτουργίας του ανακάλυψης συνδέσεων δικτύου. Στην πάνω αριστερή γωνία φαίνεται ο κόμβος ο οποίος δημιουργήσαμε. 61

66 Εικόνα 5.3 Το επόμενο API frame απαραίτητο για την λειτουργία της συσκευής είναι το «Active Endpoints Request». Μέσω αυτού, ο κόμβος μαθαίνει την ύπαρξη ενεργών Endpoint μέσα στο δίκτυο, καθώς και τις συσκευές τους. Η σύνταξή του φαίνεται παρακάτω. 62

67 Εικόνα 5.4 Όπως αναφέραμε, τα endpoints υποδεικνύουν της διαθέσιμες λειτουργίες των συσκευών. Στείλαμε ξεχωριστά τα frames στην κάθε συσκευή για την λήψη των πληροφοριών. Το παρακάτω είναι το γενικό frame, όπου το μόνο που άλλαζε για την κάθε συσκευή είναι το 16-bit address της. Στην θέση του 64-bit address βάλαμε άγνωστη διεύθυνση. API ID: 0x11 Frame ID: 0x01 64-bit address: 0x (FFFF FFFF FFFF FFFF) 16-bit address: 0x (16-bit address of device) source endpoint: 0x00 destination endpoint: 0x00 Cluster ID: 0x0005 Profile ID: 0x0000 Broadcast Radius: 0x00 Transmit Options: 0x00 Data Payload: Λάβαμε τις παρακάτω πληροφορίες 63

68 Συσκευή Plug Dinrails Coordinator Endpoints 0A,0E 0A,0E 14,09,0E Πίνακας 5.2 Παρατηρείται ότι τα Endpoints των Dinrails και του Plug είναι κοινά. Το Endpoint 0A αφορά την αποστολή ZCL commands, οι οποίες θα χρησιμοποιηθούν για την λήψη πληροφοριών για τις διάφορες μετρήσεις. Το Endpoint 0E αφορά αναβαθμίσεις Over-The-Air, που υπερβαίνουν τα όρια αυτής της εργασίας. Τέλος, έχοντας τα Endpoints, υπάρχει η δυνατότητα αποστολής ενός frame για έλεγχο του simple descriptor του κάθε endpoint. Μέσω αυτού, γίνεται αναγνώριση των διαθέσιμων λειτουργιών των συσκευών, και πιο συγκεκριμένα τα clusters τα οποία περιλαμβάνει το κάθε Endpoint. Η διαδικασία αυτή πραγματοποιείται με το παρακάτω frame. API ID: Frame ID: 64-bit address: 16-bit address: source endpoint: destination endpoint: Cluster ID: Profile ID: Broadcast Radius: Transmit Options: Data Payload: 0x11 0x01 0x (FFFF FFFF FFFF FFFF) 0x (16-bit address of device) 0x00 0x00 0x0005 0x0000 0x00 0x A Η απάντηση που λήφθηκε για την πρίζα έχει το εξής Payload: B0 BA 14 0A FD 00 Το Payload αυτό ερμηνεύεται ως εξής. Sequence Number: 01 Status: 00 64

69 Address: B0 BA (little endian) Length: 14 Endpoint: 0A Application Profile ID: 0401 (home automation profile in little endian) Application Device ID: 5100 (smart plug in little endian) Application Device Version: 00 Input Cluster Count: 06 Input Cluster List: FD Output Cluster List: 00 Άρα η smart plug έχε στην διάθεσή της 6 clusters υπό το Home Automation προφίλ. Αυτά είναι τα basic, identify, on/off, measuring και group clusters, καθώς και το FD 00, με την σειρά που αναφέρθηκαν. Οι διευθύνσεις τους είναι αντιστοίχως 00 00, 00 03, 00 06, 07 02, Αυτά είναι άλλωστε και το clusters που μας παρέχει το documentation της Bizy Plug. Αντίστοιχη διαδικασία μπορεί να πραγματοποιηθεί και για τα λοιπά Endpoints των συσκευών του δικτύου. Τα Dinrails δίνουνε το παρακάτω Payload (16-bit address of Dinrail) 16 0A F FD 00 Με αντίστοιχη ανάλυση λαμβάνονται τα clusters του Endpoint του Dinrail, τα οποία είναι τα: 00 00, 00 03, 00 06, 07 02, 00 0F, 00 04, FD 00 Με την ολοκλήρωση αυτής της διαδικασίας, ο κόμβος γνωρίζει όλες τις πληροφορίες του δικτύου και τις διαθέσιμες λειτουργίες. Με την γνώση αυτή, καθίσταται δυνατή η αρχική σχεδίαση της εφαρμογής. Πριν την σχεδίαση της εφαρμογής, όμως, πρέπει να γίνει ανάλυση των διαθέσιμων clusters, προκειμένου να αναγνωριστούν οι δυνατότητες του δικτύου και των διαθέσιμων συσκευών. 65

70 5.4 Clusters Τα διαθέσιμα clusters στο Endpoint 0Ε των μετρητικών συσκευών, τα οποία λήφθηκαν από τα API frame που στάλθηκαν, είναι: Basic Cluster : 0x0000 Identify Cluster: 0x0003 On/Off Cluster: 0x0006 Groups Cluster: 0x0004 Metering Cluster: 0x0702 Το Basic Cluster εμπεριέχει κάποια βασικά attributes τα οποία έχουν πληροφορίες για την εκάστοτε συσκευή. Τα attributes αυτά φαίνονται στον Πίνακα 5.3. Πίνακας 5.3 Σε αυτό δεν δημιουργείται καμιά εντολή command, απλά δέχεται με αναγνωριστικό 0x0000, όπως φαίνεται παρακάτω, στην Εικόνα

71 Εικόνα 5.4 Μέσω του περιβάλλοντος X-CTU στάλθηκε ένα frame για τον έλεγχο ορισμένων attribute του basic cluster. Για να ληφθεί η πληροφορία «Manufacturer Name» από την πρίζα, στάλθηκε frame με τα παρακάτω χαρακτηριστικά. 16-bit address: BA B0 Cluster ID: Profile ID: Frame Control: 00 Sequence Number: 00 Command ID: 00 Command Payload: Να σημειωθεί εδώ ότι το Frame Control, Sequence Number, Command ID και το Command Payload αποτελούνε ολόκληρη την έννοια του «Payload» όπως την αναφέραμε νωρίτερα. Δηλαδή το Payload έχει την μορφή: Η απάντηση που λάβαμε είχε στο Payload: Data Type: 42 Attribute Value: 0A 4D A 6F 6E E 41 To Data Type 42 αποτελεί ένα «Character String».Μετατρέποντας το value από HEX σε ASCII λαμβάνεται η παρακάτω γραμματοσειρά: Meazon S.A. 67

72 Η Meazon είναι ο κατασκευαστής της Bizy Plug του εργαστηρίου, άρα η πληροφορία είναι σωστή. Το Identify Cluster έχει σκοπό την αναγνώριση μιας συσκευής μέσω από αναλογικά σήματα. Κάθε συσκευή έχει την δυνατότητα ταυτοποίησης αν της ζητηθεί, είτε μέσω LED είτε με ηχητικά σήματα, ανάλογα από τον κατασκευαστή. Στην συγκεκριμένη περίπτωση, ένα LED το οποίο αναβοσβήνει είναι το χαρακτηριστικό των μετρητικών συσκευών. Όταν η συσκευή λάβει ένα frame για identify, το LED της αναβοσβήνει για όση ώρα έχει καθοριστεί από το attribute «Identify Time Cluster». Στην εικόνα 5.5 φαίνονται τα αντίστοιχα attributes και commands. Εικόνα 5.5 Μέσω του περιβάλλοντος X-CTU, αποστέλλεται ένα frame για την αναγνώριση της Bizy Plug. Το frame αυτό θα έχει τα παρακάτω χαρακτηριστικά: 16-bit address: BA B0 Cluster ID: Profile ID: Frame Control: 00 Sequence Number: 00 68

73 Command ID: 00 Command Payload: Αξίζει να σημειωθεί ότι το Command Payload του frame Identify είναι μηδενικό. Η απάντηση εμπεριέχει στο Payload της παρακάτω πληροφορίες: Data Type: 21 Attribute Value: Ταυτόχρονα, το LED της Bizy Plug αναβοσβήνει για ένα προκαθορισμένο χρονικό διάστημα. Το cluster αναγνώρισης έχει σκοπό την ταυτοποίηση των συσκευών στον πραγματικό χώρο. Αν και στα πλαίσια αυτής της εργασίας η λειτουργία του δεν έχει ιδιαίτερο νόημα, σε ένα μεγάλο άγνωστο δίκτυο η δυνατότητα ταυτοποίησης της φυσικής τοποθεσίας των συσκευών είναι ανεκτίμητη. Το On/Off cluster έχει σκοπό τον έλεγχο των συσκευών του δικτύου. Παρέχει την διεπαφή με το ρελέ-διακόπτη της συσκευής, το οποίο προσδιορίζει την λειτουργία η όχι του φορτίου. Προφανώς, κάθε Endpoint έχει το δικό του On/Off cluster και ο έλεγχος πρέπει να πραγματοποιείται με διαφοροποίηση μεταξύ τους. Στην Εικόνα 5.6 φαίνονται τα attributes και τα commands που περιλαμβάνει το cluster αυτό. 69

74 Εικόνα 5.6 Υπάρχει ένα επιπλέον attribute για τους μετρητές της εφαρμογής, το OnOff Startup State, το οποίο καθορίζει την τιμή του OnOff attribute κατά την εκκίνηση της συσκευής. 0x00 για την Off κατάσταση, 0x01 για την On και 0x02 για την χρήση της προηγούμενης κατάστασης. Μέσα από τα X-CTU στάλθηκε το frame για τον έλεγχο της Bizy Plug. Αυτό το frame είχε τα παρακάτω χαρακτηριστικά. 16-bit address: BA B0 Cluster ID: Profile ID: Frame Control: 00 Sequence Number: 01 Command ID: 00 Command Payload: 02 Αυτό το frame προκαλεί toggle στην πρίζα, αλλάζοντάς την από την On στην Off κατάσταση και αντίστροφα. Με την επιτυχή του αποστολή, από την Bizy Plug 70

75 ακούγεται ο χαρακτηριστικός του ρελέ-διακόπτη που αλλάζει κατάσταση και το LED δείχνει την παροχή ενέργειας ή όχι, όντας αναμμένο στην μια περίπτωση και κλειστό στην άλλη. Μέσω του cluster αυτού επιτυγχάνεται ο έλεγχος της Bizy Plug σε αυτή την εφαρμογή. Το Group cluster ομαδοποιεί της συσκευές προκειμένου να υπάρξει διάδραση μονάχα με συγκεκριμένες ομάδες μέσα στο δίκτυο. Αποτελεί ένα τρόπο multicast, όπου μια εντολή Over-The-Air θα γίνει αποδεκτή από μια συσκευή σε ένα συγκεκριμένο group, μα θα απορριφτεί αν αυτή η συσκευή δεν ανήκει στο group το οποίο απευθύνεται η εντολή. Στην Εικόνα 5.7 φαίνονται τα attributes και τα commands του. 71

76 Εικόνα 5.7 Αν και ιδιαιτέρως χρήσιμο Cluster, δεν αξιοποιήθηκε σε αυτή την εφαρμογή, κυρίως λόγω του μικρού αριθμού των συσκευών. Οι δυνατότητες του, όμως, σε μεγαλύτερα δίκτυα είναι αναμφισβήτητες. Αξίζει να σημειωθεί ότι δεν αποτελεί μέρος του Zigbee Device Profile, μα αποτελεί προσθήκη του κατασκευαστή των συσκευών. Το Metering cluster αποτελεί τον τρόπο με τον οποίο συλλέγονται τα δεδομένα των μετρητικών συσκευών. Καθορίζεται από την Zigbee Alliance ως ένα σύνολο από attributes, από τα οποία θα χρησιμοποιηθούν μερικά από αυτά ενώ εξίσου έχουν 72

77 προστεθεί επιπλέον attributes από το κατασκευαστή των μετρητικών συσκευών με στόχο την μεγαλύτερη ακρίβεια μετρήσεων. Στο Metering cluster τα attributes είναι ομαδοποιημένα σε υποσύνολα που καθορίζονται από την μάσκα τους. Παρακάτω φαίνονται οι μάσκες αυτές, καθώς και τα υποσύνολα στα οποία αντιστοιχούν. Παρέχονται στο specification από την Zigbee Alliance. Attribute Set Mask 0x0000 0x0100 0x0200 0x0300 0x0400 0x0500 0x0600 0x0700 0x0800 0x0900 0xff00 Description Reading Information Set TOU Information Set Meter Status Formatting Historical Consumption Load Profile Configuration Supply Limit Block Information Alarms Reserved Πίνακας 5.4 Στην Εικόνα 5.8 φαίνονται τα attributes του Metering Cluster. 73

78 Συνοπτικά για τα διαθέσιμα attributes: Εικόνα 5.8 Current Summation Delivered: Καταναλισκόμενη Ενέργεια Current Summation Received: Λαμβανόμενη Ενέργεια Inlet Temperature: Θερμοκρασία από τον αισθητήρα της συσκευής Meter Status: Κατάσταση της μετρητικής συσκευής (bit-map) Unit of Measure: Μονάδα μέτρησης της ισχύος (0x00 : KWh) Multiplier: Πολλαπλασιαστής (για λειτουργίες) Divisor: Διαιρέτης (για λειτουργίες) Summation Formatting: Τρόπος αποκωδικοποίησης των αριθμών των μετρήσεων καταναλισκόμενης και λαμβανόμενης ενέργειας 74

79 Demand Formatting: Τρόπος αποκωδικοποίησης των αριθμών της στιγμιαίας ζήτησης Metering Device Type: Τύπος μέτρησης (0 : Ηλεκτρική) Meter Serial Number: Μοναδική ένδειξη κάθε συσκευής (24 χαρακτήρες UTF-8) Temperature Unit of Measure: Μονάδα μέτρησης θερμοκρασίας Temperature Formatting: Τρόπος αποκωδικοποίησης των μετρήσεων θερμοκρασίας Instantaneous Demand: Στιγμιαία Ισχύς Για την εφαρμογή, θα χρησιμοποιηθούν τα Current Summation Delivered, το οποίο δίνει την καταναλισκόμενη ηλεκτρική ενέργεια, και το Instantaneous Demand, το οποίο δίνει την στιγμιαία ισχύ. Μέσα από το X-CTU, κατασκευάστηκε ένα frame για την λήψη των πληροφοριών καταναλισκόμενης ενέργειας. Το frame είχε τα εξής χαρακτηριστικά. 16-bit address: BA B0 Cluster ID: Profile ID: Frame Control: 00 Sequence Number: 00 Command ID: 00 Command Payload: (Current Summation Delivered) Το frame που λήφθηκε ως απάντηση είχε τα εξής χαρακτηριστικά. Frame header: 18 Sequence Number: 00 Received Attribute Response: 01 Attribute responding to: Status: 00 Attribute Data type: 25 Attribute Value: 0F 1B (little endian) Η τιμή είναι σε Unsigned 48-bit integer και είναι η τιμή

80 Αντιστοίχως, για το Instantaneous Demand, το frame είχε τα εξής χαρακτηριστικά. 16-bit address: BA B0 Cluster ID: Profile ID: Frame Control: 00 Sequence Number: 00 Command ID: 00 Command Payload: (Instantaneous Demand) Το frame που λήφθηκε ως απάντηση είχε τα εξής χαρακτηριστικά. Frame header: 18 Sequence Number: 00 Received Attribute Response: 01 Attribute responding to: Status: 00 Attribute Data type: 2Α Attribute Value: (little endian) Η τιμή είναι σε signed 24-bit integer και η τιμή είναι 0, μιας και δεν υπάρχει συνδεδεμένη κάποια συσκευή πάνω στην Bizy Plug. Αυτές οι πληροφορίες μπορούν να ληφθούν ταυτόχρονα αν στο Payload του frame που αποστέλλεται υπάρχουν και τα δυο attributes. 76

81 6 ΕΦΑΡΜΟΓΗ 6.1 Εισαγωγή Για την πραγματοποίηση της εφαρμογής, χρησιμοποιήθηκαν τρεις δυνατότητες του δικτύου Zigbee. Πρόκειται για την συλλογή δεδομένων από τις μετρητικές συσκευές, τον έλεγχο της Bizy Plug και την δυνατότητα τοποθέτησης συσκευών σε κατάσταση ύπνου. Θα μελετηθεί η απαραίτητη αρχικοποίηση των συσκευών της εφαρμογής και στην συνέχεια θα εξεταστεί η κάθε δυνατότητα ξεχωριστά. 6.2 Αρχικοποιήσεις Πρώτη και βασικότερη αρχικοποίηση είναι η φόρτωση του κατάλληλου firmware στα XBee module που είναι διαθέσιμα. Για την εφαρμογή συλλογής δεδομένων και έλεγχο, οι οποίες πραγματοποιούνται ταυτόχρονα σε δυο διαφορικές εκδοχές, φορτώνεται σε δυο διαθέσιμα modules το firmware Zigbee Router API 237A, το οποίο είναι η τελευταία διαθέσιμη έκδοση. Αυτό γίνεται μέσω του γραφικού περιβάλλοντος X-CTU, όπως αυτό αναφέρθηκε στο κεφάλαιο 5. Το module XBee φορτώνεται στο Gateway της Libelium και επιλέγεται το «Update Firmware» στο περιβάλλον X-CTU. Για την εφαρμογή Sleep, φορτώνεται ένα διαθέσιμο module XBee με τον firmware Zigbee End Device API 29A7, το οποίο είναι η τελευταία διαθέσιμη έκδοση. Αυτό γίνεται μιας και για την χρησιμοποίηση του sleep mode πρέπει να υπάρχει μια συσκευή End-Device και όχι Router, μιας και οι Router απαγορεύεται από την στοίβα πρωτοκόλλου να μπαίνουν σε «κατάσταση ύπνου» όταν το δίκτυο δεν είναι ρυθμισμένο από τον Coordinator σε beacon mode. Και πάλι, η αναβάθμιση του firmware πραγματοποιείται με σύνδεση του XBee module στο Gateway και φόρτωση του λογισμικού μέσω του X-CTU. Μετά την φόρτωση του κατάλληλου firmware, πρέπει να εισαχθούν οι συσκευές στο προϋπάρχον δίκτυο Zigbee. Για να γίνει αυτό, απαιτείται σύνδεση στην IP του 77

82 εργαστηρίου Σε αυτή την διεύθυνση, ο κατασκευαστής έχει βάλει κάποιες διαθέσιμες λειτουργίες που παρέχει ο Coordinator, μιας από τις οποίες είναι και η προσθήκη νέων συσκευών στο δίκτυο, για το οποίο ζητείται ειδική άδεια. Εικόνα 6.1 Εικόνα 6.2 Η προσθήκη νέων συσκευών πραγματοποιείται με το πάτημα του κουμπιού «+ΠΡΟΣΘΗΚΗ». Για ένα προκαθορισμένο διάστημα, οποιαδήποτε συσκευή με τις κατάλληλες ρυθμίσεις μπορεί να εισέρθει στο δίκτυο Zigbee. Οι ρυθμίσεις αυτές αναφέρθηκαν στο κεφάλαιο 5. 78

83 6.4 Προγραμματισμός Waspmote Για την υλοποίηση της εφαρμογής χρησιμοποιήθηκε το waspmote, όπως αναφέρθηκε στο κεφάλαιο 4. Ο προγραμματισμός του router-waspmote πραγματοποιήθηκε στην εφαρμογή Waspmote-PRO-IDE-v04. Το κάθε πρόγραμμα που τρέχει ένα waspmote της Libelium έχει δυο βασικά μέρη, το «setup» και το «loop». Η πρώτη είναι η συνάρτηση που αρχικοποιεί το πρόγραμμα και καθορίζει τις αρχικές του ρυθμίσεις. Πάντα εκτελείται στην αρχή της εκτέλεσής του. Η δεύτερη είναι ένας βρόγχος επανάληψης ο οποίος εκτελείται θεωρητικά επ άπειρο, τουλάχιστον μέχρι την διακοπή της λειτουργίας της συσκευής. Εμπεριέχει τον κύριο κώδικα της συσκευής, δηλαδή τις διάφορες λειτουργίες που πραγματοποιεί. Στην εφαρμογή αυτή, στο «setup» πραγματοποιείται η αρχικοποίηση του πρωτοκόλλου μέσω της συνάρτησης «xbeezb.init(zigbee,freq2_4g,normal)» και η είσοδος του router-waspmote στο δίκτυο Zigbee, μέσω της συνάρτησης «initializexbee()». Κατά την συνάρτηση «initializexbee()», ορίζεται το PAN ID, ενεργοποιείται το Channel Verification, το Zigbee Stack Profile ορίζεται στο (2), ενεργοποιείται το API, οι επιλογές ανακάλυψης ορίζονται στο 0x01, ενεργοποιείται η χρήση λειτουργίας ασφάλειας, καθώς και ρυθμίζονται οι επιλογές τις στο 0x00. Όλες οι παραπάνω ρυθμίσεις είναι απαραίτητες για την επιτυχή σύνδεση στο δίκτυο. Στην συνάρτηση «loop», μπαίνει σε εφαρμογή η συνάρτηση «joiningchannel()», όπου ανακαλύπτεται το κανάλι στο οποίο συνδέθηκε το PAN, τα operating και extended PAN, καθώς και το Network Address του router-waspmote. Μέσω αυτής καλείται η printassociationstate(), η οποία δείχνει την είσοδο στο δίκτυο ή τον λόγο αποτυχίας της εισόδου. Να σημειωθεί για μια ακόμη φορά εδώ ότι για την είσοδο αυτή θα πρέπει να έχουν γίνει enable η εισαγωγή νέων συσκευών στο δίκτυο μέσω της IP του εργαστηρίου, όπως αναφέραμε νωρίτερα. Σε διαφορετική περίπτωση, ακόμη και η ορθή ρύθμιση των συσκευών δεν είναι επαρκής για την είσοδο στο δίκτυο. Μετά την επιτυχή είσοδο στο δίκτυο, μέσα στην συνάρτηση «loop» ο σχεδιαστής μπορεί να εισάγει την λειτουργικότητα που επιθυμεί στην συσκευή, μιας και ο router- 79

84 waspmote είναι πλέον ένας κόμβος του δικτύου. Παρακάτω μελετώνται τα σενάρια που εξετάστηκαν σε αυτή την εφαρμογή. 6.5 Συλλογή Δεδομένων Η συλλογή των δεδομένων κατανάλωσης ενέργειας πραγματοποιείται παράλληλα με τις λειτουργίες ελέγχου οι οποίες έχουν εισαχθεί στην εφαρμογή. Αυτές αποτελούν απλές υλοποιήσεις ελέγχου, δίχως να προσεγγίζουν σενάρια, μονάχα δείχνουν την δυνατότητα ελέγχου του συστήματος από ένα Router κατασκευασμένο από τον σχεδιαστή. Με βάση αυτές τις βασικές αρχές, ο σχεδιαστής μπορεί να εισάγει το στοιχείο του χρονοπρογραμματισμού στο σύστημα ή ακόμα τον έλεγχο ανάλογα με τις ενεργειακές συνθήκες. Για την συλλογή των ενεργειακών δεδομένων η μεθοδολογία δεν αλλάζει και χρησιμοποιείται και στις δυο περιπτώσεις ελέγχου. Στον header mine κατασκευάζονται οι δομές των απαραίτητων στοιχείων ενός frame. Αυτά τα στοιχεία είναι τα παρακάτω: Destination Address (64-bit και 16-bit) Source και Destination Endpoints Cluster ID Profile ID ZCL command format (header και payload) Τα στοιχεία αυτά ενημερώνονται κατά το «setup». Στην συνέχεια, αποστέλλεται το frame με το ZCL command «read attribute command». Αποστέλλεται ένα frame για την κάθε μετρητική συσκευή, όπου το μόνο που αλλάζει είναι ο προορισμός του frame, μιας και οι συσκευές έχουν κοινά endpoints και clusters για την λήψη των μετρήσεων, όπως έδινε προφανές κατά την διερεύνηση του συστήματος, όπως αυτή περιγράφτηκε στο κεφάλαιο 5. Μετά την κατασκευή του frame, αυτό αποστέλλεται μέσω της συνάρτησης «SendZCL()». Μέσω αυτής χτίζεται το frame προς αποστολή και αποστέλλεται. 80

85 Για την λήψη του frame απάντησης κατασκευάστηκε η συνάρτηση «ReceiveZCL().» Όπως θα γίνει προφανές παρακάτω, αυτή τροποποιείται ανάλογα με την εφαρμογή ελέγχου. Μετά την αποστολή του πακέτου από το waspmote το ΧBee πέραν του frame απάντησης δέχεται και άλλα frames. Μέσω της συνάρτησης διαβάζονται όλα τα bytes που έχουν ληφθεί και βρίσκονται στο buffer της λήψης και έπειτα ξεκινάει ο έλεγχος για την αναγνώριση του frame απάντησης. Ελέγχονται τα παρακάτω: Κάθε καινούριο frame ξεκινάει από 7Ε. Έλεγχος της διεύθυνσης για την αναγνώριση της συσκευής που έστειλε το frame. Έλεγχος των endpoints. Το source endpoint πρέπει να αντιστοιχεί σε αυτό των μετρητικών συσκευών (0A) και το destination endpoint σε αυτό του routerwaspmote (E8). Το Cluster ID του frame λήψης πρέπει να είναι ίδιο με αυτό του frame αποστολής. Το Profile ID της εφαρμογής είναι πάντα 0x0104 ( Home Automation). Το ZCL frame ελέγχεται από τη συνάρτηση «RXData_Received()» συνάρτηση, η οποία ελέγχει: o Το Sequence Number του frame λήψης να είναι το ίδιο με αυτό του frame αποστολής. Αυτό το byte είναι το 2ο byte στο ZCL header και χρησιμεύει στο να γίνεται η πλήρης αντιστοίχιση μεταξύ αυτών των δύο frames. Κάθε frame αποστολής-λήψης έχει διαφορετικό Sequence Number. o Το τρίτο byte του ZCL header να είναι το 01 έτσι ώστε να αντιστοιχεί σε «read attribute response». o Στο ZCL payload να φτάνουν πρώτα τα 2 bytes που αναφέρονται στο attribute του οποίου ζητήθηκε η τιμή. o Το status, το οποίο έχει μέγεθος 1 byte και πρέπει να είναι 00 για να έχει γίνει με επιτυχία η λήψη της τιμής του attribute. 81

86 o Πριν τη τιμή υπάρχει 1 byte το οποίο ονομάζεται data type και δηλώνει το τύπο δεδομένων που θα ακολουθήσει. Με αυτόν τον τρόπο είναι γνωστά τα bytes που θα καταλάβει η τιμή του attribute. Στην «RXData_Received()» πραγματοποιείται η αποστολή των τιμών των attributes στην UART 1 για τη μετάβαση τους στον κεντρικό υπολογιστή συγκεκριμένα στο user interface για την μετέπειτα αναπαράσταση και γραφική απεικόνισή τους. Στην συνέχεια, ελέγχεται μέσω της συνάρτησης «calculate_checksum()» το checksum, για να επιβεβαιωθεί η ακεραιότητα του πακέτου. Το checksum αποτελεί πάντα το τελευταίο byte κάθε frame σε API mode. Το waspmote έχει 2 UART. Με τη UART 0 επιτυγχάνεται η επικοινωνία των συσκευών μέσω του πρωτοκόλλου Zigbee. Σε αυτήν είναι συνδεδεμένο το module XBee και πραγματοποιείται η αποστολή και η λήψη των frames. H UART 1 χρησιμοποιείται για την επικοινωνία του XBee με το desktop user interface. Μέσω της σειριακής θύρας (XBee USB port) γίνεται η σύνδεση με το waspmote.. Οι τιμές ενέργειας και ισχύος μετατρέπονται σε δεκαδική βάση και μεταφέρονται μέσω την εντολής «printinteger()» στην UART 1. Εικόνα

87 Εικόνα Έλεγχος Διακρίνονται δυο περιπτώσεις ελέγχου της Bizy Plug. Στην πρώτη, ο έλεγχος είναι ανεξάρτητος των ηλεκτρικών μετρήσεων και έχει πραγματοποιείται σε δεύτερο χρόνο μετά από αυτές. Στην δεύτερη, ο έλεγχος εισάγεται στην περίπτωση που οι λαμβανόμενες μετρήσεις έχουνε συγκεκριμένη τιμή. Ο έλεγχος πραγματοποιείται από μέσω του On/Off Cluster, το οποίο ελέγχει το ρελέ εσωτερικά της plug. Στην κατάσταση ON, η πρίζα παρέχει ηλεκτρική ενέργεια. Αντιστοίχως, στην OFF κλείνει η παροχή της. Κατά την αλλαγή κατάστασης, ακούγεται ο ήχος του ρελέ που αλλάζει θέση και το LED της πρίζας αλλάζει για να υποδείξει την κατάσταση λειτουργίας. Συγκεκριμένα, είναι αναμμένο για κατάσταση κανονικής παροχής και σβησμένο για διακοπή της παροχής. Για τον έλεγχο της πρίζας, αποστέλλονται toggle frames, με την υπόθεση ότι η αρχική κατάσταση παροχής ενέργειας είναι ON. Χρησιμοποιείται η συνάρτηση «SendTogglePacket()»για την αποστολή των πακέτων ελέγχου. Μέσω αυτής, κατασκευάζεται το frame για τον έλεγχο της Bizy Plug και αποστέλλεται στην διεύθυνση της. 83

88 Στην πρώτη περίπτωση ελέγχου, το router-waspmote λαμβάνει τις πληροφορίες ενεργειακής κατανάλωσης από την Bizy Plug. Στην συνέχεια, αποστέλλει ένα πακέτο απενεργοποίησης της πρίζας. Μετά από καθυστέρηση πέντε δευτερολέπτων, στέλνει ένα πακέτο ενεργοποίησης της πρίζας και περιμένει άλλα πέντε δευτερόλεπτα για την συλλογή καινούργιων δεδομένων. Στην δεύτερη περίπτωση ελέγχου, ο έλεγχος έχει να κάνει με την μέτρηση Instantaneous Demand. Κατά την λήψη του πακέτου από τον router-waspmote, ελέγχεται η μέτρηση αυτή στην συνάρτηση «RXData_Received()», η οποία περιλαμβάνεται στην «ReceiveZCL()». Ο λόγος για την σύγκριση σε αυτό σημείο είναι ότι η μέτρηση έχει πάρει την δεκαδική μορφή της, έτσι είναι πιο κατανοητή η σύγκριση για τον σχεδιαστή, ο οποίος δεν έχει να συγκρίνει δεκαεξαδικούς προσημασμένους αριθμούς. Αν βρεθεί ότι η μέτρηση είναι πάνω από κάποια όρια, στην προκειμένη περίπτωση το μηδέν, γίνεται η διαδικασία που περιγράφτηκε παραπάνω. Αποστέλλεται ένα πακέτο απενεργοποίησης της πρίζας. Μετά από καθυστέρηση πέντε δευτερολέπτων, στέλνει ένα πακέτο ενεργοποίησης της πρίζας και περιμένει άλλα πέντε δευτερόλεπτα. Σε διαφορετική περίπτωση δεν υφίσταται έλεγχος της Bizy Plug. Οι δυο περιπτώσεις ελέγχου έχουνε να κάνουνε με διαφορετικό σκεπτικό. Η πρώτη αφορά περισσότερο την δυνατότητα χρονοπρογραμματισμού των συσκευών, ενώ η δεύτερη αφορά τον έλεγχο των συσκευών ανάλογα με κάποια όρια ηλεκτρικής κατανάλωσης τα οποία θα μπορεί να θέσει ο σχεδιαστής. 6.7 Sleep Mode Για την λειτουργία Sleep, υπήρξε η ανάγκη να τροποποιηθεί η φύση της συσκευής waspmote από router σε end-device, μιας και τα router στην non-beacon λειτουργία δεν μπορούνε να μπούνε σε κατάσταση ύπνου. Για τον δημιουργία του end-device χρησιμοποιήθηκε ένα XBee module στο οποίο φορτώθηκε firmware Zigbee End Device API 29A7. Με την σύνδεση στο δίκτυο, η συσκευή end-device-waspmote προσάπτετε σε μια συσκευή router του δικτύου, μιας και όλες οι end-devices πρέπει να είναι συνδεδεμένες σε ένα parent κόμβο, οποίος αναλαμβάνει την δρομολόγηση των 84

89 μηνυμάτων του. Όπως φαίνεται στην παρακάτω εικόνα από το γραφικό περιβάλλον X-CTU, η συσκευή στην οποία συνδέθηκε το waspmote στην περίπτωση της εφαρμογής είναι η Bizy Plug. Αυτό γίνεται προφανές από τα πεδία MY και MP. Εικόνα 6.5 Μετά την σύνδεση, το end-device-waspmote πραγματοποιεί την λειτουργία sleep, ενώ ταυτόχρονα ανάβει το κόκκινο LED. Με τον τερματισμό της λειτουργίας ύπνου, το LED σβήνει. Η διαδικασία επαναλαμβάνεται. 6.8 Γραφική Αναπαράσταση Μετρήσεων Μέρος της εργασίας, όπως αναφέρθηκε, είναι η λήψη ηλεκτρικών μετρήσεων από τις μετρητικές συσκευές. Για την προβολή των αποτελεσμάτων αυτών, δημιουργήθηκε ένα user interface ελαχίστων δυνατοτήτων, προκειμένου να προβάλει γραφικά τα αποτελέσματα αυτά σε μορφή κατανοητή από τον άνθρωπο. Για την 85