Tema #6 Tecnologías Inalámbricas

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1 Tema #6 Tecnologías Inalámbricas Profesor Visitante Departamento de Ingeniería de Sistemas y Automática abrunete@ing.uc3m.es 1.3C06

2 Qué son las redes de sensores? Wireless Sensor Networks (WSN): Macroredes ad-hoc formadas por multitud de dispositivos electrónicos provistos de sensores que intercambian información entre sí sin necesidad de cables y mediante un protocolo de comunicación pre-establecido Dispositivos = motas ( motes ) -> Dust Network o Smart Dust Diferencias con redes tradicionales: Redes malladas (redes mesh) La retransmisión de información permite un largo alcance Reorganizan automática de rutas de comunicación disponibles. Reubicación de motas Ventajas Escalabilidad Auto-organización - Enrutamiento dinámico Fácil Implantación > Inalámbrico + baterías 2

3 Requisitos Las redes se forman automáticamente, son escalables y operan durante años sin intervención humana Las baterías duran mucho (años) Bajo coste de infraestructura Baja complejidad y pequeño tamaño de dispositivos Baja tasa de datos y QoS Protocolos estandarizados => múltiples fabricantes 3

4 Banda de operación WWAN WMAN WiMAX WLAN Wireles s Hart WiFi WPAN Zigbee Z-Wave EnOcean MiWi Bluetooth Data rate (Mbps) 4

5 Nodos y Topologías Nodos Coordinador Router - Dispositivo de funcionalidad completa (FFD) Dispositivo final - Dispositivo de funcionalidad reducida(rfd) 5

6 Dispositivos: Hardware Dispositivos de bajo consumo, reducido tamaño y bajo coste Se componen de: Microprocesador E/S analógicas y digitales Puertos de expansión Sensores Sistema de comunicación radio Baterías / Sistemas de producción de energía 6

7 Dispositivos: Software Fuertes limitaciones en los recursos de los que disponen (memoria ROM y RAM, almacenamiento, alimentación, procesado, etc.) Encargado de: Controlar el acceso de las aplicaciones a los elementos periféricos del sistema (sensores, actuadores, radio, alimentación) Proveer un interfaz de acceso a los periféricos que permita a las aplicaciones abstraerse de los detalles de más bajo nivel Implementar y ejecutar los diferentes protocolos de red que sean necesarios para el correcto funcionamiento de la red de sensores. Gran variedad: TinyOS, Contiki, LiteOS, FreeRTOS, Bertha, Nut/OS, CORMOS, ecos, MagnetOS, MANTIS, t-kernel 7

8 Conector de antena: UFL Antena externa: 26dBi Sensores - Actuadores Información disponible: latitud, longitud, altu rumbo, fecha/hora y manejo de efemérides. Interrupciones programables: Asíncronas: Sensor: dispositivo capaz de transformar magnitudes físicas o químicas en magnitudes eléctricas. Temperatura, humedad relativa, intensidad de luz, aceleración, desplazamiento, presión fuerza, torsión, etc. Integrados en los PCBs o conectados externamente mediante entradas analógicas o digitales Actuador (WSAN, Wireless Sensor and Actor Networks) Incorporan, además de nodos sensores, nodos actuadores Problemas que presentan Mayor consumo de energía Eventos en tiempo real Coordinación con sensores Iluminación, Electrodomésticos, Persianas, Clima, etc. 8 EVENTOS Figura 11: Placa Eventos SMART CITIES - Sensores (umbral programable - Batería Baja (umbral programa - Acelerómetro: Caída libre, imp - Llegada de SMS s, llamadas y d Síncronas: APLIC - Watchdog: alarmas programab - RTC: alarmas programables: Seg de Vibr y ve Placas de Sensores GASES Figura 10: Placa Gases Eme Sen y niv Con Sen APLIC Map Mon nive ciud Mon

9 Consumo de energía Premisa básica: funcionar con cantidades reducidas de energía, no depender de la red de alimentación, funcionamiento sin supervisión o Para ello: Encender y apagar la radio de forma periódica Realizar chequeos periódicos breves. El consumo se realiza en el nodo transmisor, que debe modular el canal radio (envío de preámbulos) durante el tiempo suficiente para que el receptor detecte un mensaje entrante Energy Harvesting (Producción de energía) Solar: 15 mw/cm 2 (exterior) 10 µw/cm 2 (oficinas) cm 2 Calor: efecto Peltier-Seebeck 15 µw/cm 2 Vibraciones mecánicas 200 µw/cm 3 Routers necesitan alimentación constante cambio baterías (meses / años). 9

10 Seguridad Problema: Ataques externos e internos para inutilizar la red o manipular su contenido debido a: naturaleza distribuida de la red canal inalámbrico de comunicaciones facilidad para acceder físicamente a los nodos sensores Soluciones: Cifrado (AES ) / Criptografía (ECC) Distribución de claves Enrutamiento: redundancia de rutas, saltos de frecuencia Autoconfiguración 10

11 Tecnologías (I) Zigbee / Zigbee Alliance: Especificación de protocolos de alto nivel de comunicación inalámbrica basada en el estándar IEEE de WPAN (wireless personal area network) Estándares: Home/Building Automation (interoperabilidad de dispositivos y redes) Z-Wave / Z-wave Alliance Protocolo de comunicaciones inalámbrico propietario Enfocado al control de los dispositivos electrónicos del hogar EnOcean / EnOcean Alliance Tecnología wireless y de captación de energía, usada, principalmente en sistemas residenciales 11

12 Tecnologías (II) 6lowPAN IPv6 sobre redes de área personal de bajo consumo (Low power Wireless Personal Area Network) Grupo de trabajo de la IETF (Internet Engineering Task Force) Otros: Insteon (EEUU) Wavenis / Wavenis Open Standard Alliance Wireless Hart ISA100.11a 12

13 Tecnologías (III) Mercado Funciona sin baterías Frecuencia Riesgo interferencia Consumo reposo (aprox) Transmisión datos Rango Interoperabilidad EnOcean Zigbee Z-wave Insteon Wavenis Residencial Diverso Residencial Residencial Medición, Largas distancias Sí No No No No 868/315 Mhz 868/915 Mhz 868/908MHz 904MHz 400/868/915 2,4 GHz MHz Bajo Medio Bajo Medio Bajo 0.08uA 1uA 2,5uA - 1,8uA 125Kbps 250Kbps 40Kbps 2,9Kbps 9,6Kbps 300m 100m 300m 50m 1000m Sí Sí / Depende Sí Sí Limitada 13

14 Tecnologías (IV) Android Powered device Android USB accessory Microcontroller (Arduino) + software Accessory Development Kit Productos Tungsten DIY Drones Seed Studio Microchip Desarrollo de su propio protocolo de comunicaciones inalámbrico? 14

15 Otras Aplicaciones Agricultura: temperatura y humedad del aire y del suelo, salinidad del suelo, nivel de pluviometría, radiación solar, riego por zonas, etc. Ganadería: niveles de los gases producidos por el ganado como metano (CH4), amoníaco (NH3) y Sulfuro de Hidrógeno (SH2) producidos por vacas y cerdos Localización en Interiores: identificación por celda, ángulo de llegada, potencia recibida, retardo temporal Prevención de riesgos naturales: incendios, aludes, inundaciones 15

16 Zigbee 16

17 Zigbee Alliance Corporación sin ánimo de lucro independiente y neutral creada en 2002 Abierta y global Pueden participar todas las entidades que lo deseen Participación global Sus actividades incluyen Creación de las especificaciones Certificación conformidad de programas Desarrollo de mercado, marcas, formación del usuario 17

18 Zigbee Alliance Promotores Promoters Participants 18

19 Zigbee Alliance Distribución geográfica miembros 40% Region % 30% Asia / Pacific 30% Europe / Middle East/Africa 30% North/South America 40% Total Member Companies 400 Asia / Pacific Europe / Middle East /Africa North /South America 19

20 Aplicaciones Zigbee security HVAC AMR lighting control access control BUILDING AUTOMATION CONSUMER ELECTRONICS TV VCR DVD/CD remote patient monitoring fitness monitoring asset mgt process control environmental energy mgt PERSONAL HEALTH CARE INDUSTRIAL CONTROL TELECOM SERVICES m-commerce info services object interaction (Internet of Things) HOME CONTROL PC & PERIPHERALS mouse keyboard joystick security HVAC lighting control access control irrigation 20

21 Zigbee Pila de protocolo (reducida) APPLICATION/PROFILES ZigBee or OEM APPLICATION FRAMEWORK NETWORK/SECURITY LAYERS MAC LAYER ZigBee Alliance Platform PHY LAYER IEEE Application ZigBee Platform Stack Silicon 21

22 Zigbee Pila de protocolo Aplicación Unirse a una red Gestión de la red Relaciones entre dispositivos Enviar y recibir mensajes Application ZDO Funciones de seguridad Organización de la red Gestión de rutas Retransmisión mensajes App Support (APS) SSP NWK Medium Access (MAC) Physical Radio (PHY) Gestión dispositivos Descubrimiento de dispositivos y servicios Enlazado dispositivos Mensajería 22

23 Zigbee Plataforma y Producto Application Profile Producto certificado ZigBee Stack IEEE Compliant Platform - Plataforma conforme a la especificación Zigbee 23

24 ZigBee Compliant Platform [ZCP] Application ZDO SSP App Support (APS) NWK ZigBee Compliant Platform Medium Access (MAC) Physical Radio (PHY) Certificación a nivel de plataforma: asegura que las comunicaciones cumplen con el estandar Zigbee, no así las aplicaciones Permite interoperabilidad a nivel de red, no de aplicaciones Más de 30 compliant platforms 24

25 Application Profiles Application ZDO SSP App Support (APS) NWK Clusters 0: off 1: on 2: scene 1 3: scene 2 Clusters 0: fan off 1: fan on 2: temp set 3: time set Medium Access (MAC) Physical Radio (PHY) Los perfiles de aplicación (Application Profiles) definen el formato de los mensajes que se envían entre aplicaciones Los dispositivos con el mismo Profile interoperan extremo a extremo (end to end) Zigbee publica una serie de Profiles públicos, pero los fabricantes pueden crear los suyos propios 25

26 ZigBee Manufacturer Specific Profiles Application ZDO Las pruebas de certificación garantizan que una aplicación no interfiere con el resto de la red Zigbee App Support (APS) SSP NWK Medium Access (MAC) Physical Radio (PHY) Permite a un fabricante construir productos sobre plataformas Zigbee compliant La certificación garantiza que el producto no daña otras redes Zigbee No están pensados para interoperabilidad Pueden usar el logo de Zigbee 26

27 ZigBee Public Profiles Application ZDO Ensures application conforms to a specific public application profile App Support (APS) SSP NWK Medium Access (MAC) Physical Radio (PHY) Garantiza la interoperabilidad entre productos ejecutando el mismo Profile público Se pueden añadir características adicionales Pueden usar el logo de Zigbee 27

28 Tipos de dispositivos Coordinador Sólo puede existir uno por red Inicia la formación de la red Router Se asocia con el coordinador de la red o con otro router ZigBee No puede dormir Es el encargado del enrutamiento de saltos múltiples de los mensajes Dispositivo final (End Device) Elemento básico de la red No realiza tareas de enrutamiento Puede dormir/hibernar 28

29 Topologías Mesh Star Cluster Tree ZigBee Coordinator ZigBee Router ZigBee End Device 29

30 ZigBee Mesh Networking 30

31 ZigBee Mesh Networking 31

32 ZigBee Mesh Networking 32

33 ZigBee Mesh Networking 33

34 ZigBee Mesh Networking 34

35 Direccionamiento Directo 16 bit 64 bit (IEEE) Grupo Broadcast Todos los nodos Nodos despiertos Routers 35

36 Direccionamiento Niveles MAC NWK APS ZCL Dirección MAC: 64 bits, identifica unívocamente el interfaz de red Canal (acceso al canal CSMA-CD) PAN ID PAN ID extendido Dirección de red: 16 bits, identifica al dispositivo en la red Grupo: permiten petición de información a varios nodos a la vez (se refiere a los nodos que reciben la petición) End points Application Profile Clusters Comandos Atributos 36

37 Canales BAND COVERAGE DATA RATE # OF CHANNEL(S) 2.4 GHz ISM Worldwide 250 kbps MHz ISM Europe 20 kbps MHz ISM Americas 40 kbps MHz / 915MHz PHY Channel 0 2 MHz MHz 902 MHz Channels MHz 2.4GHz PHY Channels MHz 2.4 GHz GHz 37

38 Zigbee PANs Personal Area Networks Hasta nodos por red Creadas por Zigbee coordinators Los routers y end-devides solo se pueden unir Trabajan en un único canal PAN ID: 16 bits, de 0x0000 a 0x3fff Extended PAN ID: 64 bits (para unirse a la red) 38

39 Zigbee PANs Distintas PANs conviven en el mismo canal ZigBee Applications 141 Nwk A Nwk B Figure 4.12 : Separate ZigBee PANs May Coexist on the Same Channel 39

40 170 Chapter 4 Endpoints Radius = 10 Sequence Number = 19 ZigBee APS ZigBee ZCL Frame Control: 0x40 Destination Endpoint: 0x08 Cluster Identifier: On/off (0x0006) Profile Identifier: HA (0x0104) Source Endpoint: 0x08 Counter: 0x45 Definen las aplicaciones que corren en cada dispositivo Counter: 0x45 ZigBee ZCL Frame Control: 0x01 Transaction Sequence Number: 0x48 Command Identifier: Off (0x00) De 1 a Chapter Endpoints Endpoints Within each node are endpoints. Endpoints, identified by a number between 1 and 240, El 255 es para broadcast define each application running in a ZigBee node (yes, a single ZigBee node can run multiple applications). Radius = 10 Sequence Number = 19 ZigBee APS Frame Control: 0x40 Destination Endpoint: 0x08 Cluster Identifier: On/off (0x0006) Profile Identifier: HA (0x0104) Source Endpoint: 0x08 Frame Control: 0x01 Transaction Sequence Number: 0x48 Command Identifier: Off (0x00) Within each node are endpoints. Endpoints, identified by a number between 1 and 240, define each application running in a ZigBee node (yes, a single ZigBee node can run multiple applications). Cables virtuales conectando aplicaciones Imagine a virtual wire connecting an endpoint on one node to an endpoint on Imagine another a virtual wire connecting an endpoint on one node to an endpoint on another node, from endpoint 1 on node A to endpoint 99 on node B (see Figure 4.20 node, ). from endpoint 1 on node A to endpoint 99 on node B (see Figure 4.20 ). Figure 4.20 : Endpoints Are Virtual Wires Between Applications Figure 4.20 : Endpoints Are Virtual Wires Between Applications

41 Binding - Enlazado Conexión entre endpoints Unidireccional Se enlaza el interruptor con la luz, pero no al revés Se almacenan en tablas en el lado que envía: Endpoint fuente Dirección de red y endpoint (o dir grupo) destino Cluster ID 41

42 Clusters Son los objetos de la aplicación ~Funcionalidad o tipo del endpoint Ejemplo: OnOff Level Control Temperature measurement Occupancy sensing Tienen Comandos Atributos ZCL - Zigbee Cluster Library Table 4.8: Some ZigBee Clusters Cluster Name Basic Cluster Power Configuration Cluster Temperature Configuration Cluster Identify Cluster Groups Cluster Scenes Cluster OnOff Cluster OnOff Configuration Cluster Level Control Cluster Time Cluster Location Cluster ZigBee Ap Cluster ID 0x0000 0x0001 0x0002 0x0003 0x0004 0x0005 0x0006 0x0007 0x0008 0x000a 0x000b (ID 0x0006). This cluster knows how to turn something on or off. It doe whether the something is a light, a pump, a doorbell, or is a mechanism a door. All of these things have a binary state: on or off, open or closed. Clusters encapsulate both commands and data. A ZigBee application ca whether 42 the light is on or off Aplicaciones by querying de the la Automática OnOffAttribute en Edificios within the or it can set the state of that light by commanding the cluster to turn the

43 Comandos Indican operaciones que se pueden realizar sobre un cluster (endpoint) Ejemplo: sobre un cluster OnOff existen los comandos: On Off Toggle 43

44 Atributos Almacenan el estado de un cluster (endpoint) Ejemplo: sobre un cluster OnOff existen los atributos Estado, que puede ser on o off 44

45 are those specified by the ZigBee Alliance (as opposed to private profiles specified by individual OEMs). Home Automation is a public application profile which defines a wide range of ZigBee networked devices intended for use in the home, including lights and switches, wall outlets, remotes, thermostats, air-conditioners, and heaters. Another public profile, Commercial Building Automation, defines ZigBee devices such as advanced lights and switches, and keyless entry and security systems. Profiles Any number of Application Profiles, both public and manufacturer-specific, may exist in a single ZigBee network. In fact, any number of profiles may exist in a single node on the Dominio que engloba una serie de funcionalidades y aplicaciones network, separated on different endpoints. The ZigBee Alliance continues to work on public profiles to ensure they match the needs Endpoints de un mismo nodo pueden tener diferentes of OEMs producing products. It is the OEMs in the ZigBee Alliance who define the profiles in the first place. Table 4.10 shows a short list of the ZigBee public profiles. Pueden ser: Públicos Profile ID Table 4.10: ZigBee Public Profile IDs Profile Name 0101 Industrial Plant Monitoring (IPM) 0104 Home Automation (HA) 0105 Commercial Building Automation (CBA) 0107 Telecom Applications (TA) 0108 Personal Home & Hospital Care (PHHC) 0109 Advanced Metering Initiative (AMI) Manufacturer-Specific 45

46 Ejemplo: Home Automation used for those applications that do not need to interact with other vendors products. Profile ZigBee members may also apply for what is called a private profile. Private profiles, officially called Manufacturer Specific Profiles (or MSPs), are not defined by the ZigBee Alliance, but instead are defined by the OEMs making the products. Private profiles are Public Profiles All of the devices pictured in Figure 4.22 are part of the Home Automation profile. Once commissioned, all these devices perform their appropriate actions, simply and effectively. On/Off Light On/Off Switch Combined Interface O C Temperature Sensor Thermostat Dimmer Switch Dimmable Light Figure 4.22 : Devices in a ZigBee Public Profile 46

47 Resumen direccionamiento ZigBee Addressing Table 4.3: ZigBee Addressing Ranges Name Range Description ZigBee Applications 1 Channel A physical portion of the RF spectrum PAN ID 0x0000 0x3fff The address of a network within a channel NwkAddr 0x0000 0xfff7 The address of a node within a network Endpoint The address of an application within a node Cluster 0x0000 0xffff The object within the application 150 Chapter 4 Command 0x00 0xff An action to take within the cluster Attribute 0x0000 0xffff Table 4.4: More ZigBee A data Addressing item within Features the cluster Name Range Description Extended PAN ID 0x xffffffffffffffff A unique 64-bit identifier for the PAN Group 0x0000 0xffff A collection of nodes in a network Application Profile ID 0x0000 0xffff Defines a particular application domain ressing is the way in which a message gets from one place to another in a network 47 tal (snail) mail uses one type of address that many are familiar with:

48 Think of node A sending a packet multi-hop to node F. The first hop would be from A to B. The next hop would be from B to C, and so on. The final hop would be from E to F. The MAC source and destination would change along this entire journey, but the NWK source and destination addresses would not. Formato tramas MAC & Red NWK data frame format Octets: Variable Frame Control Destination address Format of Individual Frame Types Source address Routing fields Radius Sequence number Data payload NWK header NWK payload MAC data frame format Octets:2 1 0/2 0/2/8 0/2 0/2/8 Variable 2 Frame Control Sequence number Destination PAN ID Destination address Data payload Source PAN ID Source address Data payload FCS MAC header MAC payload MFR 127 Octet MTU Figure 7.20 : ZigBee MAC and NWK Headers 48

49 Formato tramas APS & ZCL 320 Chapter 7 APS data frame format Octets:1 0/1 0/ /1/2 Variable Frame Control Dst EP Group address Format of Individual Frame Types Cluster ID Profile ID Src EP In-Node Addressing fields APS counter Extended Header Data payload APS header APS payload ZCL data frame format Octets:1 0/2 1 1 Variable Frame Control Manufacturer ID Transaction Sequence Number Command ID Data payload ZCL header ZCL payload Figure 7.21 : ZigBee APS and ZCL Headers All ZigBee data packets are sent using the 16-bit short addresses, but other packets are not. For example, when joining a network, the association request and response are sent with the long (64-bit IEEE) addresses. 49

50 162 Chapter 4 Direccionamiento Trama Notice that when sending to a group, there is no destination endpoint in the APS frame, only a Group Address. ZigBee assumes the broadcast endpoint (0xff) when groupcasts are used. ZigBee, inside the receiving node, then checks all endpoints to see if they are a member of the group. In this case, endpoint 0x08 in the ZC is a member of group A, and endpoint 0x09 in the ZR is also a member of group A. They match, so the light toggles: Frame 24 (Length = 31 bytes) IEEE Frame Control: 0x8841 Sequence Number: 1 Destination PAN Identifier: 0x1aaa Destination Address: 0xffff Source Address: 0x0000 Frame Check Sequence: Correct ZigBee NWK Frame Control: 0x0048 Destination Address: 0xffff Source Address: 0x796f Radius = 9 Sequence Number = 245 ZigBee APS Frame Control: 0x0c = Frame Type: APS Data (0x00) = Delivery Mode: Group Addressing (0x03) = Indirect Address Mode: Ignored = Security: False = Ack Request: Acknowledgement not required = Reserved Group Address: 0x000a Cluster Identifier: On/off (0x0006) Profile Identifier: HA (0x0104) Source Endpoint: 0x08 Counter: 0x6b ZigBee ZCL Frame Control: 0x01 Transaction Sequence Number: 0x42 Command Identifier: Toggle (0x02) Groupcasts use the underlying ZigBee broadcast mechanism to deliver the packet to all 50 nodes in the network. Notice the Destination Address in the (MAC) and ZigBee

51 Interfaz de programación No hay API estándar en Zigbee Cada fabricante proporciona sus librerías para sus plataformas El estándar Zigbee marca una serie de pautas de radio frecuencia (over-the-air), pero cada fabricante puede implementarlas como quiera Las APIs cambian entre fabricantes -> Separar el código de la aplicación del código Zigbee 51

52 Fiabilidad Las redes mesh proporcionan caminos redundantes Retransmisiones y acknowledgements automáticos Alta tolerancia a interferencias intrínseca Múltiples canales Modulación robusta (DSSS - Direct Sequence Spread Spectrum) 52

53 Seguridad Encriptación AES 128-bit Claves de red y enlace Autenticación y encriptación ZigBee Applications 201 Security suite adds auxiliary header and integrity code MAC HDR NWK HDR AUX HDR APS HDR ZDP / ZCL / APP payload MIC Entire NWK payload is encrypted Entire frame is authenticated Figure 4.28 : ZigBee Secure Data Frame 53

54 Application Profiles Home Automation [HA] Define un conjunto de dispositivos usados en home automation Interruptores de luz Termostatos Persianas Radiadores etc. Building Automation Control y monitorización de edificios comerciales El único estandar de redes mesh compatible con BACnet para edificios comerciales 54

55 Más Application Profiles Multiples profiles en varias fases de desarrollo: Telecom Services Health Care Smart Energy Remote Control... Los fabricantes pueden crear nuevos profiles Más de 400 profiles privados emitidos 55

56 Dispositivos Multi-Profile APP APP ZDO SSP APS NWK Endpoint 2: Termostato Home Automation Endpoint 6: Vendor proprietary extensions MEDIUM ACCESS (MAC) Los dispositivos pueden implementar varios Profiles Cada endpoint puede tener su profile Permite la creación de extensiones específicas de una empresa PHYSICAL RADIO (PHY) 56

57 Zwave 57

58 Introducción Z-Wave es un protocolo inalámbrico por ondas de radio destinado para la comunicación entre dispositivos domésticos eléctricos. Sirve para crear una red única con los equipos eléctricos como: luz, termostatos, alarmas, ordenadores, teléfonos, aire acondicionado y el manejo de las ventanas eléctricas y persianas. A la red se pueden conectar todos los dispositivos eléctricos que tengan el módulo del sistema Z-Wave. Hoy en día en todo el mundo al sistema Z-Wave están asociados más de 200 fabricantes especializados en dispositivos eléctricos para el uso doméstico. En el mercado ya están disponibles muchos productos con esta tecnología. 58

59 Introducción Todo el protocolo Z-Wave está localizado en un pequeño chip, fabricado por la compañía Zensys. El chip básico Z-Wave incorpora: procesador, memoria flash, emisor y receptor de radio. El sistema Z-Wave trabaja con la frecuencia 868,42 Mhz y se caracteriza por tener un bajo consumo de energía (tiempo de alerta = 2,5 ua). El alcance en los espacios cerrados son de 45 metros y en los espacios libres alcanza los 150 metros. 232 nodos por red 40 kbps 59

60 Z-wave alliance Z-Wave Alliance 160+ Members companies Zensys Inc., 2008 Confidential Products that speak Z-Wave Z work together better. 60 Zensys Inc., 2008 Confidential 8

61 Interoperabilidad Z-Wave Community The ECO system End-users can combine products from different vendors Manufacturers with different competencies can join to bring together complete Se solutions pueden combinar productos de diversos fabricantes Investments Orientado for manufacturers, a la automatización retailers and del consumers hogar are future-proof A platform for joint promotional activities Servicios: Zensys Inc., 2008 Confidential Products that speak Z-Wave Z work together better. 61

62 What is Z-Wave? Z-Wave is a proprietary wireless protocol oriented to the resi- Pila de protocolo dential control and automation market. Conceptually, Z-Wave is intended to provide a simple yet reliable method to wirelessly Z-Wave library(s) Application layer (main loop) Z Wavespecific commands Applicationspecific commands Network routing (Frame routing, topology scan, routing table update) Transport layer (Retransmission, ACK, checksum) PHY/MAC Layer (Media 908MHz/860MHz) The 8bit MCU has an RF radio with carefully selected peripherals and minimum external components. The Z-Wave Alliance is an consortium of manufacturers who build products based on Z-Wave ( Quite Application state machine Periodic poll Event handling within a residence. The Z-Wave stack consists of just the bare minimum (figure 1): a PHY/MAC layer to control access to RF media; a transport layer that handles frame integrity checks, acknowledgments, and retransmissions; and Received command handler Completed callback function Status and reports Figure 1: The Z-Wave protocol stack comprises a PHY/MAC layer, a transport layer and a network layer with routing and application interfaces. is bu T con bet retra and four the load hea abo ID, s the (ack fram data ted I ceiv the has but I to 0 bro the At t carr 62 Electronic Engineering Times India Oc

63 Mensajes (frames) Application frame Header Cmd. Class Command Parameter #1 Parameter #... Parameter #N Routed Dest. ID Hop Cnt Rept#1 Rept#2 Payload Variation of transport frame Multicast ID Mask Dest#1 Dest#2 Payload Singlecast Dest. ID Payload Transport frame Home ID Source ID Header Data length Data Checksum PHY/MAC frame Preamble SoF Byte 1 Byte 2 Byte 3 Byte... Byte N EoF Figure 2: Each PHY/MAC frame starts with a synchronisation preamble, following an SoF delimiter, then payload data, and finishes with an EoF. The maximum size of payload data is 64 bytes. Enrutamiento: home ID (32 bits), node ID (8 bits) tion address, which makes it a multicast frame. In that case, the same payload will be delivered to selected nodes only. Multicast frames are transmitted to a number of nodes ranging from 1 to 232 nodes. This frame type as well as Dr. the Alberto broadcast Brunete frame doesn t Directo, multicast, broadcast command information, and associated information frame. This frame is well: in the received packet the parameters. Commands part of the Z-Wave protocol and controller instructs a particular are divided into two classes: Z- specifies the capabilities of the slave whether the message should Wave protocol commands and node. These capabilities are the be retransmitted or not. application-specific commands. node type, whether the node Controllers are differentiated For most devices protocol-related is able to repeat frames, and further depending on their functionality commands cover only Home ID other protocol-relevant issues. in the network. Major and Node ID assignment logic, 63 The node information frame Aplicaciones also types de la are Automática portable en and Edificios static Max tamaño de datos (payload): 64 bytes

64 Dispositivos Controladores (Controllers): Inician la transmisión Tipos: Móviles Estáticos: pueden ejercer de routers a otras tecnologías (IP) Esclavos (Slaves) Ejecutan las peticiones del controlador 64

65 Gestión de la red Hay dos operaciones principales: Inclusión / exclusión de dispositivos Asociación Se pueden realizar manualmente apretando botones en los dispositivos o a través de software 65

66 Aplicaciones Zensys proporciona librerías diferentes para cada tipo de dispositivo Las aplicaciones son máquinas de estados llamadas periódicamente por el controlador principal del dispositivo Clases de comandos: control de luces, termostato, sensores binarios, etc. Comandos: básicamente son set, get, report Parámetros Intercambios de mensajes de información de nodo 66

67 EnOcean 67

68 Introducción EnOcean GmbH es una empresa alemana que trabaja en tecnologías wireless y de captación de energía, usada, principalmente en sistemas automáticos en edificios No es estándar nacional, europeo o internacional EnOcean GmbH ofrece su tecnología y licencias de características patentadas bajo la licencia de la EnOcean Alliance. El concepto se desarrolló para permitir sensores e interruptores sin baterías para automatizaciones en edificios. 68

69 Enocean alliance 69

70 Tecnología La tecnología EnOcean se basa en la utilización de la energía obtenida al aplicar una ligera excitación mecánica y otras potencias del entorno usando los principios de la captación de energía Para transformar las fluctuaciones de dicha energía en energía eléctrica utilizable, trabajan con electromagnetismo, piezogeneradores, células fotoeléctricas, termopares y otros conversores de energía. Los productos EnOcean (tales como sensores e interruptores de radio) no necesitan baterías y se han diseñado para funcionar sin necesidad de mantenimiento. Alcance de hasta 300 metros (libre). Paquetes de solo 14 bytes de longitud, transmitidos a 120 kbit/s Frecuencia de transmisión MHz 70

71 dio. Usage of intelligent software-stacks, which enable a modular, versatile and user-friendly Concepto gration into the customer application. ergy Harvesting Wireless Sensor Solution from EnOcean vantages at a glance Flexibility of the applications: no cabling, easy assembly and disassembly Time-savings: quickly integrated, mounted and configured 71 Quality improvement: maintenance free, no batteries