Sensor Modules for ZigBee Wireless Network

66  Download (0)

Full text

(1)

VYSOK ´

E U ˇ

CEN´I TECHNICK ´

E V BRN ˇ

E

BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

FAKULTA INFORMA ˇ

CN´ICH TECHNOLOGI´I

´

USTAV PO ˇ

C´ITA ˇ

COV ´

YCH SYST ´

EM ˚

U

FACULTY OF INFORMATION TECHNOLOGY DEPARTMENT OF COMPUTER SYSTEMS

SENZOROV ´

E MODULY PRO BEZDR ´

ATOVOU S´I ˇ

T

ZIGBEE

DIPLOMOV ´

A PR ´

ACE

MASTER’S THESIS

AUTOR PR ´

ACE

TOM ´

A ˇ

S OCHMANN

AUTHOR

(2)

VYSOK ´

E U ˇ

CEN´I TECHNICK ´

E V BRN ˇ

E

BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

FAKULTA INFORMA ˇ

CN´ICH TECHNOLOGI´I

´

USTAV PO ˇ

C´ITA ˇ

COV ´

YCH SYST ´

EM ˚

U

FACULTY OF INFORMATION TECHNOLOGY DEPARTMENT OF COMPUTER SYSTEMS

SENZOROV ´

E MODULY PRO BEZDR ´

ATOVOU S´I ˇ

T

ZIGBEE

SENSOR MODULES FOR ZIGBEE WIRELESS NETWORK

DIPLOMOV ´

A PR ´

ACE

MASTER’S THESIS

AUTOR PR ´

ACE

TOM ´

A ˇ

S OCHMANN

AUTHOR

VEDOUC´I PR ´

ACE

Ing. V ´

ACLAV ˇ

SIMEK

SUPERVISOR

(3)

Abstrakt

C´ılem t´eto pr´ace je navrhnout a implementovat moduly pro bezdr´atovou senzorovou s´ıt’ ZigBee. Tyto moduly mezi sebou budou schopny komunikovat a pˇred´avat si informace o namˇeˇren´ych hodnot´ach. Budou ˇr´ızeny koordin´atorem s´ıtˇe, kter´y bude tak´e zpracov´avat data senzorov´ych modul˚u a rozhodovat o dalˇs´ı kroc´ıch v s´ıti.

Kl´ıˇ

cov´

a slova

ZigBee, IEEE 802.15.4, bezdr´atov´e senzorov´e s´ıtˇe, TinyOS

Abstract

The aim of this thesis is to design and implement modules for wireless sensor network Zi-gBee. Theese modules could communicate together and share information about measured values. The network will be managed by coordinator of network, which will process data from sensor modules and will decide about next steps around the network.

Keywords

ZigBee, IEEE 802.15.4, wireless sensor network, TinyOS

Citace

Tom´aˇs Ochmann: Senzorov´e moduly pro bezdr´atovou s´ıt’ ZigBee, diplomov´a pr´ace, Brno, FIT VUT v Brnˇe, 2008

(4)

Senzorov´

e moduly pro bezdr´

atovou s´ıt’

ZigBee

Prohl´

sen´ı

Prohlaˇsuji, ˇze jsem tuto semestr´aln´ı pr´aci vypracoval samostatnˇe pod veden´ım pana Ing. V´ a-clava ˇSimka. Uvedl jsem vˇsechny liter´arn´ı prameny a publikace, ze kter´ych jsem ˇcerpal.

. . . . Tom´aˇs Ochmann 31. ˇcervence 2008

Podˇ

ekov´

an´ı

Chtˇel bych podˇekovat vedouc´ımu pr´ace Ing. V´aclavu ˇSimkovi za pomoc pˇri ˇreˇsen´ı tohoto diplomov´eho projektu. D´ale bych chtˇel podˇekovat ´ustavu UPSY na FIT VUT v Brnˇe a vedouc´ımu ´ustavu Doc. Ing. Zdeˇnku Kot´askovi, Csc za finanˇcn´ı podporu pˇri realizaci pro-jektu.

c

Tom´aˇs Ochmann, 2008.

Tato pr´ace vznikla jako ˇskoln´ı d´ılo na Vysok´em uˇcen´ı technick´em v Brnˇe, Fakultˇe in-formaˇcn´ıch technologi´ı. Pr´ace je chr´anˇena autorsk´ym z´akonem a jej´ı uˇzit´ı bez udˇelen´ı opr´avnˇen´ı autorem je nez´akonn´e, s v´yjimkou z´akonem definovan´ych pˇr´ıpad˚u.

(5)

Obsah

1 Uvod´ 4

1.1 Slovo ´uvodem . . . 4

1.2 C´ıl projektu . . . 4

1.3 Struktura projektu . . . 5

1.4 N´avaznost na pˇredchoz´ı projekty . . . 5

2 Senzory 6 2.1 D˚uleˇzit´e parametry senzor˚u . . . 6

2.2 IEEE 1451 a inteligentn´ı (smart) senzory . . . 8

2.3 Pˇrehled senzor˚u a princip˚u . . . 9

3 Bezdr´atov´e senzorov´e s´ıtˇe 10 3.1 Architektura Zig-Bee . . . 10

3.2 Bezpeˇcnost v ZigBee s´ıt´ıch . . . 14

3.3 ZigBee vs. Bluetooth . . . 19

4 Senzorov´e moduly 21 4.1 N´avrh modul˚u . . . 21

4.2 Konstrukce bezdr´atov´ych modul˚u . . . 25

5 Programov´e vybaven´ı 38 5.1 TinyOS . . . 38

5.2 Programov´an´ı modul˚u . . . 39

5.3 Pˇrenosov´y model koordin´ator – PC . . . 42

5.4 N´avrh SW vybaven´ı . . . 42

5.5 Zpracov´an´ı senzorov´ych dat . . . 43

(6)

Seznam obr´

azk˚

u

3.1 Porovn´an´ı z´akladn´ıch parametr˚u pouˇz´ıvan´ych standard˚u pro bezdr´atovou

komunikaci [18] . . . 11

3.2 Referenˇcn´ı model ZigBee [10] . . . 12

3.3 S´ıt’ov´a vrstva ZigBee [26] . . . 13

3.4 Pˇr´ıklady topologi´ı realizovateln´e standardem ZigBee [22] . . . 14

3.5 Model ZigBee architektury [5] . . . 15

3.6 Model kl´ıˇc˚u v residential a commercial reˇzimech [13] . . . 16

3.7 R´amec po pˇrid´an´ı zabezpeˇcen´ı [12] . . . 17

4.1 Blokov´e sch´ema MCU ATmega644 [3] . . . 23

4.2 Blokov´e sch´ema modulu koordin´ator . . . 24

4.3 Blokov´e sch´ema modulu se senzorem . . . 25

4.4 Blokov´e sch´ema modulu pˇrep´ınaˇce . . . 26

4.5 Stavov´y diagram z´akladn´ıho operaˇcn´ıho reˇzimu . . . 29

4.6 Schematick´e zapojen´ı krystalu . . . 31

4.7 Schematick´e zapojen´ı obvodu FT232 . . . 32

4.8 Referenˇcn´ı sch´ema zapojen´ı SPI rozhran´ı transceiveru a mikorkontroleru . . 33

4.9 Zapojen´ı pin headeru s rozhran´ım JTAG k ATMega1281 . . . 35

4.10 Referenˇcn´ı sch´ema zapojen´ı nap´ajen´ı ze sbˇernice . . . 36

5.1 Uk´azka vrstvov´eho modelu TinyOS [11] . . . 39

5.2 Stavov´y automat pro testov´an´ı obvodu . . . 41

5.3 Schematick´e zn´azornˇen´ı funkce syst´emu . . . 43

5.4 Vnitˇrn´ı blokov´e schma senzoru svˇetla . . . 44

5.5 Form´at ADC registru . . . 44

5.6 Vnitˇrn´ı blokov´e sch´ema senzoru SHT11 . . . 45

5.7 Datov´a sekvence mˇeˇren´ı senzoru . . . 45

5.8 Vnitˇrn´ı blokov´e sch´ema senzoru zrychlen´ı . . . 46

5.9 Sch´ema zapojen´ı SSR rel´e a mikrokontroleru ATMega644 . . . 46

1 Sch´ema zapojen´ı modulu koordin´atoru . . . 48

2 Rozm´ıstˇen´ı souˇc´astek modulu koordin´atoru – horn´ı vrstva . . . 49

3 Rozm´ıstˇen´ı souˇc´astek modulu koordin´atoru – spodn´ı vrstva . . . 49

4 Sch´ema zapojen´ı modulu zrychlen´ı . . . 50

5 Rozm´ıstˇen´ı souˇc´astek modulu zrychlen´ı – horn´ı vrstva . . . 51

6 Rozm´ıstˇen´ı souˇc´astek modulu zrychlen´ı – spodn´ı vrstva . . . 51

7 Sch´ema zapojen´ı modulu teploty a vlhkosti . . . 52

8 Rozm´ıstˇen´ı souˇc´astek modulu teploty a vlhkosti – horn´ı vrstva . . . 53

(7)

10 Sch´ema zapojen´ı modulu osvˇetlen´ı . . . 54

11 Rozm´ıstˇen´ı souˇc´astek modulu osvˇetlen´ı – horn´ı vrstva . . . 55

12 Rozm´ıstˇen´ı souˇc´astek modulu osvˇetlen´ı – spodn´ı vrstva . . . 55

13 Sch´ema zapojen´ı modulu pˇrep´ınaˇce . . . 56

14 Rozm´ıstˇen´ı souˇc´astek pˇrep´ınac´ıho modulu – horn´ı vrstva . . . 57

15 Rozm´ıstˇen´ı souˇc´astek pˇrep´ınac´ıho modulu – spodn´ı vrstva . . . 57

(8)

Kapitola 1

´

Uvod

1.1

Slovo ´

uvodem

Neb´yval´y r˚ust Internetu a velk´y komerˇcn´ı ´uspˇech bezdr´atov´ych s´ıt´ı d´av´a pˇr´ıleˇzitosti vyuˇz´ıvat tyto technologie ˇc´ım d´al v´ıce pro zlepˇsov´an´ı a zkvalitˇnov´an´ı poskytovan´ych sluˇzeb v oborech a ˇcinnostech, ve kter´ych to jeˇstˇe pˇred nˇekolika m´alo lety bylo naprosto nepˇredstaviteln´e. Pevn´e, dr´atov´e s´ıtˇe maj´ı jiˇz pevnˇe vybudovanou infrastrukturu a sv´e aplikace. Naproti tomu ad–hoc s´ıtˇe, kter´e nejsou omezeny touto pevnˇe danou infrastrukturou, otv´ıraj´ı ˇsance nov´ym aplikac´ım jako dom´ac´ı s´ıtˇe, senzorov´e s´ıtˇe, lokalizaci pohˇreˇsovan´ych osob nebo pˇredpovˇed’ poˇcas´ı. Senzorov´e s´ıtˇe jsou pˇredevˇs´ım urˇceny pro monitorov´an´ı v pr˚umyslu, arm´adˇe, jsou urˇceny k hl´ıd´an´ı objekt˚u, poˇz´ar˚u, pˇr´ırodn´ıch katastrof, ale mohou se tak´e vyuˇz´ıt v dom´acnostech pro sledov´an´ı a ˇr´ızen´ı klimatizaˇcn´ıch jednotek.

Senzorov´a s´ıt’ je s´ıt’ tvoˇren´a z mnoha inteligentn´ıch zaˇr´ızen´ıch, zvan´ych uzly, kter´e jsou rozm´ıstˇeny v prostoru a vykon´avaj´ı ´ulohy dan´e aplikac´ı. Prim´arn´ım zaˇr´ızen´ım s´ıtˇe je sen-zor, kter´y zjiˇst’uje stav z´akladn´ıch fyzik´aln´ıch veliˇcin nebo promˇenn´ych jako jsou teplota, vlhkost, tlak, vibrace, pohyb atd. Kaˇzd´e toto zaˇr´ızen´ı je jednoduch´e, mal´e a levn´e, proto m˚uˇze b´yt v´yr´abˇeno ve velk´ych s´eri´ıch. Typick´e d˚uleˇzit´e poˇzadavky senzorov´ych s´ıt´ı jsou energerick´a ´uˇcinnost, kapacita pamˇeti a v´ypoˇcetn´ı v´ykon. Tato inteligentn´ı zaˇr´ızen´ı d´ale obsahuj´ı mikrokontrol´er, r´adiov´y pˇrij´ımaˇc a zdroj energie.

Technologie materi´al˚u, n´avrhu a v´yroby tˇechto souˇc´astek pokroˇcila natolik, ˇze je moˇzn´e um´ıst’ovat tyto syst´emy ve velmi nedostupn´ych lokac´ıch a jsou schony fungovat i za nepˇ r´ız-niv´ych podm´ınek nˇekolik mˇes´ıc˚u bez jak´ehokoliv z´asahu poh´anˇen´e napˇr´ıklad sol´arn´ı energi´ı.

1.2

C´ıl projektu

C´ılem tohoto diplomov´eho projektu je navrhnout a vytvoˇrit senzorov´e moduly a modul koordin´atoru, kter´y bude ˇr´ıdit celou senzorovou s´ıt’, zpracov´avat data z´ıskan´a ze senzor˚u a rozes´ılat poˇzadavky podle z´ıskan´ych dat ostatn´ım modul˚um syst´emu. Tyto senzorov´e moduly budou mˇeˇrit fyzik´aln´ı veliˇciny jako teplotu, tlak, intenzitu svˇetla a tak´e reagovat na pohyb senzorov´eho modulu. Koordin´ator podle potˇreby zaˇsle data do ostatn´ıch modul˚u, kter´e jsou schopny spustit v´ystraˇzn´e zaˇr´ızen´ı nebo klimatizaci. Tedy aplikace je vhodn´a pro zabezbeˇcen´ı objekt˚u nebo pro z´ısk´av´an´ı mˇeˇren´ych dat z nedostupn´ych m´ıst.

(9)

1.3

Struktura projektu

Tento projekt spojuje jak ˇc´asti n´avrhu a implementaci samotn´eho hardware, tak i soft-warov´y n´avrh a implementaci. V´ysledkem budou funkˇcn´ı moduly po HW i SW ˇc´asti. Tedy v jednotliv´ych kapitol´ach tohoto projektu nalezneme z´akladn´ı informace o senzo-rech, bezdr´atov´ych s´ıt´ıch i zp˚usobu programov´an´ı tohoto HW. V n´asleduj´ıc´ım pˇrehledu jsou pops´any jednotliv´e kapitoly a struˇcn´y obsah.

V prvn´ı kapitole ˇcten´aˇr nalezne ´uvod k problematice a myˇslenky pro tvorbu projektu. Je zde uvedena celkov´a struktura projektu a pops´any jednotliv´e kapitoly. Druh´a kapitola nab´ız´ı pohled do svˇeta senzor˚u a ˇcidel. Jsou zde pops´any d˚uleˇzit´e vlastnosti a principy nejbˇeˇznˇeji dostupn´ych senzor˚u. V kapitole bezdr´atov´e senzorov´e s´ıtˇe nalezneme detailnˇejˇs´ı sezn´amen´ı se ZigBee IEEE 802.15.4 komunikaˇcn´ım standardem pro bezdr´atov´e s´ıtˇe. Kapitola obsahuje informace o vzniku, pouˇz´ıv´an´ı a tak´e je zde vˇenov´ana velk´a ˇc´ast o bezpeˇcnosti s´ıtˇe. Ve ˇ

ctvrt´e kapitole jsou konkr´etn´ı n´avrhy a sch´emata jednotliv´ych modul˚u. D´ale je zde pops´ano konkr´etn´ı proveden´ı jednotliv´ych modul˚u, pops´any detailnˇe pouˇzit´e souˇc´astky a jednotliv´a komunikaˇcn´ı rozhran´ı. V pˇredposledn´ı kapitole nalezneme zm´ınku o operaˇcn´ım syst´emu TinyOS, d´ale moˇznosti programov´an´ı modul˚u a modely softwarov´eho vybaven´ı. V z´avˇereˇcn´e kapitole je shrnut´ı cel´e pr´ace a moˇznosti dalˇs´ıho pokraˇcov´an´ı na projektu.

1.4

avaznost na pˇ

redchoz´ı projekty

Tato pr´ace navazuje na dˇr´ıve vypracovan´y semestr´aln´ı projekt, v nˇemˇz jsem se vˇenoval teoretick´emu pohledu na senzory a bezdr´atov´e senzorov´e s´ıtˇe (kapitola 2 a 3). D´ale jsem provedl teoretick´y n´avrh senzorov´ych modul˚u (kapitola 4.1).

(10)

Kapitola 2

Senzory

Zkoum´an´ı pˇr´ırodn´ıch, fyzik´aln´ıch, chemick´ych a jin´ych vlastnost´ı prostˇred´ı je jednou z hla-vn´ıch ˇcinnost´ı ˇclovˇeka. D´ıky tˇemto poznatk˚um je schopen zkvalitnit a zpˇresnit v´yrobn´ı technologie. V posledn´ıch desetilet´ıch prob´ıh´a prudk´y v´yvoj v oblasti elektroniky, kter´a ovlivˇnuje vˇsechny dalˇs´ı obory a pom´ah´a ˇclovˇeku pˇri sv´e kaˇzdodenn´ı pr´aci. Ke zjiˇst’ov´an´ı informac´ı o stavu okoln´ıho svˇeta byly stanoveny r˚uzn´e fyzik´aln´ı a chemick´e veliˇciny, kter´e potˇrebujeme mˇeˇrit. Tyto veliˇciny se obecnˇe mˇeˇr´ı pomoc´ı senzor˚u.

Existuje spousta moˇznost´ı jak definovat senzor. Ve sv´e podstatˇe je to vˇsak zaˇr´ızen´ı, kter´e slouˇz´ı k pˇremˇenˇe fyzik´aln´ı veliˇciny ze vstupu na mˇeˇr´ıc´ı veliˇcinu na v´ystupu, nejˇcastˇeji na veliˇcinu elektrickou. Obecnˇe je senzor ekvivalentn´ı pojm˚um sn´ımaˇc, pˇrevodn´ık nebo detektor. Technicky je senzor ch´ap´an jako zaˇr´ızen´ı, kter´e sn´ım´a danou veliˇcinu a dle urˇcit´eho principu ji transformuje na mˇeˇr´ıc´ı veliˇcinu. ˇC´ast senzoru, kter´a sn´ım´a stav sledovan´e veliˇciny se naz´yv´a ˇcidlo. Zpracov´an´ı prov´ad´ı vyhodnocovac´ı obvod senzoru. V´ystupn´ı veliˇcina je d´ale zpracov´ana dalˇs´ımi ˇr´ıd´ıc´ımi obvody jako analogovˇe-digit´aln´ı pˇrevodn´ık nebo mikroprocesor.

2.1

uleˇ

zit´

e parametry senzor˚

u

Pˇri v´ybˇeru senzor˚u mus´ı n´avrh´aˇr vz´ıt v ´uvahu r˚uzn´e poˇzadavky kladen´e na syst´em. Mezi nejˇcastˇeji ˇreˇsen´e probl´emy patˇr´ı kompromis mezi pˇresnost´ı a cenou. D´ale mus´ı vz´ıt v ´ u-vahu mechanick´e a elektrick´e vlastnosti tˇechto ˇcidel, spolehlivost a tak´e velikost, kter´a hraje v dneˇsn´ı dobˇe velmi v´yznamnou roli. Rozhoduj´ıc´ım poˇzadavkem vˇsak vˇetˇsinou b´yv´a vhodn´a z´avislost vstupn´ı veliˇciny na v´ystupn´ı a vhodn´y pr˚ubˇeh z´akladn´ıch charakteristik. V n´asleduj´ıc´ım pˇrehledu se pod´ıv´ame bl´ıˇze na tyto vlastnosti.

Statick´e vlastnosti senzor˚u

Statick´e vlastnosti senzoru popisuj´ı jeho chov´an´ı v ˇcasovˇe ust´alen´em stavu.

• Pˇrenosov´a funkce – Ud´av´a vztah mezi mˇeˇrenou veliˇcinou a v´ystupn´ı veliˇcinou a nejˇcastˇejˇs´ı zobracen´ı je pomoc´ı grafu. Line´arn´ı z´avislost pˇrenosov´e charakteristiky je vˇetˇsinou pro statick´a mˇeˇren´ı nejv´yhodnˇejˇs´ı.

• Citlivost – Citlivost souvis´ı s pˇrenosovou funkc´ı. Urˇcuje jak´ym zp˚usobem se zmˇen´ı v´ystupn´ı veliˇcina pˇri zmˇenˇe mˇeˇren´e veliˇciny. V pˇr´ıpadˇe line´arn´ı pˇrenosov´e funkce je citlivost konstantn´ı.

(11)

• Pr´ah citlivosti – Je nejniˇzˇs´ı hodnota mˇeˇren´e veliˇciny, kter´a m˚uˇze b´yt senzorem detekov´ana.

• Dynamick´y rozsah – Je d´an intervalem pˇr´ıpustn´ych hodnot sn´ıman´e fyzik´aln´ı veliˇciny, ohraniˇcen´y pr´ahem citlivosti a maxim´aln´ı hodnotou mˇeˇren´e veliˇciny.

• Linearita – Je pˇresnost re´aln´e kalibraˇcn´ı kˇrivky s ide´aln´ı statickou pˇrenosovou funkc´ı. Je vyj´adˇrena v procentech horn´ı hranice mˇeˇr´ıc´ıho rozsahu a ud´av´a maxim´aln´ı od-chylku kter´ehokoliv kalibraˇcn´ıho bodu od odpov´ıdaj´ıc´ıho bodu na ide´aln´ı charakte-ristice.

• Hystereze – Je maxim´aln´ı rozd´ıl ve v´ystupu pˇri jak´ekoliv hodnotˇe mˇeˇren´eho rozsahu, kdy hodnota je mˇeˇrena nejdˇr´ıve pˇri zvyˇsov´an´ı a pot´e pˇri sniˇzov´an´ı mˇeˇren´e veliˇciny. Je vyj´adˇrena v procentech horn´ı hranice mˇeˇr´ıc´ıho rozsahu.

• Reprodukovatelnost – Je d´ana odchylkou namˇeˇren´ych hodnot za st´al´e (nemˇenn´e) velikosti vstupn´ı veliˇciny a ruˇsiv´ych vliv˚u okol´ı pˇri kr´atkodob´em ˇcasov´em sledu mˇeˇren´ı. • Rozliˇsitelnost – Je nejmenˇs´ı inkrement v´ystupu senzoru, kter´y senzor zaznamen´a

pˇri zmˇenˇe v´ystupu. Odpov´ıd´a absolutn´ı nebo relativn´ı chybˇe senzoru.

• Pˇresnost – Vyjadˇrujeme relativn´ı chybou δ vztaˇzenou k horn´ı hranici meˇren´eho rozsahu.

Dynamick´e vlastnosti senzor˚u

Mˇeˇren´a hodnota fyzik´aln´ı nebo jin´e veliˇciny se neust´ale mˇen´ı s ˇcasem. Senzory zaˇrazen´e v regulaˇcn´ıch smyˇck´ach nebo indikuj´ıc´ı mezn´ı stavy procesu mus´ı b´yt navrˇzeny tak, aby v´ystupn´ı sign´al y(t) sledoval s minim´aln´ım zkreslen´ım vstupn´ı sign´al x(t). V dalˇs´ım budeme vych´azet z pˇredpokladu, ˇze dynamick´e chov´an´ı senzoru lze popsat line´arn´ı diferenci´aln´ı rov-nic´ı s konstantn´ımi koeficienty. Pokud rovnice neni line´arn´ı, je nutn´e ji po ´usec´ıch lineari-zovat a dynamick´e chov´an´ı sledovat v dan´ych ´usec´ıch.

Graficky se zobrazuj´ı dynamick´e vlastnosti dynamick´ymi charakteristikami:

• Pˇrechodov´a charakteristika – Odezva na skokovou zmˇenu vstupn´ı veliˇciny. Je po-pisov´ana pˇrechodovou funkc´ı.

• Rychlostn´ı charakteristika – Odezva na vstupn´ı veliˇcinu mˇen´ıc´ı se konstantn´ı rych-lost´ı. Popisuje ji rychlostn´ı funkce.

• Impulsn´ı charakteristika – Odezva na zmˇenu vstupn´ı veliˇciny ve formˇe impulsu. Popisuje ji impulsn´ı funkce.

• Frekvenˇcn´ı charakteristika – Vyj´adˇren´ı chov´an´ı pˇr´ıstroje pˇri harmonick´e zmˇenˇe vstupn´ı veliˇciny. Popisuje ji frekvenˇcn´ı pˇrenosov´a funkce.

(12)

2.2

IEEE 1451 a inteligentn´ı (smart) senzory

V dneˇsn´ı dobˇe existuje na trhu velk´e mnoˇzstv´ı v´yrobc˚u senzor˚u a pr˚umyslov´ych s´ıt´ı. Pro v´yrobce je velmi n´akladn´e vytv´aˇret speci´aln´ı sn´ımaˇce pro kaˇzdou s´ıt’ na trhu, kdyˇz by r˚uzn´e komponenty v´yr´abˇen´e r˚uzn´ymi v´yrobci mohly b´yt kompatibiln´ı. Proto v roce 1993 IEEE a Mezin´arodn´ı institut standard˚u a technologi´ı zaˇcali pracovat na standardu pro inteli-gentn´ı senzorov´e s´ıtˇe[23] (Smart sensor networks). V´ysledkem byl standard IEEE 1451 pro inteligentn´ı senzorov´e s´ıtˇe. C´ılem tohoto standardu je ulehˇcit r˚uzn´ym v´yrobc˚um v´yrobc˚um vyvinout smart senzory a rozhran´ı tˇechto zaˇr´ızen´ı pro snadn´e zaˇrazen´ı do s´ıtˇe zp˚usobem plug–and–play.

Pod standardem IEEE 1451 p˚usob´ı nˇekolik skupin – 1451.0 – 1451.6

• IEEE 1451.0 – Koordinuje ˇcinnost ostatn´ıch skupin pro zachov´an´ı vz´ajemn´e kom-patibility d´ılˇc´ıch ˇc´ast´ı standardu IEEE 1451 a stanovuje z´akladn´ı mnoˇziny funkc´ı a komunikaˇcn´ıch protokol˚u spoleˇcn´ych vˇsem verz´ım standardu.

• IEEE 1451.1 – Popisuje moˇznosti snadn´eho pˇripojen´ı sn´ımaˇce k r˚uzn´ym typ˚um komunikaˇcn´ıch s´ıt´ı prostˇrednictv´ım definice obecn´eho objektov´eho modelu pro sn´ımaˇc a pro tzv. smart s´ıt’ov´y sn´ımaˇc spolu se specifikacemi pro tento model a souˇcasnˇe stanovuje z´akladn´ı metody, typy promˇenn´ych a zp˚usob pˇr´ıstupu k nim.

• IEEE 1451.2 – Urˇcuje hardwarov´e rozhran´ı mezi sn´ımaˇcem a hardwarov´ym modu-lem (zpravidla obsahuj´ıc´ım mikroprocesor) zprostˇredkov´avaj´ıc´ım komunikaci s nadˇ ra-zenou s´ıt´ı. C´ılem n´avrhu bylo vybavit sn´ımaˇc se zavedenou ´urovn´ı P1451.2 schopnost´ı poskytovat standardn´ım zp˚usobem informace o sobˇe sam´em formou tzv. TEDS. Pra-covn´ı skupina posl´eze charakterizovala univerz´aln´ı komunikaˇcn´ı protokol, kter´ym lze tyto informace nejen z´ıskat, ale tak´e zapsat.

• IEEE 1451.3 – ˇReˇs´ı zapojen´ı nˇekolika fyzicky nez´avisl´ych sn´ımaˇc˚u, jejich ˇcasovou synchronizaci (digit´aln´ı sbˇernici pro pˇrenos dat), moˇznost v´ymˇeny za provozu (tzv. hot-swap) a s t´ım souvisej´ıc´ı automatickou identifikaci a samonastavov´an´ı sn´ımaˇc˚u. Sbˇernice se pouˇz´ıv´a pˇredevˇs´ım ke sbˇeru dat na m´ıstech, kde je v mal´em prostoru instalov´an velk´y poˇcet sn´ımaˇc˚u, a tak´e tam, kde nen´ı v´yhodn´e v´est ˇr´ıdic´ı sbˇernici ke kaˇzd´emu sn´ımaˇci.

• IEEE 1451.4 – Navrhuje moˇznosti automatick´e identifikace sn´ımaˇc˚u typu plug–and– play a pouˇzit´ı sm´ıˇsen´ych digit´alnˇe–analogov´ych pˇripojen´ı (mixed–mode connection). • IEEE 1451.5 – Doplˇnuje do standardu problematiku bezdr´atov´ych sn´ımaˇc˚u s pˇ

red-pokl´adanou tˇesnou n´avaznost´ı na standardy ˇrady IEEE 802 (pˇredevˇs´ım IEEE 802.11, IEEE 802.15 a IEEE 802.16).

• IEEE 1451.6 – Je standard pro funkˇcnost v bezpeˇcn´e navrstven´e s´ıt’ov´e struktuˇre s nˇekolika ˇradiˇci na kaˇzd´e ´urovni. Jako s´ıt’ov´a transportn´ı vrstva je s´eriov´a datov´a sbˇernice CAN, kter´a b´yv´a implementov´ana v mikrokontrol´erech i jako samostatn´e ˇradiˇce sbˇernice.

(13)

2.3

rehled senzor˚

u a princip˚

u

V n´asleduj´ıc´ı tabulce 2.3 jsou zn´azornˇeny jednotliv´e typy veliˇcin a princip mˇeˇren´ı pro r˚uzn´e typy senzor˚u. Tabulka pˇrevzata z [15]

Mˇeˇren´a veliˇcina

Princip

Fyzik´aln´ı vlastnosti Tlak piezorezistivn´ı, kapacitn´ı Teplota Termistor, termomechanick´e Vlhkost Odporov´e, kapacitn´ı

Proud Zmˇena tlaku, termistor

Pohyb Pozice E–mag, GPS, kontaktn´ı senzor Rychlost Doppler˚uv princip, Hall˚uv jev,

op-toelektronick´y ´

Uhlov´a rychlost Optick´y kod´er

Zrychlen´ı Piezorezistivn´ı, piezoelektrick´y, op-tick´a vl´akna

Dotykov´e vlastnosti Pnut´ı Piezorezistivn´ı

S´ıla Piezoelektrick´y, piezorezistivn´ı Kroutiv´a s´ıla Piezorezistivn´ı, optoelektronick´y Vibrace Piezorezistivn´ı, piezoelktrick´y,

op-tick´a vl´akna, zvuk, ultrazvuk (Ne)Pˇr´ıtomnost Kontakt Kontakn´ı sp´ınaˇce, kapacitn´ı

Tˇesn´a bl´ızkost Hall˚uv efekt, kapacitn´ı, magnetick´e, seismick´e, akustick´e, RF

Vzd´alenost E–mag (Sonar, radar), magnetick´e Pohyb E–mag, IR, akustick´e

Identifikaˇcn´ı Osobn´ı rysy Pohled

(14)

Kapitola 3

Bezdr´

atov´

e senzorov´

e s´ıtˇ

e

Bezdr´atov´e technologie [21] se rychle st´avaj´ı rozhoduj´ıc´ı souˇc´ast´ı poˇc´ıtaˇcov´ych s´ıt´ı. Staly se otevˇren´ym ˇreˇsen´ım poskytuj´ıc´ı mobilitu pro z´akladn´ı s´ıt’ov´e sluˇzby. Tyto technologie doplˇnuj´ı nebo nahrazuj´ı pevn´a, kabelov´a spojen´ı. D´ıky tomuto m˚uˇzeme mezi sebou propojit zaˇr´ızen´ı jako jsou mobiln´ı telefony, pagery, kapesn´ı poˇc´ıtaˇce, kter´e n´am usnadˇnuj´ı pr´aci.

V mnoha pr˚umyslov´ych odvˇetv´ıch, ve kter´ych je tˇreba nˇeco kontrolovat, mˇeˇrit nebo ˇr´ıdit je tato ˇcinnost velmi zt´ıˇzena negativn´ımi pˇr´ırodn´ımi podm´ınkami nebo dostupnost´ı. V tˇechto pˇr´ıpadech je velmi vhodn´e pouˇz´ıt pr´avˇe bezdr´atov´a ˇreˇsen´ı. D´ıky dostupnosti em-bedded procesor˚u, mikrosenzor˚u, sn´ımaˇc˚u a ant´en s velmi n´ızkou spotˇrebou energie je moˇzn´e vyuˇz´ıvat tˇechto s´ıt´ı velmi dlouhou dobu bez z´asahu ˇclovˇeka na velmi odlehl´ych m´ıstech. Dalˇs´ı v´yznamnou v´yhodou je mobilita, kdy pracovn´ık nen´ı z´avisl´y na d´elce kabelu, coˇz m˚uˇze hr´at velmi v´yznamnou roli napˇr´ıklad v bezpeˇcnosti. Lid´e tak´e mohou vyuˇz´ıt flexibilitu, kte-rou jim bezdr´atov´e ˇreˇsen´ı poskytuje, kdy mohou zpracov´avat informace u z´akazn´ıka, kter´e pr´avˇe z´ıskali. Vytvoˇren´ı bezdr´atov´e s´ıtˇe zabere daleko m´enˇe ˇcasu a finanˇcn´ıch prostˇredk˚u. Nen´ı nutn´e pokl´adat kabely, odpadaj´ı probl´emy s propojen´ım poboˇcek firmy pˇres fyzick´e pˇrek´aˇzky jako jsou d´alnice ˇci ˇreky.

Struˇ

cnˇ

e do historie

Historie bezdr´atov´e komunikace spad´a do dob druh´e svˇetov´e v´alky, kdy Americk´a arm´ada poprv´e pouˇzila r´adiov´y pˇrij´ımaˇc pro signalizaci. Vyvinuli technologii r´adiov´eho pˇrenosu dat, kter´e bylo velmi teˇzk´e rozk´odovat. V roce 1971 se skupina vˇedc˚u z University of Havai inspi-rovala touto technologi´ı a vytvoˇrila prvn´ı paketovˇe zaloˇzenou komunikaˇcn´ı s´ıt’. Pojmenovali ji ALHONET a byla to v podstatˇe prvn´ı lok´aln´ı bezdr´atov´a s´ıt’ zn´am´a pod oznaˇcen´ım WLAN (wireless local area network). Prvn´ı WLAN se skl´adala ze sedmi poˇc´ıtaˇc˚u, kter´e ko-munikovaly pomoc´ı dvousmˇern´e hvˇezdicov´e topologie. Tato s´ıt’ propojovala ˇctyˇri Havajsk´e ostrovy s jedn´ım centr´aln´ım poˇc´ıtaˇcem.

3.1

Architektura Zig-Bee

Vznik Zig-Bee

V roce 2002 vznikla ZigBee Alliance a sdruˇzuje pˇres 150 nadn´arodn´ıch firem a korpo-rac´ı, kter´e spolupracuj´ı na spolehliv´ych, n´ızkon´akladov´ych a n´ızkopˇr´ıkonov´ych bezdr´atovˇe

(15)

propojen´ych syst´emech. ZigBee bylo schv´alen jako mezin´arodn´ı standard standardizaˇcn´ı organizac´ı IEEE a je oznaˇcov´an jako standard IEEE 802.15.4.

Z´akladn´ı informace

ZigBee [10] je jednoduch´y bezdr´atov´y komunikaˇcn´ı standard, kter´y je urˇcen pro komuni-kaci mezi mnoha zaˇr´ızen´ımi na vzd´alenosti des´ıtek metr˚u. D´ıky n´ızk´ym n´arok˚um na hard-ware, n´ızk´e spotˇrebˇe energie, spolehlivosti, jednoduchosti, ale tak´e n´ızk´e cenˇe je vhodn´y pro uplatnˇen´ı v pr˚umyslu, pˇri ˇr´ızen´ı budov, v oblasti spotˇrebn´ı elektroniky. Tato technolo-gie se snaˇz´ı vyplnit mezeru mezi nejrozˇs´ıˇrenˇejˇs´ımi technologiemi Bluetooth a WiFi, kter´e se v ˇradˇe aplikac´ı sice daj´ı pouˇz´ıt, ale nejsou vhodn´ym ˇreˇsen´ım. ZigBee pracuje v bezli-cenˇcn´ıch p´asmech na frekvenc´ıch 858 MHz, 902-928 MHz a 2,4 GHz. Pˇrenosov´a rychlost je 20, 40 nebo 250 kbit/s. Cel´y protokol je navrˇzen jako jednoduch´a, flexibiln´ı technologie pro tvorbu i rozs´ahlejˇs´ıch bezdr´atov´ych s´ıt´ı u nichˇz nen´ı potˇreba pˇren´aˇset velk´e mnoˇzstv´ı dat. Je vhodn´e pouˇz´ıt ZigBee jako bezdr´atovou n´ahradu s´eriov´eho rozhran´ı RS-232 v pr˚umyslu, kdy pˇren´aˇs´ıme pouze mal´e mnoˇzstv´ı dat a tedy n´am pˇrenosov´a rychlost staˇc´ı a pouˇzit´ı WiFi by bylo cenovˇe nev´yhodn´e. Dalˇs´ı velmi v´yznamnou odliˇsnost´ı od ostatn´ıch typ˚u bezdr´aro´ych s´ıt´ı je r˚uzn´a topologie s´ıtˇe, kterou m˚uˇze ZigBee vytvoˇrit d´ıky propracovan´emu zp˚usobu adresov´an´ı.

Obr´azek 3.1: Porovn´an´ı z´akladn´ıch parametr˚u pouˇz´ıvan´ych standard˚u pro bezdr´atovou ko-munikaci [18]

Referenˇcn´ı model ZigBee

Referenˇcn´ı model standardu ZigBee 3.2 vych´az´ı ze sedmivrstv´eho modelu ISO/OSI. Lze ho rozdˇelit vˇsak jen do tˇrech z´akladn´ıch blok˚u. Standard IEEE 802.15.4 definuje dvˇe nejniˇzˇs´ı vrstvy - fyzickou (PHY) a podvrstvu MAC spojov´e vrstvy. Nad tˇemito vrstvami definuje ZigBee Alliance s´ıt’ovou (NWK) a aplikaˇcn´ı (APL) vrstvu.

(16)

Obr´azek 3.2: Referenˇcn´ı model ZigBee [10]

Fyzick´a a MAC vrstva standardu IEEE 802.15.4

Fyzick´a vrstva IEEE 802.15.4 definuje nˇekolik z´akladn´ıch r´adiov´ych p´asem pro pouˇzit´ı v r˚uzn´ych zem´ıch, kde jsou rozd´ıln´e n´arodn´ı standardy.

• p´asmo ISM 2.4 GHz, 16 kan´al˚u, pˇrenosov´a rychlost 250kb/s, definov´ano celosvˇetovˇe • p´asmo 915 MHz, 10 kan´al˚u, pˇrenosov´a rychlost 40kb/s, definov´ano pro americk´y

kon-tinent a Austr´alii

• p´asmo 868 MHz, 1 kan´al, pˇrenosov´a rychlost 20kb/s, definov´ano pro Evropu

Celkov´y poˇcet vyuˇziteln´ych kan´al˚u v tˇechto p´asmech je 27. V p´asmu 868 MHz je moˇzn´e vyuˇz´ıt jeden kan´al s pˇrenosovou rychlost´ı 20 kb/s, v p´asmu 915 MHz 10 kan´al˚u s pˇrenosovou rychlost´ı 40 kb/s a zb´yvaj´ıc´ıch 16 v p´asmu 2,4 GHz s pˇrenosovou rychlost´ı 250 kb/s

Pro pˇrenos se datov´y sign´al moduluje metodou O-QPSK a vzduchem se pˇren´aˇs´ı pro-stˇrednictv´ım DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum). Pro pˇr´ıstup na kan´al se vyuˇz´ıv´a metody CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance and optional time slotting).

Vrstva MAC prov´ad´ı synchronizaci, zabezpeˇcuje pˇr´ıstup na radiov´y kan´al, ovˇeˇruje plat-nost r´amce, potvrzuje pˇr´ıjem r´amce, ˇr´ıd´ı spojen´ı, generaci a rozpozn´an´ı adres. Jsou defi-nov´any ˇctyˇri typy komunikaˇcn´ıch r´amc˚u vyuˇz´ıvan´e bud’ pro pˇrenos uˇziteˇcn´ych datov´ych informac´ı, nebo k reˇzijn´ım ´uˇcel˚um souvisej´ıc´ım se sestaven´ım, spr´avou a ˇr´ızen´ım s´ıtˇe.

• MAC Command Frame – slouˇz´ı k nastaven´ı a ˇr´ızen´ı klientsk´ych zaˇr´ızen´ı v s´ıti. • Data Frame – slouˇz´ı pro vˇsechny datov´e pˇrenosy, je moˇzn´e jej pouˇz´ıt pro pˇrenos aˇz

104 byte uˇziteˇcn´ych dat

• Acknowledgment Frame – slouˇz´ı pro potvrzen´ı ´uspˇeˇsnˇe pˇrijat´eho r´amce. Jsou vys´ıl´any okamˇzitˇe po pˇr´ıjmu datov´eho r´amce v ˇcase mezi r´amci (IFS – Interframe Space)

(17)

• Beacon Frame – r´amec pouˇz´ıvan´y koordin´atorem k vys´ıl´an´ı tzv. beacons (pouˇz´ıvan´e pro uv´adˇen´ı klientsk´ych zaˇr´ızen´ı do sp´ankov´eho reˇzimu)

S´ıt’ov´a vrstva

S´ıt’ov´a vrstva poskytuje dvˇe sluˇzby dostupn´e pˇres pˇr´ıstupov´e servisn´ı body(service access point - SAP). Network data service, kter´a podporuje pˇrenos dat mezi ostatn´ımi zaˇr´ızen´ımi, a network management service, kter´a podporuje sluˇzby ˇr´ızen´ı mezi zaˇr´ızen´ımi v r´amci s´ıtˇe. Tyto sluˇzby zajiˇst’uj´ı rozhran´ı mezi fyzickou MAC vrstvou a aplikaˇcn´ı vrstvou v r´amci jednoho zaˇr´ızen´ı. Existuje tak´e rozhran´ı mezi tˇemito sluˇzbami na s´ıt’ov´e vrstvˇe.

Obr´azek 3.3: S´ıt’ov´a vrstva ZigBee [26]

Topologie s´ıtˇe

S´ıt’ov´a vrstva ZigBee podporuje hvˇezdicovou, stromovou nebo mesh (s´ıt’) topologii 3.4. Pˇri vytvoˇren´ı hvˇezdicov´e topologie je s´ıt’ ˇr´ızena jedn´ım zaˇr´ızen´ım, kter´e se naz´yv´a ZigBee ko-ordin´ator. Koordin´ator je zodpovˇedn´y za vytvoˇren´ı a udrˇzov´an´ı spojen´ı mezi zaˇr´ızen´ımi v s´ıti a tak´e s n´ım vˇsechny ostatn´ı zaˇr´ızen´ı, zn´am´e jako koncov´e zaˇr´ızen´ı, pˇr´ımo komu-nikuj´ı. V mesh a stromov´e topologii je ZigBee koordin´ator je zodpovˇedn´y za spouˇstˇen´ı s´ıtˇe a stanovuje parametry s´ıtˇe. V s´ıti vˇsak mohou b´yt jeˇstˇe ZigBee routery, kter´e ji d´ale rozˇsiˇruj´ı. Ve stromov´e topologii s´ıtˇe se pro pˇrenos dat a ˇrid´ıc´ıch zpr´av pouˇz´ıv´a hierar-chick´e smˇerov´an´ı. Stromov´e s´ıtˇe mohou tak´e vyuˇz´ıvat beacon orientovanou komunikaci, kter´a umoˇzˇnuje synchronizace s´ıtˇe. Koordin´ator pravidelnˇe vys´ıl´a sign´al, kter´y koncov´a zaˇr´ızen´ı vyuˇz´ıvaj´ı k pˇripojen´ı k s´ıti a vlastn´ı synchronizaci pro n´asledn´y pˇrenos dat. Pro nav´az´an´ı spojen´ı se pouˇz´ıvaj´ı superr´amce popsan´e v pˇredchoz´ı kapitole. V non-beacon s´ıt´ıch se tak´e periodicky pos´ıl´a sign´al, avˇsak ten slouˇz´ı jenom k jeho vlastn´ı identifikaci a koncov´ym zaˇr´ızen´ım k detekci. Koncov´a zaˇr´ızen´ı komunikuj´ı s koordin´atorem pomoc´ı poˇzadavk˚u na vys´ıl´an´ı dat a potvrzovac´ıch r´amc˚u. Mus´ı b´yt neust´ale pˇripraveny podporovat komunikaci mezi rovnocenn´ymi uzly. Mesh s´ıtˇe tak´e mohou dovolovat plnˇe peer-to-peer komunikaci. ZigBee routery vˇsak v tˇechto mesh s´ıt´ıch nevys´ılaj´ı bˇeˇzn´e beacon r´amce. Tato specifikace popisuje pouze intra-PAN s´ıtˇe, coˇz jsou s´ıtˇe, ve kter´ych komunikace zaˇc´ın´a a konˇc´ı uvnitˇr, v r´amc´ı jedn´e s´ıtˇe.

(18)

Obr´azek 3.4: Pˇr´ıklady topologi´ı realizovateln´e standardem ZigBee [22]

3.2

Bezpeˇ

cnost v ZigBee s´ıt´ıch

Bezpeˇcnost a integrita dat jsou kl´ıˇcov´ymi v´yhodami technologie ZigBee. Jak se m˚uˇzeme doˇc´ıst v ZigBee specifikaci [27], bezpeˇcnost je pˇr´ımou souˇc´ast´ı t´eto architektury. Bezpeˇcnost m´a na starosti s´ıt’ov´a a aplikaˇcn´ı vrstva, coˇz m˚uˇzeme vidˇet na obr´azku 3.5, kter´y zn´azorˇnuje model architektury. V souˇcasn´e specifikaci je moˇzn´e pouˇz´ıt tˇr´ı ´urovn´ı zabezpeˇcen´ı: ˇz´adn´e, seznam pro ˇr´ızen´ı pˇr´ıstupu (Access Control List) – ACL a ˇsifrovac´ı standard Hash Message Authentification Code – Advanced Encryption Standard (HMAC–AES). Je vyuˇz´ıv´an kon-cept distribuce kl´ıˇc˚u mezi jedn´ım speci´aln´ım zaˇr´ızen´ım (trust center) a ostatn´ımi zaˇr´ızen´ımi. M˚uˇzeme pouˇz´ıt linkov´e a s´ıt’ov´e kl´ıˇce. Jsou podporov´any operace autentifikace a ˇsifrov´an´ı. Bezpeˇcnost m˚uˇze b´yt pˇrizp˚usobena podle aplikace a kl´ıˇce mohou b´yt pevnˇe zadan´e v apli-kaci.

Skupiny bezpeˇcnostn´ıch specifikac´ı

Jestliˇze zaˇr´ızen´ı pracuje v bezpeˇcn´em reˇzimu, je moˇzn´e zaˇr´ızen´ı zabezpeˇcit nˇekter´ym ze sady bezpeˇcnostn´ıch specifikac´ı [1]. Bezpeˇcnostn´ı sada obsahuje skupinu operac´ı, kter´e se provedou na MAC r´amci a poskytnou dan´e zabezpeˇcen´ı. N´azev skupiny obsahuje n´azev ˇsifrovac´ıho algoritmu, m´od a poˇcet bit˚u kontroln´ıho souˇctu. Velikost kontroln´ıho souˇctu je menˇs´ı nebo rovna velikosti bloku symetrick´eho ˇsifrovac´ıho algoritmu a urˇcuje pravdˇ epodob-nost, ˇze odhad integritn´ıho k´odu je spr´avn´y. Velikost kontroln´ıho souˇctu vˇsak neud´av´a s´ılu v´ychoz´ıho algoritmu. Pro vˇsechny skupiny bezpeˇcnostn´ıch specifikac´ı v tomto standardu se pouˇz´ıv´a ˇsifrovac´ı algoritmus Advanced Encryption Standard (AES). Kaˇzd´e zaˇr´ızen´ı, kter´e pracuje v zabezpeˇcen´em m´odu mus´ı prov´est AES-CCM-64 a bud’ ˇz´adnou nebo nˇekterou

(19)

Obr´azek 3.5: Model ZigBee architektury [5] K´od Bezpeˇcnostn´ı

skupina

Mechanismy zabezpeˇcen´ı Kontrola

pˇr´ıstupu ˇ

Sifrov´an´ı Integrita zpr´av

Freshness check 0x00 Z´ˇadn´a

0x01 AES-CTR ANO ANO ANO

0x02 AES-CCM-128 ANO ANO ANO ANO

0x03 AES-CCM-64 ANO ANO ANO ANO

0x04 AES-CCM-32 ANO ANO ANO ANO

0x05 AES-CBC-MAC-128 ANO ANO

0x06 AES-CBC-MAC-64 ANO ANO

0x07 AES-CBC-MAC-32 ANO ANO

Tabulka 3.1: Tabulka skupiny bezpeˇcnostn´ıch specifikac´ı

dalˇs´ı ze skupiny bezpeˇcnostn´ıch specifikac´ı. Kaˇzd´a bezpeˇcnostn´ı specifikace je urˇcena k´odem, kter´y ukazuje tabulka 3.1.

Mechanismy zabezpeˇcen´ı v ZigBee

Prvn´ım zp˚usobem ochrany je Freshness check [9]. Jedn´a se o ochranu pˇred ´utoky zaloˇzen´e na odpovˇed´ıch od nˇekter´eho zaˇr´ızen´ı (reply attack). ´Utoˇcn´ık zaˇsle zaˇr´ızen´ı nˇejakou zpr´avu a ˇcek´a na odpovˇed’. Pˇri vytvoˇren´ı velk´e komunikace mezi zaˇr´ızen´ımi m˚uˇze ´utoˇcn´ık zjistit potˇrebn´y kl´ıˇc k pˇripojen´ı do s´ıtˇe. ZigBee zaˇr´ızen´ı si udˇzuj´ı poˇcitadla pˇr´ıchoz´ıch a odchoz´ıch zpr´av a v pˇr´ıpadˇe pˇrekroˇcen´ı limit˚u vytv´aˇr´ı spojen´ı s nov´ym kl´ıˇcem.

Integrita zpr´av chr´an´ı pˇred pozmˇeˇnov´an´ım zpr´av ´utoˇcn´ıkem bˇehem pˇrenosu. Pouˇz´ıv´a 0, 32, 64 nebo 128 bitovou kontrolu integrity zpr´avy CRC kontroln´ıho souˇctu. Jako z´akladn´ı hodnota je nastaveno 64 bitov´e

Kontrola pˇr´ıstupu pomoc´ı autentifikace poskytuje z´aruku o p˚uvodci zpr´avy. Zamezuje ´

utoˇcn´ıkovi vyd´avat se za jin´e zaˇr´ızen´ı. Autentifikace je moˇzn´a na s´ıt’ov´e ´urovni nebo na ´

urovni zaˇr´ızen´ı. Autentifikace na s´ıt’ov´e ´urovni je zajiˇstˇena pomoc´ı tzv. s´ıt’ov´ych kl´ıˇc˚u, kter´e jsou pops´any v n´asleduj´ıc´ı podkapitole. Kaˇzd´e dvˇe zaˇr´ızen´ı, kter´e spolu komunikuj´ı, maj´ı

(20)

unik´atn´ı p´ar kl´ıˇc˚u. ˇ

Sifrov´an´ı slouˇz´ı jako ochrana proti odposlechu zpr´av. ZigBee pouˇz´ıv´a 128 bitov´e AES ˇsifrov´an´ı. ˇSifrov´an´ı je moˇzn´e jak na s´ıt’ov´e ´urovni, tak pˇr´ımo v zaˇr´ızen´ı.

Architektura ˇsifrovac´ıch kl´ıˇc˚u v ZigBee

Jsou definov´any tˇri typy kl´ıˇc˚u [13]. Master key je dlouhodob´y bezpeˇcnostn´ı kl´ıˇc, kter´y je mezi dvˇemi zaˇr´ızen´ımi. M˚uˇze b´yt nastaven ruˇcnˇe, pevnˇe pˇri v´yrobˇe nebo si mohou tento kl´ıˇc zaˇr´ızen´ı navz´ajem zaslat. Master key se pouˇz´ıv´a pro pˇred´av´an´ı s´ıt’ov´ych a linkov´ych ˇsifrovac´ıch kl´ıˇc˚u. Linkov´e kl´ıˇce slouˇz´ı k zajiˇstˇen´ı bezpeˇcnosti na urˇcit´e lince mezi dvˇemi zaˇr´ızen´ımi. A posledn´ı, s´ıt’ov´e kl´ıˇce slouˇz´ı k zabezpeˇcen´ı s´ıtˇe a chr´an´ı pˇred ´utoky zvenˇc´ı. Linkov´y i s´ıt’ov´y kl´ıˇc m˚uˇze b´yt tak´e pevnˇe nastaven pˇri v´yrobˇe. Oba tyto kl´ıˇce mohou b´yt pravidelnˇe aktualizov´any. Pˇri pˇripojen´ı nov´eho zaˇr´ızen´ı do s´ıtˇe je tˇreba nastavit tyto dva kl´ıˇce.

Centr´aln´ı prvek zabezpeˇcen´ı – trust centre je zaˇr´ızen´ı v ZigBee s´ıti, kter´e povoluje zaˇr´ızen´ım pˇripojit se k s´ıti a je zodpovˇedn´e za distribuci ˇsifrovac´ıch kl´ıˇc˚u. Trust centre m˚uˇze pracovat ve dvou reˇzimech. Residential a commercial reˇzim. Na obr´azku 3.6 je vidˇet struktura ZigBee s´ıtˇe a rozd´ıl v jednotliv´ych reˇzimech.

Residential reˇzim je zp˚usob zabezpeˇcen´ı, kdy je pouˇzit´y pouze jeden s´ıt’ov´y kl´ıˇc KN.

Vˇsechna zaˇr´ızen´ı v s´ıti ˇsifruj´ı a deˇsifruj´ı komunikaci pomoc´ı toho sd´ılen´eho kl´ıˇce. V´yhodou tohoto pˇr´ıstupu jsou niˇzˇs´ı n´aklady na komunikaci a n´ızk´e n´aroky na trust centre, avˇsak tento pˇr´ıstup je snadno napadnuteln´y ´utoˇcn´ıkem zvenku pˇri pˇripojov´an´ı nov´eho ´uˇcastn´ıka do s´ıtˇe, kdy komunikace prob´ıh´a bez ˇsifrov´an´ı. Tento pˇr´ıstup je tedy vhodn´y v aplikac´ıch, kde nen´ı poˇzadov´ana vysok´a m´ıra bezpeˇcnosti.

Commercial reˇzim je oproti pˇredchoz´ımu vhodn´y pro aplikace, kde je kladen vysok´y d˚uraz na bezpeˇcnost. V tomto ˇreˇsen´ı je zapotˇreb´ı v´ıce kl´ıˇc˚u k ochranˇe komunikace. Tak´e se vˇsak zv´yˇs´ı n´aroky na kapcitu pˇrenosov´eho kan´alu. Jako u pˇredchoz´ıho se pouˇz´ıv´a jeden s´ıt’ov´y kl´ıˇc KN. D´ale se pouˇz´ıvaj´ı KM XY master kl´ıˇce, coˇz je sd´ılen´y kl´ıˇc mezi dvˇema uzly

a KLXY, coˇz je linkov´y kl´ıˇc, kter´y je tˇreba k ˇsifrov´an´ı linky mezi dvˇema uzly.

(21)

Bezpeˇcnostn´ı sluˇzby jednotliv´yvh vrstev

K ochranˇe spolehlivosti a odolnosti s´ıt’ov´e infrastruktury je tˇreba zabezpeˇcit zpr´avy na MAC vrstvˇe [12]. Z´akladn´ım zabezpeˇcen´ım dat a pˇr´ıkaz˚u na MAC vrstvˇe je kontrola in-tegrity r´amce a ochrana proti reply ´utok˚um. ´Urovˇen ochrany integrity se m˚uˇze liˇsit dle typu a ´uˇcelu s´ıtˇe. Poˇcet integritn´ıch bit˚u je 32, 64 nebo 128. D´ale, pˇr´ıjimac´ı strana mus´ı m´ıt moˇznost ovˇeˇrit identitu vys´ılaj´ıc´ı strany. Pouˇz´ıv´a se Cipher Block Chaining (CBC) reˇzim. Ne vˇzdy je tˇreba zabezpeˇcit samotn´e zpr´avy, avˇsak i toto lze nastavit. Doruˇcena zpr´ava je ak-ceptov´ana pˇr´ıjimac´ı stranou aˇz pot´e, co ´uspˇeˇsnˇe projde pˇres ˇsifrov´an´ı a je ovˇeˇrena totoˇznost odes´ılatele. Jako ˇsifrovac´ı proces je pouˇzito sd´ılen´eho kl´ıˇce mezi odes´ılatelem a pˇr´ıjemcem. Je pouˇzit standard Advanced Encryption Standard (AES) a blokov´a ˇsifra vyuˇz´ıvaj´ıc´ı syme-trick´e ˇsifrov´an´ı. ˇSifrov´an´ı AES je v Counter (CTR) reˇzimu. Ovˇeˇren´ı totoˇznosti odes´ılatele se ovˇeˇruje v seznamu zaˇr´ızen´ı odesilatel˚u, kter´e se naz´yv´a Access Control List (ACL). Jestliˇze MAC vrstva obdrˇz´ı r´amec, kter´y je ˇsifrovan´y, pod´ıv´a se na to, od koho r´amec pˇriˇsel a vybere kl´ıˇc pro deˇsifrov´an´ı z datab´aze. Zkontroluje integritu r´amce, pot´e deˇsifruje data z r´amce a informuje vyˇsˇs´ı vrstvy o tom, ˇze doˇsel r´amec a jak byl zabezpeˇcen´y. Na obr´azku 3.7 je vidˇet, jak se k r´amci pˇrid´avaj´ı kontroln´ı a zabezpeˇcovac´ı informace. Je vidˇet, ˇze se ˇsifruj´ı jenom data a ne cel´y r´amec, ale integrita se poˇc´ıt´a pro cel´y r´amec. Poˇcitadlo r´amc˚u (Frame Counter) slouˇz´ı k ochranˇe proti reply ´utok˚um. Vys´ılac´ı strana pokaˇzd´e toto poˇcitadlo zv´yˇs´ı, pˇr´ıjimac´ı strana si pamatuje posledn´ı stav poˇcitadla a jestliˇze po zv´yˇsen´ı o jedniˇcku tyto ´

udaje nesouhlas´ı, je signalizov´ana bezpeˇcnostn´ı chyba.

Obr´azek 3.7: R´amec po pˇrid´an´ı zabezpeˇcen´ı [12]

Moˇznosti zabezpeˇcen´ı s´ıt’ov´e vrstvy jsou obdobn´e jako u MAC vrstvy. Protoˇze zpr´avy s´ıt’ov´e vrstvy mohou putovat po cel´e s´ıti, neˇz doraz´ı k adres´atovi, je nutn´e opˇet ˇsifrovat jenom data, aby bylo moˇzn´e pˇristoupit k ´udaj˚um v hlaviˇcce nutn´ym k pˇred´av´an´ı r´amce po s´ıti. Je tedy nutn´e aby zaˇr´ızen´ı d˚uvˇeˇrovalo vˇsem ostatn´ım zaˇr´ızen´ım v cel´e s´ıti. Jsou situace, kdy je vyˇzadov´ano tak´e zabezeˇcen´ı samotn´e aplikace, tedy na aplikaˇcn´ı vrstvˇe. Samotn´a aplikace m˚uˇze vyuˇz´ıvat zabezpeˇcen´ı niˇzˇs´ıch vrstev nebo pouˇz´ıt vlastn´ıho zabezpeˇcen´eho aplikaˇcn´ıho r´amce, kter´y m´a strukturu velmi podobnou jako niˇzˇs´ı vrstvy. Je tˇreba tak´e myslet na to, ˇze r´amec m˚uˇze putovat s´ıt´ı, neˇz doraz´ı ke koncov´emu zaˇr´ızen´ı, a proto se opˇet ˇsifruj´ı pouze data.

(22)

Protokoly zaloˇzen´e na kl´ıˇc´ıch

V ZigBee se vyuˇz´ıv´a dvou protokol˚u, symetrick´eho kl´ıˇce a veˇrejn´eho kl´ıˇce [12]. Toto d´av´a na v´ybˇer pˇri vytv´aˇren´ı s´ıtˇe podle poˇzadavk˚u na m´ıru zabezpeˇcen´ı. Symetrick´e ˇsifrov´an´ı je jednoduˇsˇs´ı na implementaci a nem´a takov´e v´ypoˇcetn´ı n´aroky, zat´ımco metody ˇsifrov´an´ı pomoc´ı veˇrejn´eho kl´ıˇce jsou sloˇzitˇejˇs´ı na implementaci a potˇrebuj´ı tak´e vyˇsˇs´ı v´ypoˇcetn´ı v´ykon, avˇsak jsou zase v´ıce flexibiln´ı a rozˇsiˇriteln´e a l´epe odol´avaj´ı pˇr´ıpadn´ym ´utok˚um. Hod´ı se na pouˇzit´ı v rozs´ahl´ych s´ıt´ıch a v s´ıt´ıch, kde je nutn´a velk´a m´ıra zabezpeˇcen´ı. ˇ

Sifrov´an´ı pomoc´ı symetrick´eho kl´ıˇce je vhodn´e do menˇs´ıch s´ıt´ı, do dom´acnost´ı, kde nen´ı nutn´e takov´e zabezpeˇcen´ı.

Pro vytvoˇren´ı linkov´ych kl´ıˇc˚u symetrick´eho kl´ıˇce je moˇzn´e pouˇz´ıt dvˇe metody. Symet-ric – Key Key Establishment (SKKE) – metoda symetSymet-rick´eho kl´ıˇce a metoda nechr´anˇen´eho kl´ıˇce – Unprotected Key Establishment (UKE). V prvn´ım pˇr´ıpadˇe se ovˇeˇrov´an´ı dˇeje po-moc´ı sd´ılen´ych, tajn´ych a symetrick´ych kl´ıˇc˚u, kter´e vych´az´ı z master kl´ıˇce. Tento master kl´ıˇc m˚uˇze b´yt napˇr´ıklad nahran´y pˇri v´yrobˇe, m˚uˇze b´yt vygenerovan´y pouˇzit´ım nˇekter´e z ˇsifrovac´ıch metod nebo se m˚uˇze vytvoˇrit z uˇzivatelsk´ych dat, napˇr. zad´an´ım PIN nebo hesla. Druh´a metoda, UKE, pouˇz´ıv´a jako master kl´ıˇc standardn´ı hodnotu. V tomto pˇr´ıpadˇe moˇzn´y ´utoˇcn´ık m˚uˇze tento kl´ıˇc zjistit. Ovˇeˇrov´an´ı se v tomto pˇr´ıpadˇe dˇeje pomoc´ı znalosti IEEE 64-bitov´e adresy druh´eho zaˇr´ızen´ı, kter´a se z´ısk´a pˇri poˇc´ateˇcn´ı komunikaci. Tato me-toda nen´ı pˇr´ıliˇs bezpeˇcn´a, protoˇze lze pˇri poˇc´ateˇcn´ı komunikaci odchytit potˇrebn´e ´udaje k vytvoˇren´ı kl´ıˇc˚u. Tato metoda je vhodn´a pro aplikace, kde je mal´e riziko napaden´ı s´ıtˇe a v implementac´ıch, kde nelze mˇenit master kl´ıˇc, napˇr´ıklad v syst´emech bez pˇrepisovac´ıch pamˇet´ı Flash.

K vytv´aˇren´ı kl´ıˇc˚u protokolu veˇrejn´eho kl´ıˇce se nab´ız´ı tak´e dvˇe metody. Metoda veˇrejn´eho kl´ıˇce – Public–Key Key Establishment (PKKE) a metoda zaloˇzen´a na certifik´atech – Cer-tificate–Based Key Establishment (CBKE). Prvn´ı metoda se pouˇz´ıv´a jako prevence proti pasivn´ım ´utok˚um, kter´e zahrnuj´ı odposlechy pˇri vytv´aˇren´ı kl´ıˇc˚u. D˚uvˇera mezi zaˇr´ızen´ımi se vytv´aˇr´ı v´ymˇennou vˇeˇrejn´ych kl´ıˇc˚u s odpov´ıdaj´ıc´ım ID zaˇr´ızen´ı. V t´eto metodˇe kaˇzd´y poskytne do s´ıtˇe veˇrejn´y kl´ıˇc s ID zaˇr´ızen´ı. Kdo bude cht´ıt s t´ımto zaˇr´ızen´ım komunikovat, zaˇsifruje t´ımto veˇrejn´ym kl´ıˇcem zpr´avu a poˇsle zaˇr´ızen´ı. Rozˇsifrovat tuto zpr´avu vˇsak m˚uˇze pouze zaˇr´ızen´ı, kter´emu byla zpr´ava posl´ana, protoˇze jenom toto zaˇr´ızen´ı m´a priv´atn´ı kl´ıˇc. Tato metoda je obzvl´aˇstˇe v´yhodn´a v pˇr´ıpadech, kdy nen´ı moˇznost pouˇz´ıt certifikaˇcn´ı auto-ritu – Certification Authority (CA). Metoda zaloˇzen´a na certifik´atech pouˇz´ıv´a technologii veˇrejn´ych kl´ıˇc˚u se z´akladn´ımi kl´ıˇci (root key). Certifik´at b´yv´a vˇetˇsinou veˇrejn´y kl´ıˇc s 64 – bi-tovou IEEE adresou zaˇr´ızen´ı podepsan´y CA. Certifik´aty poskytuj´ı zp˚usoby kontroly komu patˇr´ı kter´y veˇrejn´y kl´ıˇc a jestli je dan´e zaˇr´ızen´ı platn´ym zaˇr´ızen´ım s´ıtˇe. Pro obˇe metody vytv´aˇren´ı kl´ıˇc˚u, PKKE i CBKE, je doporuˇcen´e pouˇzit´ı techniky 163–bitov´e Elliptic–Curve Cryptographic (ECC). Tato technika m´a n´ızk´e v´ypoˇcetn´ı n´aroky a kl´ıˇce mal´e d´elky.

Zabezpeˇcen´ı s´ıtˇe

Jelikoˇz se jedn´a o bezdr´atovou s´ıt’, tedy pˇrenosov´e m´edium je vzduch, m˚uˇze doch´azet bˇehem pˇrenosu sign´alu k chyb´am. Pro odhalen´ı a opravu chyb se pouˇz´ıv´a cyklick´eho k´odov´an´ı(CRC nebo FCS). Pˇri tomto k´odov´an´ı se ke kaˇzd´emu r´amci pˇrid´a zbytek po dˇelen´ı polynomem. Ve standardu ZigBee je poˇzit polynom ve tvaru G16(x) = x16+ x12+ x5+ 1. K zabezeˇcen´ı

se pouˇz´ıv´a cel´y r´amec vˇcetnˇe jeho z´ahlav´ı.

(23)

(Di-rect Sequence Spread Spectrum). Jednotliv´e bity jsou nahrazeny poˇcetnˇejˇs´ı sekvenc´ı bit˚u (chip˚u), kter´e se pak vys´ılaj´ı. Sign´al je tak rozprostˇren do vˇetˇs´ı ˇc´asti spektra a je v´ıce odoln´y v˚uˇci ruˇsen´ı. Uˇzivatel˚um, kteˇr´ı neznaj´ı mechanismus vytv´aˇren´ı pseudon´ahodn´e sekvence se pˇren´aˇsen´a data jev´ı jako ˇsum.

Pˇren´aˇsen´a data mezi jednotliv´ymi ´uˇcastn´ıky lze d´ale zabezpeˇcit proti zcizen´ı. Standard definuje tˇri reˇzimy a to nezabezpeˇcen´y pˇr´ıstup, pˇr´ıstup na z´akladˇe pr´av a zabezpeˇcen´y pˇr´ıstup. Je-li pouˇzit pˇr´ıstup na z´akladˇe pr´av, pak s´ıt’ odm´ıt´a r´amce od nezn´am´ych zaˇr´ızen´ı. V zabezpeˇcen´em reˇzimu mohou zaˇr´ızen´ı s´ıtˇe vyuˇz´ıt dalˇs´ı sluˇzby mezi kter´e patˇr´ı:

• pˇr´ıstup na z´akladˇe pr´av

• ˇsifrov´an´ı dat pomoc´ı AES 128 bit • pouˇzit´ı MIC (Message Integrity Code)

• odm´ıtnut´ı opakuj´ıc´ıch se r´amc˚u (Sequential freshness) ˇ

Sifrovac´ı standard AES (Advanced Encryption Standard) nahrazuje standard DES. V´yhodou tohoto nov´eho zp˚usobu ˇsifrov´an´ı je, ˇze nehroz´ı ´utok hrubou silou (tj. vyzkouˇsen´ı vˇsech moˇzn´ych kl´ıˇc˚u).

MIC je kryptografick´y kontroln´ı souˇcet, kter´y je zahrnut do vys´ılan´eho r´amce. Na pˇrij´ımac´ı stranˇe se prov´ad´ı stejn´a operace a hodnotu souˇctu porovn´av´a s pˇrijatou. Pokud se zpr´ava bˇehem pˇrenosu zmˇenila, budou se hodnoty liˇsit a r´amec je odm´ıtnut.

3.3

ZigBee vs. Bluetooth

Jiˇz delˇs´ı dobu je technologie Bluetooth provozov´ana tak´e v nelicenˇcn´ım kmitoˇctov´em p´asmu 2,4 GHz. Na prvn´ı pohled to tedy vypad´a, ˇze ZigBee technologie je zbyteˇcn´a. Mezi tˇemito technologiemi je vˇsak znaˇcn´y rozd´ıl a kaˇzd´a je dle sv´ych atribut˚u vyuˇz´ıv´ana v jin´e oblasti.

Standard Kmitoˇctov´e p´asmo [MHz]

Pˇrenosov´a rychlost [kb/s]

Typ pouˇzit´e modulace Bluetooth IEEE 802.15.1 2400 1 · 103 GFSK 868 (EU) 20 BPSK ZigBee IEEE 802.15.4 915 (USA) 40 BPSK 2.400 250 O-QPSK

Tabulka 3.2: Porovn´an´ı vlastnost´ı ZigBee a Bluetooth

Technologie Bluetooth pracuje se s´ıtˇemi typu piconet, coˇz umoˇzˇnuje pˇripojit k ˇr´ıd´ıc´ı stanici pouze sedm aktivn´ıch podˇr´ızen´ych stanic. Ostatn´ı zaˇr´ızen´ı v s´ıti mohou b´yt, avˇsak jsou pouze v neaktivn´ım stavu, tzv. parked. Dalˇs´ı moˇznou topologi´ı je scatternet, kter´a sdruˇzuje nˇekolik s´ıt´ı piconet pomoc´ı sd´ılen´ych zaˇr´ızen´ı. ZigBee vˇsak m˚uˇze vytvoˇrit topologii strom, a t´ım tedy v´yraznˇe zvˇetˇsit funkˇcn´ı dosah s´ıtˇe. ˇR´ıd´ıc´ı stanici m˚uˇzeme propojit s aˇz 255ti zaˇr´ızen´ımi a lze komunikovat bez koordin´atora.

(24)

Jin´ym, velmi v´yznamn´ym rozd´ılem je pˇrenosov´a rychlost Bluetooth, kter´a je v ˇr´adu megabit˚u. Pro verzi 1.2 je rychlost 1Mb/s, verze 2.0 by mˇela podporovat rychlosti aˇz 3Mb/s. U ZigBee jsou rychlosti 20, 40, resp. 250 kb/s. U Bluetooth je pro pˇrenos pouˇzita modulace GFSK s technologi´ı FHSS(Frequency Hopping Spread Spectrum) na rozd´ıl od ZigBee, kde je pouˇzita technologie DSSS.

Porovn´an´ı [10] technologie Bluetooth a ZigBee je uvedeno v tabulce 3.2. Technologie Bluetooth je vhodn´a napˇr. pro pˇrenosy multimedi´aln´ıch dat, kdy je potˇreba vyuˇz´ıt kapacity kan´alu a pˇrenosov´e rychlosti v co nejvˇetˇs´ı m´ıˇre. Nen´ı vˇsak pˇr´ıliˇs vhodn´a do aplikac´ı, ve kter´ych je nutn´e tvoˇrit rozs´ahl´e s´ıtˇe, protoˇze je zde omezen´ı 7 aktivn´ıch zaˇr´ızen´ı. Pouˇz´ıv´a se hlavnˇe pro spojen´ı dvou zaˇr´ızen´ı PEER–TO–PEER nebo Ad–Hoc. Kdeˇzto standard ZigBee je d´ıky sv´ym vlastnostem vhodn´y pro pouˇzit´ı v oblasti automatizace a pr˚umyslu, kde nen´ı nutn´e pˇren´aˇset tak velk´e mnoˇzstv´ı dat.

(25)

Kapitola 4

Senzorov´

e moduly

4.1

avrh modul˚

u

Anal´yza probl´emu a specifikace poˇzadavk˚u

Vstupem tohoto syst´emu budou namˇeˇren´a data z okoln´ıho prostˇred´ı a v´ystupem bude vyhodnocen´ı tˇechto dat a na jejich z´akladˇe pˇr´ısluˇsn´a akce, napˇr´ıklad pˇri sn´ıˇzen´ı/zv´yˇsen´ı teploty se zapne topen´ı/vˇetr´an´ı. Cel´y syst´em se bude vyuˇz´ıvat jako syst´em pro automatic-kou kontrolu a zajiˇstˇen´ı obydlen´ych i neobydlen´ych objekt˚u. Uˇzivatel bude moci nastavit prahov´e hodnoty mˇeˇren´ych veliˇcin pˇres jednoduchou poˇc´ıtaˇcovou aplikaci a tak´e v t´eto apli-kaci sledovat mˇeˇren´e data. Pˇren´aˇsen´a data nejsou kritick´a na bezpeˇcnost, tud´ıˇz nen´ı nutn´e toto uvaˇzovat. Cel´y syst´em bude fungovat ve standardn´ım rozloˇzen´ı teplot a nebudou kla-deny zv´yˇsen´e n´aroky na souˇc´astky pro pr´aci v rizikov´em prostˇred´ı. Chyby v syst´emu budou vyhodnoceny a hl´aˇseny uˇzivatelsk´e aplikaci jako nestandardn´ı ud´alosti.

Je nutn´e urˇcit jak´e veliˇciny by mˇely senzory mˇeˇrit. Mezi z´akladn´ı a jednoduˇse dostupn´e senzory tˇechto veliˇcin patˇr´ı teplota, vlhkost, osvˇetlen´ı nebo tak´e senzor detekuj´ıc´ı pohyb dan´e souˇc´astky, tzv. accelerometer sensor. Jin´e typy senzor˚u jsou bud’to velmi drah´e, h˚uˇre dostupn´e, maj´ı sloˇzit´e zapojen´ı nebo jsou rozmˇern´e. Vybran´e typy senzor˚u jsou dostupn´e u velk´ych distributor˚u, za pomˇernˇe n´ızkou cenu a sch´ema zapojen´ı se skl´ad´a v podstatˇe jenom z dan´eho senzoru pˇripojen´eho na nap´ajen´ı a pˇres komunikaˇcn´ı rozhran´ı nebo A/D pˇrevodn´ık k mikrokontrol´eru.

Pro poˇzadavek bezdr´atov´eho pˇrenosu dat se pˇr´ımo nask´yt´a ˇreˇsen´ı bezdr´atov´e s´ıtˇe Zi-gBee. Je to velmi jednoduch´y a pˇritom mocn´y protokol pro pˇrenos mal´eho objemu dat pˇri n´ızk´ych pˇrenosov´ych rychlostech. Jeho architektura nask´yt´a moˇznosti ˇsetˇren´ı energie kv˚uli moˇznostem usp´an´ı cel´eho syst´emu a uveden´ı do provozu v intervalech od des´ıtek ms do pˇribliˇznˇe 15ti minut. Ostatn´ı bezdr´atov´e syst´emy jako wifi nebo bluetooth nejsou pˇr´ıliˇs vhodn´e pro tuto aplikaci, protoˇze jsou to robustn´ı syst´emy s vysok´ymi poˇzadavky na v´ypoˇcetn´ı v´ykon a tedy daleko vyˇsˇs´ımi n´aroky na spotˇrebu a velikosti MCU – hlavn´ı ˇ

c´asti modulu. D´ale je zbyteˇcn´e pouˇz´ıvat tyto technologie, kdyˇz velikost pˇren´aˇsen´ych dat bude velmi mal´a a na vysok´e pˇrenosov´e rychlosti n´am tak´e nez´aleˇz´ı. Technologie ZigBee je v´yhodn´a tak´e v tom, ˇze dok´aˇze vytv´aˇret s´ıtˇe typu strom s aˇz 255 zaˇr´ızen´ımi oproti 7 zaˇr´ızen´ım v bluetooth s´ıt´ıch.

Jako ˇr´ıd´ıc´ı jednotka cel´eho syst´emu se nejl´epe hod´ı mikrokontrol´er. Poˇzadavek na jedno-duchost a n´ızkou spotˇrebu vyluˇcuje robustn´ı 32bitov´e MCU s CISC architekturou. Daleko

(26)

vhodnˇejˇs´ı pro tuto aplikaci by byl MCU co nejmenˇs´ı, 8bitov´y s RISC architekturou, kter´y bude m´ıt tak´e daleko niˇzˇs´ı spotˇrebu. Mˇel by m´ıt tak´e vhodn´e komunikaˇcn´ı rozhran´ı pro pr´aci se senzory a transceiverem. Je nutn´e vyˇreˇsit interakci s uˇzivatelem, tedy sbˇer dat a pˇrenos dat do osobn´ıho poˇc´ıtaˇce. Pro tento ´uˇcel je nejjednoduˇsˇs´ı a nejdostupnˇejˇs´ı rozhran´ı USB.

Cel´y syst´em bude pomˇernˇe komplikovan´y a proto je v tomto pˇr´ıpadˇe velmi v´yhodn´e vyuˇzit´ı operaˇcn´ıho syst´emu vhodn´eho pro tyto ´uˇcely. Z pohledu MCU a dostupnosti OS se jev´ı jako vhodn´y kandid´at TinyOS. Je konfigurovateln´y pro dan´e ´uˇcely a dok´aˇze pracovat se ZigBee architekturou.

Pˇri n´avrhu byl kladen d˚uraz na jednoduchost a velikost jednotliv´ych modul˚u. Byly vybr´any komponenty, kter´e jsou dobˇre dostupn´e na trhu a tak´e jejich cena je pˇrijateln´a. V n´asleduj´ıc´ı kapitole je pops´an souhrn nejd˚uleˇzitˇejˇs´ıch souˇc´astek jednotliv´ych modul˚u.

Cel´y syst´em bude ˇr´ızen operaˇcn´ım syst´emem TinyOS, kter´y pobˇeˇz´ı na kaˇzd´em z jed-notliv´ych modul˚u. V´yhodou tohoto ˇreˇsen´ı je, ˇze do TinyOS je moˇzn´e zakomponovat ZigBee modul. ZigBee standard sice podporuje nˇekolik typ˚u zaˇr´ızen´ı, kter´e tvoˇr´ı s´ıt’, jako jsou koncov´a zaˇr´ızen´ı, routery a koordin´atory, ale ve skuteˇcnosti toto ˇreˇsen´ı nen´ı zcela jedno-duch´e. Ve vˇetˇs´ıch s´ıt´ıch je tˇreba m´ıt tak´e routery, kter´e mus´ı doˇcasne ukl´adat data a pot´e pˇrepos´ılat na jin´a zaˇr´ızen´ı, kter´a napˇr´ıklad v dan´y moment nejsou k dispozici. V nˇekter´ych pˇr´ıpadech je nutn´e prov´adˇet tak´e r˚uzn´a zpracov´an´ı dat a t´ım znaˇcnˇe zat´ıˇzit procesor. Dalo by se pouˇz´ıt v´ykonnˇejˇs´ıch procesor˚u, avˇsak nasazen´ım operaˇcn´ıho syst´emu doc´ıl´ıme velk´eho zjednoduˇsen´ı spr´avy cel´eho syst´emu a s´ıtˇe a zlepˇsen´ı synchronizace jednotliv´ych souˇc´ast´ı syst´emu.

MCU

Pro tuto pr´aci jsem vybral mikroprocesory od firmy Atmel[3] ˇrady AVR. Jsou to 8–mi bitov´e mikroprocesory harwardsk´eho typu s j´adrem RISC a vykon´avaj´ı instrukci za je-den cyklus. Maj´ı pˇresnˇe stanovenou strukturu vstupnˇe/v´ystupn´ıch operac´ı, kter´a omezuje potˇrebu extern´ıch komponent. AVR mikroprocesory obsahuj´ı vˇsechny d˚uleˇzit´e souˇc´astky potˇrebn´e pro bˇeh. Instrukˇcn´ı sada je velmi z´uˇzena a nez´aleˇz´ı na tom, zda je k´od psan´y v as-sembleru nebo jazyce C. NA trhu jsou dostupn´e procesory v nˇekolika variant´ach velikosti pamˇeti, nap´ajen´ı, rychlosti a pouzder. Byly vybr´any procesory ATmega644 a ATmega1281. Z´akladn´ı parametry zvolen´ych MCU jsou uk´az´any v n´asleduj´ıc´ım pˇrehledu.

• rychlost CPU 10MHz • nap´ajen´ı 1.8V – 5.5V

• velikost vnitˇrn´ı pamˇeti FLASH 64KB resp. 128KB • 32 pracovn´ıch registr˚u

• 6 reˇzim˚u sp´anku

• dva 8–mi bitov´e a jeden 16–ti bitov´y ˇc´ıtaˇc/ˇcasovaˇc • 8–mi kan´alov´y, 10–ti bitov´y AD pˇrevodn´ık

(27)

Obr´azek 4.1: Blokov´e sch´ema MCU ATmega644 [3]

Transceiver

Pro ZigBee komunikaci slouˇz´ı tak´e ˇcip od firmy Atmel, a to AT86RF230. Je to n´ızko– pˇr´ıkonov´y transceiver pro frekvenci 2.4GHz speci´alnˇe vyr´abˇen´y pro low–cost ZigBee/IEEE 802.15.4 aplikace. ˇCip obsahuje kompletn´ı fyzickou(PHY) vrstvu ZigBee/IEEE 802.15.4, IEEE standard pro tvorbu peer–to–peer, hvˇezda a mesh s´ıt´ı. K ˇcipu je nutn´e pˇripojit extern´ı ant´enu, krystal a de–coupling kondenz´atory(baloon). V kombinaci s Atmel AVR mikroprocesory je vhodn´e jej pouˇz´ıt v tˇechto aplikac´ıch.

• bezdr´atov´e senzorov´e s´ıtˇe • pr˚umyslov´e ˇr´ızen´ı

• automatizace dom´acnost´ı a budov • spotˇrebn´ı elektronika

• poˇc´ıtaˇcov´e pˇr´ısluˇsenstv´ı

Modul koordin´atoru

Na blokov´em sch´ematu 4.2 vid´ıme 4 z´akladn´ı bloky. Jsou to Samotn´e MCU – ATmega1281, transceiver AT86RF230, modul rozhran´ı pro usb komunikaci RF232R a nap´ajen´ı 3.3V.

(28)

Obr´azek 4.2: Blokov´e sch´ema modulu koordin´ator

Tento modul by mˇel ˇr´ıdit cel´y syst´em, sb´ırat veˇsker´a data ze senzorov´ych modul˚u a rozes´ılat sign´aly pˇrep´ınac´ım modul˚um. Mikroprocesor pro tento modul bude pouˇzit AT-mega1281 na rychlosti 8MHz a s kapacitou vnitˇrn´ı pamˇeti 128KB. Data se budou pˇren´aˇset do poˇc´ıtaˇce pˇres rozhran´ı USB. Pro programov´an´ı a zjiˇst’ov´an´ı stavu modulu slouˇz´ı rozhran´ı JTAG. Jelikoˇz se poˇc´ıt´a se st´al´ym pˇripojen´ım tohoto modulu, bude nap´ajen ze sbˇernice USB. Velikost tohoto modulu by mˇela b´yt 5x5cm.

Senzorov´y modul

N´asleduj´ıc´ı blokov´e sch´ema 4.3 zobrazuje z´akladn´ı prvky modulu se senzorem. Z´akladn´ı souˇc´asti tohoto modulu jsou MCU ATmega644 na rychlosti 8MHz a s kapacitou vnitˇrn´ı pamˇeti 64KB, transceiver AT86RF230, senzor a pˇr´ıpadn´y sol´arn´ı panel pro dob´ıjen´ı bateri´ı. Pro programov´an´ı slouˇz´ı tak´e rozhran´ı JTAG. Jestliˇze bude tento modul dob´ıjen ze sol´arn´ıho panelu, provoz by mˇel b´yt i nˇekolik let. Velikost by mˇela b´yt pˇribliˇznˇe stejn´a jako u modulu koordin´atoru, tedy 5x5cm.

Pro tuto pr´aci jsou vybran´e 3 typy senzor˚u. Bude moˇzn´e mˇeˇrit teplotu s vlhkost´ı, inten-zitu svˇetla a tak´e senzor, kter´y mˇeˇr´ı zrychlen´ı. Tedy bude moˇzn´e mˇeˇrit napˇr´ıklad vibrace nebo detekovat pohyb modulu.

Teplota, vlhkost

Pro mˇeˇren´ı teploty a vlhkosti slouˇz´ı senzor od firmy Sensirion. V´ystup senzoru je digit´aln´ı a je pˇripojen k mikrokontroleru pˇres rozhran´ı TWI a pot´e zpracov´an do hodnoty relativn´ı vlhkosti nebo teploty. Zmˇena mˇeˇren´e fyzik´aln´ı veliˇciny se prov´ad´ı zap´an´ım bitu do ˇr´ıd´ıc´ıho registru senzoru. V´ystup relativn´ı vlhkosti je t´emˇeˇr line´arn´ı a v´ystup teploty je zcela line´arn´ı.

(29)

Obr´azek 4.3: Blokov´e sch´ema modulu se senzorem

Intenzita svˇetla

Intenzita svˇetla bude mˇeˇrena senzorem firmy Taos. Tento senzor je sloˇzen z fotodiody a vysokoimpedanˇcn´ıho zesilovaˇce a tedy pˇr´ımo mˇen´ı intenzitu svˇetla na napˇet´ı. V´ystup senzoru je line´arn´ı a bude tak´e pˇriveden rohran´ım TWI do mikrokontroleru.

Zrychlen´ı

Modul, kter´y bude mˇeˇrit zrychlen´ı bude osazen ˇcipem od firmy Freescale, kter´y dok´aˇze detekovat zrychlen´ı ve vˇsech 3 os´ach. Senzor funguje na principu zmˇeny kapacit, kdy pˇri pohybu se mˇen´ı kapacity jednotliv´ych voln´ych ploch. V´ystup z t´eto souˇc´astky je analogov´y, tedy je nutn´e jej pˇriv´est na AD pˇrevodn´ık mikrokontroleru a zpracovat do digit´aln´ı podoby.

Pˇrep´ınac´ı modul

Z´akladn´ı bloky tohoto modulu 4.4 jsou tak´e MCU ATmega644 a transceiver AT86RF230, jako u pˇredchoz´ıho modulu. Pˇredpokl´ad´a se st´al´e pˇripojen´ı k napˇet´ı 220V, tedy je zbyteˇcn´e bateriov´e nap´ajen´ı. Nam´ısto senzoru jsem um´ıstil rel´e, kter´e dok´aˇze sp´ınat potˇrebn´y spo-tˇrebiˇc pˇri sign´alu z MCU.

Tento modul slouˇz´ı pro sp´ın´an´ı napˇet´ı 220V pˇri potˇrebn´e ud´alosti. Napˇr´ıklad, kdyˇz sen-zorov´y modul detekuje sn´ıˇzen´ı intenzity svˇetla, tomuto modulu se poˇsle sign´al pro zapnut´ı osvˇetlen´ı a pomoc´ı rel´e sepne obvod se ˇz´arovkami.

4.2

Konstrukce bezdr´

atov´

ych modul˚

u

K v´yrobˇe desek ploˇsn´ych spoj˚u jednotliv´ych modul˚u bylo tˇreba vz´ıt v ´uvahu nˇekolik z´ a-kladn´ıch poˇzadavk˚u. Velmi d˚uleˇzit´y je v´ybˇer v´yvojov´eho prostˇred´ı pro n´avrh DPS (desky ploˇsn´eho spoje). Jako v´yvojov´e prostˇred´ı jsem zvolil program Eagle verze 4.16, jelikoˇz jsem s n´ım mˇel jiˇz dˇr´ıvˇejˇs´ı zkuˇsenosti. D´ale je nutn´e zjistit dostupnost knihoven souˇc´astek potˇrebn´ych pro DPS. Byla nutn´a kontrola pouzder a v´yroba knihovny se souˇc´astkami,

(30)

Obr´azek 4.4: Blokov´e sch´ema modulu pˇrep´ınaˇce

kter´e nebyly souˇc´ast´ı standardn´ı knihovny Eaglu. Po t´eto pˇr´ıpravˇe softwarov´eho vyba-ven´ı n´asledoval samotn´y n´avrh jednotliv´ych modul˚u. Bylo tˇreba zv´aˇzit vhodnost pouˇzit´ı v´ıcevrstevn´e desky ploˇsn´eho spoje pro v´yrobu. Rozhodl jsem se pouˇz´ıt pouze oboustranou desku, a to zd˚uvodu jednoduˇsˇs´ıho n´avrhu a tak´e niˇzˇs´ı ceny. N´asledoval samotn´y n´avrh jed-notliv´ych modul˚u. Vych´azel jsem z referenˇcn´ıch zapojen´ı jednotliv´ych souˇc´astek a snaˇzil se je co nejl´epe zkombinovat s ostatn´ımi sch´ematy. Velkou roli pˇri konstrukci hr´ala velikost DPS. Snaˇzil jsem se o co nejvˇetˇs´ı vyuˇzit´ı voln´eho m´ısta a tedy o co nejmenˇs´ı velikost DPS. D´ale bylo tˇreba um´ıstit komunikaˇcn´ı rozhran´ı vz´ajemnˇe propojen´ych integrovan´ych obvod˚u co nejbl´ıˇze k sobˇe a tak´e s pˇribliˇznˇe stejnou d´elkou spoje p´arov´ych vodiˇc˚u.

Kompletn´ı obvodov´a sch´emata, desky ploˇsn´ych spoj˚u a seznam pouˇzit´ych souˇc´astek jsou v dokumentu uvedeny v pˇr´ıloze. Bylo vyrobeno a osazeno pˇet modul˚u. Hlavn´ı modul koordin´atoru, moduly se senzorem teploty a vlhkosti, senzorem intenzity svˇetla a senzorem zachycuj´ıc´ı zrychlen´ı. Posledn´ım modulem je pˇrep´ınac´ı modul, kter´y obsahuje SSR rel´e pro sp´ınan´ı 220V. Velikost tˇechto modul˚u je mezi 3.5 – 4.5cm x 4 – 4.5 cm. Celkov´a cena je pˇribliˇznˇe 15000 Kˇc.

Mikrokontroler

Z´akladn´ım prvkem kaˇzd´eho modulu je mikroprocesor firmy Atmel. Pro ˇr´ıd´ıc´ı modul koor-din´atoru jsem vybral procesor ATMega1281 [3] v pouzdˇre TQFP64. Hodinov´y takt tohoto mikroprocesoru je 8MHz. Hodiny jsou pˇrivedeny jako extern´ı z transceiveru. Nap´ajen´ı je pˇrivedeno z obvodu FT232RQ pro komunikaci pˇres USB sbˇernici. Pˇres transformaˇcn´ı a sta-bilizaˇcn´ı obvody je z p˚uvodn´ıho napˇet´ı 5V USB sbˇernice vytvoˇreno nap´ajen´ı 3.3V. Pro ostatn´ı moduly jsem vybral mikroprocesor stejn´e ˇrady, ale niˇzˇs´ı tˇr´ıdy ATMega644. Hlavn´ı rozd´ıl oproti pˇredchoz´ımu je, ˇze tento procesor ma menˇs´ı vnitˇrn´ı pamˇet’, je osazen v menˇs´ım

(31)

Aktivn´ı hodinov´a z´akladna

Oscil´atory Zdroje probuzen´ı

Reˇzim MCU clk

I O clk AD C clk AS Y Hla vn ´ı ho din y p o v olen y ˇ Caso v a ˇc p o v olen Extern ´ı p ˇreru ˇsen ´ı Z ´aznam TWI adresy ˇ Caso v a ˇc 2 SPM/ EEPR OM ready ADC Pˇreru ˇsen ´ı WTD Jin ´e Neˇcinn´y X X X X X X X X X X X X

ADC reˇzim X X X X X X X X X X

Vypnut´y X X X

´

Usporn´y X X X X X X

Pohotovstn´ı X X X X

Ext. pohotovostn´ı X X X X X X X

Tabulka 4.1: Tabulka reˇzim˚u sp´anku MCU SM2 SM1 SM0 Reˇzim MCU

0 0 0 Neˇcinn´y

0 0 1 ADC reˇzim

0 1 0 Vypnut´y 0 1 1 Usporn´´ y 1 0 0 rezervov´ano 1 0 1 rezervov´ano 1 1 0 Pohotovostn´ı 1 1 1 Ext. pohotovostn´ı

Tabulka 4.2: Tabulka SLEEP instrukc´ı

pouzdru TQFP44, a tud´ıˇz m´a m´enˇe I/O port˚u. Je tak´e ˇr´ızen extern´ımi hodinami z transcei-veru o kmitoˇctu 8MHz. Tyto procesory jsou nap´ajeny bateri´ı s napˇet´ım 9V transformovan´ym a stabilizovan´ym na 3.3V. Realizace jednotliv´ych ˇc´ast´ı modulu a komunikaˇcn´ıch rozhran´ıch jsou pops´any n´ıˇze.

Power management mikrokotroleru a reˇzimy sp´anku

D´ıky reˇzim˚um sp´anku, kter´e dovoluj´ı aplikaci vypnout nepouˇz´ıvan´e ˇc´asti MCU, doch´az´ı k v´yrazn´e ´uspoˇre energie. Mikrokotrolery pouˇzit´e v t´eto pr´aci dovoluj´ı hned nˇekolik tˇechto reˇzim˚u sp´anku. Pˇrehled reˇzim˚u a zdroje probuzen´ı jsou v tabulce 4.1.

Pro vstup do nˇekter´eho z tˇechto reˇzim˚u je nutn´e zapsat logickou jedniˇcku na bit SE registru SMCR a mus´ı se prov´est instrukce SLEEP. Z´apis hodnoty na bity SM0, SM1 a SM2 v tomto registru urˇcuje, o jakou instrukci se jedn´a. V tabulce 4.2 m˚uˇzeme vidˇet nastaven´ı jednotliv´ych bit˚u pro aktivaci r˚uzn´ych reˇzim˚u.

(32)

a pokraˇcuje instrukc´ı, kter´a n´asleduje za instrukc´ı SLEEP. Po probuzen´ı ze sp´anku se obsah instrukˇcn´ıho registru a pamˇeti SRAM nezmˇen´ı. Jestliˇze dojde k resetu bˇehem reˇzimu sp´anku, MCU se probud´ı a vykon´a podle vektoru resetu.

Z hlediska tohoto projektu je nejd˚uleˇzitˇejˇs´ım reˇzimem sp´anku mikrokontroleru reˇzim Vypnut´y – Power–Down. V tomto reˇzimu je cel´y mikrokontroler prakticky vypnut´y, jsou zapnut´e pouze detekce extern´ıch pˇreruˇsen´ı, rozhran´ı TWI, a watchdog. MCU lze tak´e pro-budit jen ud´alost´ı na tˇechto rozhran´ıch.

Vypnut´ı syst´emu – reˇzim Power–down

Do tohoto stavu se mikrokontroler dostane po pˇrepnut´ı transceiveru do RX ON NOCLOCK stavu. Po zad´an´ı pˇr´ıkazu pro pˇrepnut´ı transceiveru do uveden´eho stavu m´a mikrokontro-ler 35 cykl˚u na to, aby s´am sebe pˇrepnul do vypnut´eho stavu, protoˇze po 35ti taktech se pˇreruˇs´ı hodinov´y sign´al na pinu CLKM, coˇz jsou extern´ı hodiny mikrokontroleru. Transcei-ver tedy naslouch´a okoln´ımu prostˇred´ı, a jak zachyt´ı r´amec urˇcen´y pro nˇej, vyvol´a pˇreruˇsen´ı RX START pro mikrokontroler na pinu IRQ. D´ale se na pinu CLKM objev´ı hodinov´y sign´al pro mikrokontroler, a ten je schopn´y obnovit svoji ˇcinnost a pˇrijmout r´amec od transcei-veru. Cel´y tento syst´em je ˇr´ızen koordin´atorem, kter´y v urˇcit´ych period´ach zas´ıl´a pakety s poˇzadavky na senzorov´a data, a t´ım probouz´ı postupnˇe jednotliv´e moduly. Ty zpracuj´ı poˇzadavek, namˇeˇren´a data odeˇslou zpˇet koordin´atoru a cel´y modul opˇet usp´ı.

Transceiver

R´adiovou ˇc´ast kaˇzd´eho modulu obstar´av´a transceiver ATRF230 firmy Atmel [3]. Kombinace tˇechto dvou souˇc´astek je pˇr´ımo uvedena a doporuˇcena v´yrobcem. Tento integrovan´y obvod se dod´av´a v pouzdˇre QFN32. Zapojen´ı transceiveru je pops´ano v kapitol´ach o hodin´ach 4.2, ant´enˇe 4.2 a rozhran´ı SPI 4.2. Podle referenˇcn´ıho zapojen´ı jsem jeˇstˇe pˇripojil ke vstup˚um AVDD a DVDD kondenz´atory o kapacitˇe 1µF.

Transceiver m˚uˇze pracovat ve dvou reˇzimech, v z´akladn´ım operaˇcn´ım reˇzimu a v roz-ˇs´ıˇren´em operaˇcn´ım reˇzimu. Z´akladn´ı operaˇcn´ı reˇzim poskytuje z´akladn´ı funkcionalitu jako vyp´ın´an´ı a zap´ın´an´ı obvodu a pˇr´ıjem a vys´ıl´an´ı r´amc˚u.

Stav transceiveru se ˇr´ıd´ı podle sign´aly SLP TR, RST a registrem TRX STATE. ´Uspˇeˇsn´a zmˇena stavu transceiveru je potvrzena v registru TRX STATUS. Pomoc´ı pinu SLP TR a zmˇeny sign´alu n´abˇeˇznou hranou se lze dostat do n´asleduj´ıc´ıch stav˚u:

• TRX OFF → SLEEP • RX ON → RX ON NOCLK • PLL ON → BUSY TX

Pin RST zp˚usobuje reset vˇsech registr˚u a uv´ad´ı transceiver do stavu TRX OFF. Z´apisem hodnoty do registru TRX STATE na pozici 4:0 se lze dostat do ostatn´ıch stav˚u z´akladn´ıcho reˇzimu.

P ON – zapnut´ı po pˇripojen´ı VDD

Po pˇripojen´ı napˇet´ı se transceiver nach´az´ı v tomto stavu. Zaˇcne b´yt aktivn´ı oscil´ator a ho-diny na pinu CLKM slouˇz´ı jako zdroj hodin mikrokontroleru. Dojde k vnitˇrn´ımu resetu

(33)

Obr´azek 4.5: Stavov´y diagram z´akladn´ıho operaˇcn´ıho reˇzimu

a obsah vˇsech registr˚u se nastav´ı na jejich defaultn´ı hodnoty. K opuˇstˇen´ı tohoto stavu je nutn´e, aby mikrokontroler nastavil piny na standardn´ı hodnoty SLP TR = L a RST = H. Po ust´alen´ı napˇet´ı a ustanoven´ı krystalu je moˇzn´e se zaps´an´ım do registru TRX STATE hodnotami TRX OFF nebo FORCE TRX OFF dostat ze stavu P ON.

SLEEP – stav sp´anku

Ve stavu sp´anku, je cel´y transceiver vypnut´y. Jestliˇze je povoleno CLKM, tedy transceiver je zdrojem hodin mikrokontroleru, stav sp´anku nastane po 35ti hodinov´ych cyklech. Z d˚uvodu usp´an´ı mikrokontroleru. Spotˇreba je redukov´ana pouze na svodov´y proud. Do tohoto stavu se lze dostat pouze ze stavu TRX OFF nastaven´ım pinu SLP TR na hodnotu H. Nastaven´ım SLP TR na hodnotu L se transceiver dostane opˇet do stavu TRX OFF.

TRX OFF

V tomto stavu je povolen´e SPI rozhran´ı a oscil´ator. D´ale je povolen digit´aln´ı napˇet’ov´y re-gul´ator(DVREG) a poskytuje 1.8V pro j´adro, aby byl dostupn´y buffer r´amce(Frame buffer). Mikrokotroler m˚uˇze pˇristupovat ke vˇsem digit´aln´ım funkc´ım a na pinu CLKM je hodinov´y sign´al pro mikrokontroler. Piny SLP TR a RST jsou povoleny pro ˇr´ızen´ı stavu.

PLL ON

Vstupem do PLL ON stavu z TRX OFF stavu se nejprve povol´ı analogov´y napˇet’ov´y re-gul´ator(AVREG). Pot´e , co se ustav´ı napˇet’ov´y regul´ator, je povolen´y syntetyz´ator kmitoˇct˚u

Figure

Updating...

References