Zigbee 제가 오늘 준비한 내용은 zigbee에 관한 전반적인 내용입니다. 2008 – 03 – 05 WON MI SUN

Content 특징 주파수 동작원리(duty cycle) 유사 기술 비교 토폴로지 스택 구조 응용분야 Zigbee라는 내용이 많다보니 제 생각대로 7부분으로 추려보았습니다. 첫번로 특징, 그다음이 주파수, 듀티사이클, 유사한 기술들의 비교, 지그비의 토폴로지, 지그비 스택 구조, 마지막으로 응용분야를 하고 마치겠습니다.

Zigbee의 정의 Zigbee는 저전력, 저가격, 사용의 용이성을 자랑하는 무선 센서 네트워크의 대표적 기술로 각광을 받고 있으며, 2003년 IEEE 802.15.4 작업분과 위원회에서 표준화된 PHY/MAC 층을 기반으로 상위 Protocol 및 Application을 규격화 Zigbee란 IEEE 802.15.4기반으로 저전력과 저가격을 목표로 하는 저속 근거리 개인 무선통신의 구제 표준 스펙입니다. Zigbee는 전력 소모가 적고 칩의 가격이 저렴하고 통신의 안전성이 높아 최근 가장 급속한 발전을 하고 있는 기술입니다.

Zigbee의 특징 1. Sensor Network 2. 멀티 홉 기능 지원 3. 네트워크의 복원기능으로 상세한 모빌리티를 지원 4. 데이터를 적합한 곳에 뿌려줄 수 있는 ‘상황인지 기능’ 지원 5. 칩 개발의 용이성 저전력, 저가격, 낮은 데이터 비율, 다수의 네트워크 node 지원, 단순한 프로토콜 구조, 긴 배터리 수명 데이터 전송 성공률이 높음, 스타, 클러스터 트리, 메시 네트워크를 구성 할 수 있음 Zigbee을 특징을 크게 5가지로 나누어 보았습니다. ① 센서 네트워크 - 저전력이 특징인 지그비는 송수신기를 센서와 결합해 대규모 센서 네트워크를 구성할 수 있으며, 센싱, 모니터링, 제어를 위한 기반 기술로 정의된다. 지그비는 저가격, 저전력, 낮은 데이터 비율(data rate), 다수의 네트워크 노드 지원, 단순한 프로토콜 구조, 긴 배터리 수명이 특징이다. 또 3개의 주파수 대역을 사용해 최대 100M까지 20~250Kbps의 전송 속도를 지원하며 2.4GHz에서 하나의 무선 네트워크에 255대의 기기연결이 가능, 최대 6만5천개의 노드를 확장해 연결할 수 있다. ② 멀티 홉 기능 지원 - 지그비는 멀티 홉 기능이 지원돼 데이터 전송 성공률이 높다는 것도 특징이다. 스타, 클러스터 트리, 메시 네트워크를 구성할 수 있는데 현재 지그비의 메시 네트워크를 지원할 수 있는 벤더는 드물지만 메시 노드가 되면 최소 6홉에서 최대 255홉까지 멀티캐스트가 가능해 99.999%의 통신성공률을 보장할 수 있다. 또한 메시 구조는 리더기를 일 대 일이 아닌 일 대 다로 물릴 수 있어 리더기가 하나만 있어도 멀티 홉으로 확장성 있는 네트워크를 구성할 수 있기 때문에 소량의 전력으로 수천 개의 장치를 지원할 수 있어 투자비를 줄이면서 유연한 네트워크 구성이 가능하다. 이 밖에도 지그비 메시 네트워크는 데이터 생성, 수정, 확장, 이동 및 보안성에도 탁월한 정점을 갖고 있다. ③ 네트워크의 복원기능으로 상세한 모빌리티를 지원 ④ 데이터를 적합한 곳에 뿌려줄 수 있는 ‘상황인지 기능’ 지원 이와 결합한 위치기반 서비스에 다양하게 응용될 수 있다는 것도 장점이다. 예를 들어 집안의 온도조절센서에 지그비를 적용한다면 온수를 욕조에 받을 때 목욕하기 적당한 온도로 수온을 맞춰줘 온도가 내려가면 물을 더 따뜻하게, 온도가 너무 뜨거우면 수온을 자동으로 낮추는 등의 상황인지가 가능하다. 바로 이 점이 RFID보다 지그비가 광범위하게 확산될 수 있는 점인데, RFID는 단순히 정보를 전달해주는 중간단계의 역할밖에 수행할 수 없다. 하지만 지그비는 센서 기능을 포함해 능동적이며 상황에 맞게 정보들을 수집해서 뿌려줄 수 있다. ⑤ 칩 개발의 용이성 - 칩 개발에 있어서도 블루투스 정도의 복합 기능 구성이 요구되지 않아 타임 투 마켓이나 응용분야의 확장성에서 큰 장점을 가진다. 이런 지그비 기술은 지능형 홈네트워크, 빌딩 및 산업용 기기 자동화, 물류, 환경 모니터링, 휴먼 인터페이스, 텔레매틱스, 군사 등 다양한 유비쿼터스 환경에 응용될 수 있다. 상황인지 기능과 결합한 위치기반 서비스에 다양하게 응용 가능 구조가 단순하여 확장성을 가지고 있음

Zigbee Frequency Zigbee data 비율 범위는20~250kbps에서 사용된다 주파수 대역 / Channel Band 적용 범위 Date 체널 수신감도 변조 2.4GHz ISM WorldWide 250kbps 16 -85dBm O-QPSK 868MHz Zigbee규격을 따르는 제품은 물리적 우선 표준 특성과 2.4Ghz(전세계), 915Mhz(미국), 868Mhz(유럽)의 무허가 영역의 표준 물리계층 무선의 장점을 모두 가지고 있습니다. 데이터 전송은 2.4에서는 16개의 채널, 915에서는 10개, 868에서는 1개 총 27개의 채널 중 한 채널을 선택할 수 있고 전송률은 최대로 2.4에서 250kbps까지 가능합니다. 전송거리는 환경에 따라 다르지만 75m까지 가능합니다. Europe 20kbps 1 -92dBm BPSK 915MHz ISM Americas 40kbps 10 -92dBm BPSK

Duty Cycle Duty Cycle Duty Cycle의 저감 : 대부분의 경우 Sleep 상태를 유지 동작 원리 Duty Cycle의 저감 : 대부분의 경우 Sleep 상태를 유지 Wakeup Sleep Sleep Duty Cycle mA 배터리의 수명을 얻기 위해 센서와 센서간의 통신회선에서 소모되는 전력을 줄여야 합니다. 그러기 위한 방법중 가장 간단한 방법은 듀티사이클을 최적화 시키는 방법입니다. 듀티사이클이란 1%듀티사이클인 경우 1%의 신호를 보내면 99%는 쉬고 있는 경우를 말합니다. 즉, 듀티 사이클이란 신호를 보내는기간과 쉬는 기간의 비율을 말합니다. 센서의 경우 기기의 가동시간 비율을 최소화 하는 방법이 이에 해당합니다. 센서가 통신하고 있지 않을 때에는 절전대기 상태로 유지되어야 합니다. 대부분의 센서는 2.4Ghz~ 2.48Ghz대역에서 250kbps 802.15.4 데이터 전송률로 메시지를 최소 수천분의 일초로 생성합니다. 902~928Mhz와 868~870Mhz에서 데이터 전송률은 각각 40kbps 20kbps입니다. 왜냐하면 대기모드 상태에서 전송모드로 전환하는데 약 15ms의 시간이 소모되기 때문입니다. 따라서 센서는 평균 초당 1개의 메시지를 전송하는데 2.4Ghz대역에서 2%이하의 듀티사이클로 작동하여 868~915Mhz대역에서는 이보다 조금 높다. 메시지 전송 빈도가 이보다 훨씬 더 낮은 센서도 많다. 이러한 센서는 듀티사이클이 상당히 낮아 배터리 지속 시간이 배터리 보관 수명과 거의 동일하기 때문에 알칼라인 배터리 하나로 최대 10 년이 가능하다는 결론이 된다. 센서네트워크(<1%)에 크게 효과적이다. 새로운 네트워크 노드는 30ms이내에 인식되고 가입이 되어야 하고, 휴면 노드가 깨어나서 채널에 접근하고 데이터를 보내는 데에는 약 15ms가 소요된다. ZigBee 응용은 빠르게 정보를 첨가하여 보내고 제거한 다음 깊은 휴면에 들어가므로 전력을 최대한 줄일 수 있다. 저속통신으로 처리가 가능하며 전송이 드물게 발생되는, 전문용어로 듀티사이클(duty cycle)이 낮은 곳에 적합하다. 따라서 디지털 홈 구현, 빌딩자동화, 공장자동화 등의 유비쿼터스 환경의 구현에 적합하다. 송신자 송신자 송신자 Wakeup 상태에서도 수 mA 만을 소비함

Technology comparison Zigbee, Bluetooth, Wireless LAN 비교 Zigbee Bluetooth Wireless LAN IEEE 802.15.4 IEEE 802.15.1 IEEE 802.11 250Kbps Transmission : 35mA stand by : 3uA 조명, 센서, PC 주변장치 1 Mbps 40mA 200uA 전화기의 케이블 대체 54Mbps 400+mA 20mA 엔터프라이즈, 홈 엑세스, 노트북 Mesh Network Point to multi-point 다음은 2.4Ghz대역을 이용하는 많이 알려진 다른 표준들과의 비교 입니다. 블루투스는 컴퓨터 및 주변 기기 또는 이어폰 등의 유선을 무선으로 대체하는 응용에 가장 많이 적용되고 있습니다. 이 표준은 802.15.1기반으로 하며 전송속도는 1Mbps로 소모전력은 zigbee와 비슷합니다. 그러나 대기 상태에서는 zigbee의 전력소모가 훨씬적다. 왜냐하면 블루투스가 이용하는 네트워크기기느 동기화를 유지하기위해 자주 네트워크에게 알려야 하기대문이다. 그러므로 거의 휴면 모드로 전환되기 어렵다. WLAN은 무선랜의 표준으로 노트북이 무선 네트워크에 접속된 경우처럼 거의 연속하여 통신을 한다 이 표준의 장점은 대량의 데이터를 한지점에서 여러지점으로 보낼수 있다는 것입니다. 전송과 대기에 상당이 많은 양의 전류가 소모된다. 이 세개의 표준을 비교해볼때 지그비 많이 매쉬 네트워크 형태를 제공한다.

Zigbee Topology 네트워크기기는 다른 네트워크기기의 메시지를 중계한다. Star 망에서는 ZigBee코디네이터가 네트워크를 통제한다. 코디네이터는 네트워크를 깨우고,지속시키는 역할을 한다. 다른 모든 기기는 코디네이터와 직접 통신하는 종단기기가 된다. Mesh 망 및 Tree 망의 경우 코디네이터는 네트워크를 시작하고 특정한 중요 네트워크 매개 변수를 선택한다. 또한 ZigBee 라우터를 통해 네트워크를 확장할 수 있다. Tree 네트워크 형태에서 라우터는 계층 라우팅 기법으로 네트워크를 통해 데이터를 이동시키고 메시지를 제어한다. Tree 네트워크 형태에서 라우터는 계층 라우팅 기법으로 네트워크를 통해 데이터를 이동시키고 메시지를 제어한다. Tree 네트워크 형태는 비컨기반 통신을 사용할 수 있으며, 완전한 P2P(Peer-to-Peer)통신을 지원한다.

Zigbee Stack structure(1) Application Zigbee Platfrom Stack Silicon Zigbee Strack Architecture Customer APPLICATION /PROFILES APPLICATION FRAMEWORK Zigbee Alliance NETWORK / SECURITY LAYERS ZigBee 스택은 OSI(Open Systems Interconnection) 7 계층 모델을 기반으로 한 계층적 구조이다. ZigBee 스택의 전체적인 내용은 다음 그림과 같다. ZigBee 의 스택은 4 개의 계층구조로 되어 있으며, PHY(물리)계층, MAC계층, NWK(네트워크)계층, APS(응용지원)계층으로 나눈다. 이중 물리(PHY)계층과 매체접근제어(MAC)계층은 IEEE 802.15.4 에서 정의 된 것을 그대로 사용하며, 네트워크(NWK) 계층과 응용지원(APS)계층을 ZigBee 연합에서 스펙으로 추가하였고, 그 위의 계층에 사용자 응용프로그램이 위치된다. IEEE 802.14.4 표준 에서 정의 하는 2 개의 계층은 PHY/MAC 계층이며 • 물리 PHY 계층 – 무선(Radio Frequency) • 매체접근제어 MAC 계층 – 충돌방지 ZigBee 연합에서 정의한 스펙은 NWK 계층과 APS 계층이다. • 네트워크(NWK)계층 • 응용지원 APS 계층 물리 PHY 계층: IEEE802.15.4 PHY 물리계층은 직접 시퀀스(directsequence)를 사용하여 아날로그 회로 수준의 높은 결합을 제공해야 하고 저렴한 구현이 가능하도록 해야 한다. • 매체접근제어 MAC 계층: IEEE802.15.4 MAC 매체접근 제어 층은 쉽게 여러 가지 망 형태를 사용을 허가하여 많은 수의 기기를 연결할 수 있도록 해야 한다. MAC LAYER IEEE 802.15.4 PHY LAYER

Zigbee Stack structure(2) ZigBee 연합의 표준화 범위는 IEEE 802.15.4 에서 표준화를 마친 PHY 계층과 MAC 계층의 상위계층으로 NWK 계층(Network Layer)과 APL 계층(ApplicationLayer)에 대한 표준을 제정하는 것입니다 응용계층인 APL 은 네트워크(NWK)계층을 지원하는 APS 는 응용지원계층이며, 응용프레임워크와 ZDO 로 구성된다. 여기에 SSP보안을 추가하여 ZigBee 표준의 완전한 구성이 이루어 진다. • 네트워크 NWK 계층 및 네트워크 응용지원 APS 계층: 이 계층은저전력으로 전송이 가능하며, 엄청난 수량의 노드를 제공하며 네트워크의 확장도 허락한다. 이 계층은 ZDO(ZigBee Device Object)를 포함하고, 사용자정의 응용프로파일과 응용지원(APS) 부분계층을 포함한다. 응용지원 부분계층은 두 기기간에 통신할 때 테이블이 매칭되도록 하고, 어느 기기든 작동영역 내에 다른 기기를 찾고 구별할 수 있는 책임도 갖는다. 네트워크에서 기기의 특성(코디네이터, FFD 또는 RFD) 결정에 대한 책임과 바인딩(binding)요청에 대해서 받음(commencing)과 회신(replying) 응답을 해야 하며, ZDO 내에서 기기가 휴면하는 사이의 안전한 관계를 보장해야 한다. 사용자 정의 응용이란 ZigBee 표준을 따르는 종단기기를 의미한다.

Application Field Zigbee 빌딩자동화 개인 건강 관리 PC주변장치 Home Automation 산업제어 텔레콤서비스 개인 건강 관리 Zigbee PC주변장치 ZigBee 기술은, 지능형 홈네트워크, 빌딩자동화, 산업제어, 의료 장비의 무선화 그리고 환경의 제어와 모니터링 등 다양한 분야에 응용할 수 있다. 가장 발빠르게 ZigBee 를 적용하는 분야는 홈네트워크 분야이다. 하나의 무선네트워크에 여러 장비들을 연결할 수 있고 신호제어가 가능하기 때문에 에너지 자원 관리의 최적화가 가능하다. 산업제어 Home Automation

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