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Copy of Copy of ZigBee

Exposé
by

mikhil agarwal

on 5 January 2014

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Transcript of Copy of Copy of ZigBee

Introduction au protocole
ZigBee , installation et mise
en service du réseau de capteurs sans fil.

Préparé et présenté par:
Mehdi ET-TAOUSSI
AYoub MARZAK

Plan:
1. Introduction
2.La technologie ZigBee
3.Projets et applications

Introduction:
La technologie ZigBee
La technologie ZigBee


Un réseau sans fil, à bas coût, et à faible consommation électrique??
IEEE 802.15.4
C'est quoi le ZigBee?

Le ZigBee est un protocole de réseau sans fil, au même titre que le WiFi, ou encore le Bluetooth,il appartient au LP-WPAN (Low Power-Wireless Personal Area Network).
Ce protocole de communication sans-fil conçu par la Zigbee Alliance et ratifiées le 14 décembre 2004, basé sur la norme IEEE 802.15.4 qui définit les couches PHY et MAC. Il se caractérise par sa faible portée et sa faible consommation énergétique.
Les caractéristiques de ZigBee:
Débit compris entre 20 et 250 Kbits/s.
Portée passée d’une dizaine de mètres à 100 mètres.
3 Bandes de Fréquences libres : 2.4 GHz mondial (250 kbps), 868 MHz Europe (20 kbps), 915 MHz US (40 kbps).
Signal robuste et résistant aux interférences (CSMA/CA).
Cycles d'émissions/réceptions et connexions au réseau très rapides ce qui permet une faible consommation d'énergie.
Sécurité 128-bit AES cryptage & authentification
Faible coûts de fabrication du composant (1$)
Périphérique du réseau ZigBee:

Le coordinateur (PAN Coordinator) : Le coordinateur est le coeur du réseau, c'est lui qui stock les informations concernant ce dernier, ce qui comprend notamment les clés de sécurités.
Les routeurs (Routers) FFD : Les routeurs permettent la création d'un réseau maillé sur grande distance. Le coordinateur est lui-même un routeur.
Les terminaux (End-Devices) RFD: Le périphérique final dialogue simplement avec les autres périphériques finaux, les routeurs, et le coordinateur.
La topologie du réseau ZigBee:
Les bases du protocole ZigBee:

Il est basé sur le standard IEEE 802.15.4.
Il utilise la technologie de transmission par paquets.
Il emploie des mécanismes de récépissés et de codes de détection d’erreurs=>Une bonne qualité de service.
Il octroit la possibilité de changement de canal en cas d'encombrement.
Il possède un total de 27 canaux de communications partagés sur 3 bandes de fréquences.
Et le temps de réveil d’un nœud ZigBee avant l’envoi d’une information est de l’ordre de 15ms => Réponse rapide.
Le protocole ZigBee, peut utiliser ces trois topologies réseau, on parle de réseau :
en étoile (Star) ou centralisé,
en arbre (Cluster Tree Mesh) ou décentralisé,
maillé (Traditional Mesh) ou distribué.
Projet 3:Capteur de température
Infrarouge.

La couche physique fournit deux types de services:
Services de données:
- Transmission / Réception du PHY Protocol Data Unit (PPDU) à travers le médium physique.
Service de management
– Activation / Désactivation du radio transceiver
– détéction d'energie (Energy Detection - ED)
– Indicateur de la qualité du lien (Link Quality Indicator – LQI)
– Selection de canal
– Évaluation de canal non occupé (Clear Chanel Assessment – CCA)
– Obtention / Configuration du PHY-PIB (PHY PAN Information Base)
Les couches du protocole ZigBee:
Les canaux fréquentielles de communication:
Le protocole de la couche MAC propose deux modes d'accès aux neouds qui peuvent être choisis par le coordinateur: Beacon-enabled et Non Beacon-enabled mode.
Projet 4: Capteur d'accélération
La couche Gestion de réseau NWK: Elle s'intéresse
à tout ce qui est topologie, adressage et routage,elle fournit la conguration du réseau, la manipulation et le routage des messages.
Adressage:
Afin d'être identifié au sein d’un réseau, chaque
noeud ZigBee possède une adresse MAC unique
composée de 64 bits distribuée par un routeur. Un coordinateur de réseau ZigBee est capable
d’attribuer des adresses raccourcies locales limitées
à 16 bits à chaque noeud constituant le système.
La structure de la trame:

Les types de trame MAC :
La trame de données.
La trame ACK.
La trame de commande MAC permet le contrôle et la configuration à distance des noeuds par le coordinateur.
Les trames de balisage (Beacon).
La forme générale de la structure:
MPDU = MHR + MSDU + MFR (MAC Protocol Data Unit = MAC HeadeR + MAC Service Data Unit + MAC FooteR)
Le réseau ZigBee se base sur quatre couches:
La structure des différentes trames ZigBee.
Université Hassan II
Faculté des Sciences Ain Chock
Ecole supérieure de technologie
Master spécialisé EEAII M2

ZigBee
Zig Zag like a bee et bee signifiant "abeille", le choix du nom donne l'image qu'il peut y avoir plusieurs petits modules connectés ensemble comme une colonie d'abeilles.
La couche MAC fournit les données à envoyer dans la forme d'un MPDU (MAC Protocol Data Unit)
La couche PHY envoie de données sur la forme d'un PPDU (PHY PDU)
PHY LAYER
Centre des caneaux sur les 3 bandes:
le mode non-beacon utilisant CSMA/CA.
le mode beacon, avec l'envoi du coordinateur à période régulière d'une balise pour synchroniser les dispositifs (ces neouds), garantissant un débit au capteur ayant un GTS.
Le protocole CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) utilise un mécanisme d'esquive de collision basé sur un principe d'accusé de réception réciproque entre l'émetteur et le récepteur.
La SuperFrame correspond à la durée d'activité du nœud coordinateur (mesurée sur 16 tranches de temps allant de 15,38 ms à 252 s), durée selon laquelle les nœuds terminaux doivent se synchroniser. L'envoi du Beacon permet de resynchroniser les nœuds et de modifier au besoin la SuperFrame. Celle-ci est divisée comme suit:
SuperFrame/SuperTrame
Network Layer
Application Layer(APL)
Environnement applicatif (AF):
définition de la trame des paquets pour les formats KVP et MSG.
fourniture de la sémantique (type et format) de KVP(8) MSG.
Périphérique ZigBee (ZDO):
découverte de systèmes et services.
gestion du routage, de la sécurité et du noeud.
communication entre la couche Application vers les couches NWK et APS.
Support applicatif (APS):
définition de la trame des paquets de données échangées entre les noeuds du réseau.
démultiplexage des données entrantes et routage vers l'interface du réseau (endpoint).
gestion de la sécurité de la couche applicative.
maintenance des tables de routage et redirection des paquets indirects.
communication des données et des commandes.
MAC Layer
La couche MAC, défini dans la norme IEEE 802.15.4, constitue une interface entre la couche physique et les protocoles de couche supérieure.Les caractéristiques de la couche MAC sont la gestion des balises, l'accès au canal, la gestion des GTS (Guaranteed Time Slot), la validation des trames, etc. La couche MAC permet aussi d'utiliser des mécanismes de sécurité lié à l'implémentation des applications.
ZigBee par rapport à d'autres protocoles sans fil:
Projet 8: Capteur d'éclairement:
(illumination).
La précision spécifiée pour la mesure d'humidité relative [HR] est de 3% sur la plage de 0 à 100%. Côté température, la plage couverte va de –40 à +125 °C avec ±0.4 °C en 25 °C de précision.
Projet 2:Capteur de température et
d'humidité.
Le MLX90614ESF-BAA est doté d'un convertisseur ADC sur 17-bits et d'un puissant DSP interne il dispose d'une grande précision et résolution. Grand nombre d'application possible (mesure de température, détection de mouvement, etc...).
Le MLX90614 fournit deux méthodes de sortie: PWM et SMBus (ex.: TWI, I2C™). La sortie PWM 10-bit fournit une résolution de 0,14°C, tandis que l'interface TWI a une résolution de 0,02°C. Le MLX90614 est calibré en usine dans des gammes de température étendue: -40°C à +85°C pour la température ambiante et de -70°C à +382,2° C pour la température de l'objet. La valeur mesurée est la température moyenne de tous les objets dans le champ de vision du capteur. Le MLX90614 offre une précision standard de 0,5°C autour de la température ambiante.
Les différents chiffres de la suite de la série MLX90614[...] de chaque thermomètre infrarouge sont décrits dans Ordering Information.
Exemple : MLX90614ESF-BAA-000-TU
L'interface SMBus est un protocole 2-fils (SDA, SCL), permettant la communication entre le dispositif maître (MD) et un ou plusieurs équipements esclaves (SD). Dans le système un seul maître peut être présenté à un moment donné. Le MLX90614 ne peut être utilisé que comme un dispositif esclave.
Utilisation du MLX90614 dans une configuration SMBus:
Caractéritiques du MLX90614:
En règle générale, le rapport de gestion initie le début du transfert de données en sélectionnant un SD par le biais de l'adresse esclave (SA).
Un accéléromètre est un capteur qui, fixé à un mobile ou tout autre objet, permet de mesurer l'accélération linéaire de ce dernier. On parle encore d'accéléromètre même s'il s'agit en fait de 3 accéléromètres qui calculent les 3 accélérations linéaires selon 3 axes orthogonaux que nous avons cités au départ.
Dans la majorité des mesures, ces capteurs expriment l'accélération en « g » (accélération causée par la gravitation terrestre, soit environ g = 9,81 m/s2).Donc on parlera d’un g-sensor (gravity sensor).

Le capteur d’accélération de type ASCI permet de mesurer l’accélération suivant les trois axes et délivre par conséquent comme sortie une tension représentant les trois grandeurs, ce capteur inclue donc un transducteur de gravité (gravity sensing unit AS) mesurant l’accélération et en plus d’une unité de contrôle(IC) pour le traitement du signal les deux formés dans un une seule puce ou séparés (dans deux puces).
Le MMA7260 appartient à la famille des MEMS (Microelectromechanical systems) conçu par la société Freescale.
Capteur d’accélération avec ASIC :
Ces capteurs sont fortement développés par plusieurs technologies et dans différents domaines par exemple :
En appareils photos et caméras : les accéléromètres sont utilisés pour la stabilisation de l'image, l'anti-flou, ...
En ultra-portables, PDA, ... : les accéléromètres sont utilisés pour l'orientation de l'écran.
Appareil portatif qui améliore la qualité de l'entraînement : un accéléromètre est utilisé dans ce cas pour mesurer le niveau de performance musculaire. Il calcule la puissance, la force et la vitesse d'un geste, mais aussi la hauteur du saut, le temps de contact ou encore la résistance à la fatigue.
L'accéléromètre qu'on a utilisé est constitué de plusieurs gyro-cellules chaque cellule est appelée g-cell et elle est de type capacitif, la masse mobile est ancrée au substrat par deux ressorts à lame flexible lui permettant de se déplacer selon un seul axe. De chaque coté de la masse mobile se trouvent des doigts interdigités avec des électrodes fixes. Lors du déplacement de la masse mobile la distance d1 va diminuer tandis que la distance d2 va augmenter. Les capacités formées par l’équipage mobile et les électrodes fixes (non solidaires) vont former un pont de capacités, et on sait que la capacité de chaque condensateur est inversement proportionnelle à la distance séparant ses deux armatures, on peut dire que C est fonction de l'accélération C= f(a).
Principe de fonctionnement du g-Cell:
la capacité C est donnée par :
Avec S : surface des armatures en regard, e distance entre les armatures qui nous intéresse et ε la permittivité du diélectrique.
C = ε*(S/e)
Accéléromètre capacitif en Z (a) et en y (b):
La figure à côté montre des photos MEB d’accéléromètres capacitifs fabriqués avec la technologie MUMPS de micro-usinage en surface, on y remarque la masse mobile ajourée pour la gravure des oxydes sacrificiels, les ressort de flexion et les ancrages au substrat et enfin les électrodes interdigitées.
La sortie de ce capteur est un signal analogique sous forme d’une tension qui doit être convertie en une valeur d’accélération en g, ceci ce fait en utilisant la formule suivante :


Avec Zero_g Voltage est obtenu pour une accélération nulle.
Projet 5: Système de control de l’énergie solaire par SMS.
Architecture du système de control de l’énergie électrique par SMS.
Pour évaluer l’erreur entre l’illuminance et les valeurs mesurées de l’énergie solaire, on peut envoyer un SMS à travers le modem GSM/GPRS pour avertir l’utilisateur du problème.
Abrévation de General Packet Radio System (GPRS) qui permet à un utilisateur muni d'un appareil GSM équipé pour le GPRS d'établir une liaison IP en mode paquets vers un fournisseur de services IP ( Fournisseur d'accès internet ou bien un réseau privé d'entreprise ) en utilisant les infrastructures existantes GSM avec d’autres nouvelles équipements (GGSN et SGSN).
Norme GPRS:
Alors le GPRS est une norme pour la téléphonie mobile dérivée du GSM et complémentaire de celui-ci, permettant un débit de données plus élevé vue la transmission par paquets. On le qualifie souvent de 2,5G. Le G est l'abréviation de génération et le 2,5 indique que c'est une technologie à mi-chemin entre le GSM (2e génération) et l'UMTS (Universal Mobile Telecommunications System technologies de téléphonie mobile de troisième génération (3G)).
MS-->BTS--> BSC-->SGSN-->BackboneGPRS(RéseauIP)-->GGSN--> Internet.
Module GSM/GPRS :
Ce module GSM/GPRS utilise le module MC35i développé par Siemens, qui peut recevoir jusqu’à 86.20 kbps et 21 .5bps comme taux de transfert, à part ça il permet une liaison série avec le pc utilisant le RS232 comme interface de communication série, et il supporte les commandes AT pour le control de toutes ses principales fonctions.
Projet 6: Système de contrôle
automatique du rideau
(store enrouleur).
Cette manipulation sera constituée d’un moteur pas à pas entrainant le tube enrouleur et un capteur d’illumination, ces deux vont communiquer dans un réseau étoilé avec le coordonateur utilisant le protocole ZigBee sans fil, pour garantir la boucle de régulation (TOR),programmée en VB Studio 2005, donc le contrôle se fera via notre PC par une interface graphique.
Architecture du système de contrôle du store.
Ce type de projet peut être utilisé pour le contrôle des rideaux en fonction de l’éclairement extérieur d’une salle, ou encore en classe de l’école pour l’utilisation automatique du store lors d’une projection.
Description du moteur pas à pas :
Un moteur pas à pas permet de transformer une impulsion électrique en énergie mécanique sous forme d’un mouvement angulaire, il est très courant dans tous les dispositifs où l'on souhaite faire du contrôle de vitesse ou de position en boucle ouverte, typiquement dans les systèmes de positionnement. L'usage le plus connu du grand public est dans les imprimantes, et les scanners
Le moteur pas à pas utilisé ici est un moteur hybride qui peut être utilisé en mode unipolaire ou bipolaire, et offre une précision de 1,8° (200 pas / tour). Le moteur dispose de 6 fils identifiés par des couleurs. L'arbre moteur a un diamètre de 5 mm.
Le moteur pas à pas hybride,est une combinaison des deux technologies le moteur à réluctance variable ,et le moteur à aimants permanents.
Moteur à réluctance variable (MVR) :
Les moteurs à reluctance variable (moteurs MRV) doivent leur nom au fait que le circuit magnétique qui les compose s'oppose de façon variable à sa pénétration par un champ magnétique. Ces moteurs sont composés d'un barreau de fer doux et d'un certain nombre de bobines. Lorsqu'on alimente une bobine, elle devient un électroaimant et le barreau de fer cherche naturellement à s'orienter suivant le champ magnétique. On alimente la phase 1, puis la phase 2, puis la phase 3 ... Si on veut changer le sens du moteur, il suffit de changer l'ordre d'alimentation des bobines.
Exemple de moteur à 24 pas.
Moteur à aimants permanents :
Les moteurs à aimants permanents sont semblables aux moteurs à réluctance variable, sauf que le rotor possède des pôles NORD et SUD. À cause des aimants permanents, le rotor reste freiné à sa dernière position lorsque le bloc d'alimentation cesse de fournir des impulsions.

Moteur à aimants permanents bipolaires :
Exemple de fonctionnement à pas complet
Tableau récapitulatif de l’ordre des phases.
Le moteur pas à pas hybride emprunte du moteur à aimant permanent et à réluctance variable. Il est donc à réluctance variable mais avec un rotor à aimants permanents. L'avantage est un nombre de pas très élevé (1.8°).
Application du moteur pas à pas :
Le control du pas du moteur est assuré par le microprocesseur MSP 430, le tableau qui suit illustre le raccordement des pins du pont du moteur avec son module CPU (MSP 430) et par suite le câblage des 6 fils du moteur avec le pont à base de transistor du même moteur.
AT+TXT D= «Adresse MAC du end Device contenant le moteur » P= MTRxxx
Le xxx peut varier de 000 ~999 comme pas du moteur et qui est multiple de 1.8 pour notre cas.
La commande MTR ou MTL contrôle le sens de rotation (Right or Left) du moteur pas à pas.
Projet 7 : Capteur de position
Angulaire (Gyroscope électromécanique)
Un gyroscope (du grec « qui observe la rotation ») est un appareil qui exploite le principe de la conservation du moment angulaire en physique (ou encore stabilité gyroscopique ou effet gyroscopique). Dans les capteurs : un gyroscope est un capteur de position angulaire et un gyromètre un capteur de vitesse angulaire. Le gyroscope donne la position angulaire (selon un, deux ou les trois axes) de son référentiel par rapport à un référentiel inertiel(ou galiléen).
Effet gyroscopique :
L'essentiel du dispositif est une roue (ou tout objet correctement équilibré) tournant sur un axe qui, une fois lancée tend à résister aux changements de son orientation.
Le rotor (plateau central en rotation) gardera son axe de rotation fixe quelles que soient les orientations des cercles extérieurs, comme ça on peut mesurer les angles que fait se rotor avec ces anneaux (les cercles extérieurs) pour déterminer le déplacement angulaire ou vitesse de l’objet auquel le gyro est rattaché.
Le IDG-300 est un gyroscope bi-Axial caractérisé par un angle de mesure de ± 500 ° /S et une sensibilité de 2mv/°/S, il produit à sa sortie une tension de sortie positive pour une rotation autour de l'X ou l'axe Y, comme indiqué sur la figure ci-dessous.
Tout MicroElectroMechanical System exploite une technologie très fine. En effet, les MEMSs sont formés de composants dont la taille est comprise entre 1 et 100 micromètres, pour former des objets dont les dimensions se situent entre 10 micromètre et 1 millimètre. En général, ils sont formés d’un microprocesseur qui traite les données et d’une multitude de microcapteurs pour les recueillir.
Le capteur IDG-300 est un MEMS :
Le gyroscope cherche aussi à mesurer la vitesse angulaire (gyromètre). Un tel capteur en MEMS utilise une structure de quartz vibrant qui est sensible aux rotations grâce à la force de Coriolis.
Donc les gyroscopes MEMS utilisent la force de Coriolis, c’est-à-dire que dans un référentiel lui-même en rotation l’appareil est soumis à une force inertielle qui est perpendiculaire à la direction du corps. C’est une force fictive résultant du mouvement non linéaire du référentiel lui-même.
c'est cette vibration qui est la base pour le calcul.
L’énergie des rayons incidents est proportionnelle au courant collecteur Ic généré par le phototransistor, le changement du courant Ic affecte la tension au borne de Rc et par suite la tension Vce , alors en connaissant la variation de ces deux dernières grandeurs on peut facilement déduire l’intensité d’illumination Ev (car Ic et Ev sont linéairement dépendants).
Sensor:KPS-3227SP1C
Source : Data Sheet KPS-3227SP1C
Le KPS-3227SP1C supporte une longueur d'onde de 580 nm, et il a une température de fonctionnement variante de -40 à +85 °C.
Le KPS-3227SP1C est un phototransistor NPN silicone "bas prix" pour lumière d'ambiance. Il réagit au spectre visible et est adapté à la sensibilité d’œil humain. Il est utilisé pour la détermination de la lumière ambiante et pour le contrôle de l'éclairage d'écrans p. ex. pour téléphones mobiles, PDA, ordinateurs portables ou caméscopes.
Projet 1: Control de la LED RGB via
le capteur d'illumination KPS-3227SP1C
Les changements de couleurs sont obtenus par le mélange de 3 couleurs primaires. Le rouge, le vert et le bleu. D’où l’abréviation RGB pour R (red – rouge), G (green – vert) et B (blue – bleu)
La RGB est contrôlée par le MSP430.
Correspondance des pins:
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