Protocolo: Diseño de un Modulo ZigBee

Omar Gurrola

Marzo 2008

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PROTOCOLO: DISEﾃ前 DE UN MODULO ZIGBEE

Omar Gurrola

Marzo 2008

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Introducción Las redes inalámbricas para espacios personales (Wireless Personal Area Network) se utilizan para la comunicación entre dispositivos con la intención de eliminar los cables. Todas las tecnologías WPAN se encuentran en desarrollo continuo.

Pero hace sólo unos pocos años se desarrolló una tecnología que ofrece bajo consumo de potencia, por lo que la vida útil de las baterías son maximizadas, al igual que ofrece una fácil integración, bajo costo y está enfocada a comunicaciones seguras con baja tasa de transferencia, esta tecnología es conocida como Zigbee.

Antecedentes ZigBee es una alianza, sin ánimo de lucro, formada al principio por veinticinco empresas y en la actualidad son más de cien, la mayoría de ellas fabricantes de semiconductores, con el objetivo de beneficiar al desarrollo e implementación de una tecnología inalámbrica de bajo coste. [1] Destacan empresas como Invensys, Mitsubishi, Philips y Motorola que trabajan para crear un sistema estándar de comunicaciones, vía radio y bidireccional, para usarlo dentro de dispositivos de domótica, automatización de edificios (inmótica), control industrial, periféricos de PC y sensores médicos. Los miembros de esta alianza justifican el desarrollo de este estándar para cubrir el vacío que se produce por debajo del Bluetooth. [1]

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Fundamentos Teóricos ¿Por que elegir Zigbee?

Zigbee ofrece ventajas respecto a otras tecnologías inalámbricas que son las siguientes: 

Consumo de potencia extremadamente bajo.

Pueden utilizar dos pilas AA y durar al menos seis meses y hasta dos años. [2]



Sencillez.

Pueden fabricarse con muy pocos componentes electrónicos. [2]



Bajo coste.

Se espera que los módulos zigbee sean los mas baratos jamás producidos de forma masiva. [2]

Zigbee contra Bluetooth (WPAN) La tabla 1 muestra una comparativa entre las características de zigbee y bluetooth.

Tamaño del Software (Stack): Distancia: Velocidad o Tasa: Tipo de baterías: Cantidad de Dispositivos: Uso: Tiempo para unirse a la red: Expansible: Seguridad:

Bluetooth (v1)

Zigbee

250 Kb 10-100 metros 1 Mbps Recargables 8 Frecuente Largo No PIN, 64-bit y 128-bit

< 32 Kb (4 Kb) 30-100 metros 250 Kbps No-Recargables 65,536 No frecuente Corto Si 128-bit (AES)

Tabla 1: Comparativa entre Zigbee y Bluetooth [3]

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Aplicaciones de Zigbee

El uso de zigbee esta enfocado en aplicaciones donde no se necesita una alta transferencia de datos, pero si una larga duración de las baterías al mismo tiempo se requiere seguridad.

Las áreas y aplicaciones en la que esta enfocada esta tecnología se muestra en la tabla 2:

Área: Inmótica

Domótica

Cuidado personal y de la salud Industrial

Electrodomésticos

PC y Periféricos

                    

Aplicaciones: Seguridad.

HVAC (Control del Aire y Calefacción).

Control de iluminación.

Control de acceso.

Seguridad.

HVAC (Control del Aire y Calefacción).

Control de iluminación.

Control de acceso.

Control de irrigación.

Monitoreo de pacientes.

Monitoreo de ejercicios.

Procesos.

Control de ambiente.

Administración del consumo de energía.

TV. VCR. DVD/CD. Control remoto.

Ratón.

Teclado.

Joystick (Controles para juegos).

Tabla 2: Áreas y aplicaciones [4]

El área donde tomas mas fuerza esta tecnología es el área de Domótica (Casas inteligentes) e Inmótica (Edificios inteligentes).

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Diagrama de bloque general de un modulo zigbee

En la figura 1 se muestra en diagrama de bloques un modulo zigbee de forma general.

Figura 1: Diagrama de bloques de un modulo zigbee [5]

Nota: Los bloques que se muestran con el borde punteado significa que pueden ser opcionales.

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Metodología Para llevar a cabo este proyecto se va a investigar todo lo referente a la tecnología zigbee y el estándar 802.15.4 para comprender mejor su arquitectura y funcionamiento, al igual que el hardware y software necesario para diseñar un modulo zigbee completamente funcional que pueda ser utilizado para futuros proyectos que realicen los alumnos de la universidad autónoma de ciudad Juárez.

Objetivos y Metas  Objetivo general Diseñar un modulo zigbee que pueda ser utilizado para prototipos.

 Objetivos específicos 1. Realizar una investigación documental acerca de la tecnología zigbee.

2. Localizar materiales, herramientas y equipo para el proyecto.

3. Investigar la topología de un modulo zigbee.

4. Investigar fabricantes de chips zigbee y elegir el más conveniente.

5. Conseguir el software (stack) para el microcontrolador.

6. Investigar sobre diferentes tipos de antenas y elegir la más adecuada.

7. Investigar circuitería RF para la antena elegida.

8. Diseño y elaboración del PCB. 9. Armar el proyecto.

10. Realizar pruebas de hardware y software.

11. Discutir y definir conclusiones y recomendaciones del proyecto.

12. Documentar el proyecto.

13. Presentación del proyecto en examen.

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Metas 1. Investigar al menos 5 fuentes de información para el 11 de Agosto.

2. Obtener información sobre los materiales necesarios para el 15 de Agosto.

3. Realizar un diagrama a bloque de la topología del modulo para el 18 de Agosto.

4. Investigar al menos 7 chips zigbee para el 25 de Agosto.

5. Descargar el software (stack) y analizarlo para el 29 de Agosto.

6. Investigar 3 diferentes tipos de antenas para el 1 de Septiembre.

7. Tener el esquema de la circuitería RF para el 12 de Septiembre.

8. Elaborar el PCB para el 3 de Octubre.

9. Tener armado el modulo para el 17 de Octubre.

10. Realizar 3 pruebas del modulo para el 30 de Octubre.

11. Tener definidas las conclusiones y recomendaciones del modulo para el 3 de Noviembre.

12. Finalizar la documentación para el 15 de Noviembre.

13. Presentar el proyecto en examen en la fecha establecida.

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Acciones Meta 1 1.1

Investigar en bibliotecas UACJ/UTEP

1.2

Investigar en Internet

Meta 2 2.1 Investigar en Internet si hay componentes para proyecto 2.2 Visitar tiendas de electrónica en Juárez y el Paso Meta 3 3.1 Generar el diagrama a bloque 3.2 Utilizar un software de diagramación Meta 4 4.1 Buscar en Internet fabricantes de chips 4.2 Buscar la información en Internet de cada chip (hoja de datos) Meta 5 5.1 Buscar y descargar de Internet el software del fabricante 5.2 Tener el software necesario para compilar Meta 6 6.1 Investigar en Internet 6.2 Elegir el más conveniente Meta 7 7.1 Investigar en Internet 7.2 Generar diagrama esquemático Meta 8 8.1 Investigar software más conveniente 8.2 Generar diagrama en el programa

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Meta 9 9.1 Armar el circuito 9.2 Soldar los componentes Meta 10 10.1 Realizar una prueba de distancia máxima en campo abierto 10.2 Realizar una prueba de distancia máxima en interiores Meta 11 11.1 Hacer una tabla del modulo diseñado 11.2 Escribir las conclusiones Meta 12 12.1 Terminar el documento final del proyecto Meta 13 13.1 Realizar la presentación

Requerimientos Meta 1.1.1 

Computadora con Internet



Acceso a biblioteca UACJ/UTEP



Tiempo ( 18 horas)

Meta 2.1.1 

Computadora con Internet



Acceso a UACJ/ UTEP



Tiempo ( 15 horas)

Meta 3.1.1 

Computadora



Software.



Anotaciones (libreta y lápiz)



Tiempo ( 30 horas)

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Meta 4.1.1 

Computadora con Internet



Tiempo ( 30 horas)

Meta 5.1.1 

Computadora con Internet



Software



Tiempo ( 20 horas)

Meta 6.1.1 

Computadora con Internet



Tiempo ( 22 horas)

Meta 7.1.1 

Computadora con Internet



Anotaciones (libreta y lápiz)



Tiempo ( 18 horas)

Meta 8.1.1 

Computadora con Internet



Instalar el programa



Tiempo ( 15 horas)

Meta 9.1.1 

Tablilla, cautín, soldadura



Tiempo ( 35 horas)

Meta 10.1.1 

Modulo



Computadora



Tiempo ( 20 horas)

Meta 11.1.1 

Modulo



Computadora



Anotaciones (libreta y lápiz)



Tiempo ( 20 horas)

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Meta 12.1.1 

Computadora



Impresora



Tiempo ( 25 horas)

Meta 13.1.1 

Computadora



PowerPoint



Tiempo ( 1 hora)

Cronograma de acciones

Acciones Numero Acción 1.1 Acción 1.2 Acción 2.1 Acción 2.2 Acción 3.1 Acción 3.2 Acción 4.1 Acción 4.2 Acción 5.1 Acción 5.2 Acción 6.1 Acción 6.2 Acción 7.1 Acción 7.2 Acción 8.1 Acción 8.2 Acción 9.1 Acción 9.2 Acción 10.1 Acción 10.2 Acción 11.1 Acción 11.2 Acción 12.1 Acción 13.1

Agosto Semana 1 2 3 4

Septiembre Semana 1 2 3 4

Octubre Semana 1 2 3 4

Noviembre Semana 1 2 3 4

Diciembre Semana 1 2 3 4

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Referencias [1]

Casadomo Soluciones S.L., “ZigBee”, http://casadomo.com, 8 de Marzo de 2008.

[2]

DOMODESK SL, “A Fondo: ZigBee”, http://www.domodesk.com, 8 de Marzo de 2008.

[3]

Patrice Oehen, “ZigBee An Overview of the Upcoming Standard”, www.dcg.ethz.ch/lectures/ws0506/seminar/materials/zb_slides.pdf, 8 de Marzo de 2008.

[4]

Yuan Yuxiang, “ZigBee IEEE 802.15.4”, www.sasase.ics.keio.ac.jp/jugyo/2005/zigbee.pdf, 8 de Marzo de 2008.

[5]

Electrocomponentes S.A., “Zigbee”, www.electrocomponentes.com/Ingenieria/Modulos%20Wireless%20ZigBe e/Teoria/SeminarioZigBee.pps, 8 de Marzo de 2008.