ZigBee

Omar Gurrola

11 Mayo 2008

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I. Resumen Zigbee es un protocolo de comunicaciones inalámbrico basado en el estándar de comunicaciones para redes inalámbricas IEEE 802.15.4. Creado por Zigbee Alliance, una organización teóricamente sin ánimo de lucro de más de 100 grandes empresas (destacan Mitsubishi, Honeywell, Philips, Motorola, Invensys, etc.) muchas de ellas fabricantes de semiconductores.

Zigbee permite que dispositivos electrónicos de bajo consumo puedan realizar sus comunicaciones inalámbricas. Es especialmente útil para redes de sensores en entornos industriales, médicos y sobre todo domótica.

Las comunicaciones Zigbee se realizan en la banda libre de 2.4GHz. A diferencia de bluetooth no utiliza FHSS (Frequency hooping), sino que realiza las comunicaciones a través de una única frecuencia, es decir, de un canal.

Normalmente puede escogerse un canal de entre 16 posibles. El alcance depende de la potencia de emisión del dispositivo así como el tipo de antenas utilizadas (cerámicas, dipolos, etc.). El alcance normal con antena dipolo en visión directa suele ser aproximadamente (tomando como ejemplo el caso de MaxStream, en la versión de 1mW de potencia) de 100m y en interiores de unos 30m. La velocidad de transmisión de datos de una red Zigbee es de hasta 256kbps.

Una red Zigbee la pueden formar, teóricamente, hasta 65535 equipos, es decir, el protocolo está preparado para poder controlar en la misma red esta cantidad enorme de dispositivos. Estos dispositivos se clasifican en: coordinador y ruteador dispositivos de función completa y dispositivo final como dispositivo de función reducida, siendo el coordinador el dispositivo principal y normalmente el centro de la red. Permite tres tipos de topologías que son: estrella, árbol y malla, siendo malla el más interesante ya que la probabilidad de que se corte la comunicación entre nodos es baja brindando así una red más confiable.

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II. Índice

Capítulo I:

Introducción

3

Capítulo II:

Introducción a ZigBee

4

2.1

Historia

4

2.2

¿Qué es ZigBee?

5

2.3

Áreas y aplicaciones

6

2.4

Zigbee contra otras tecnologías inalámbricas

7

2.4.1 ZigBee contra Bluetooth y Wi-Fi

8

Capítulo III: Arquitectura 3.1

3.2

3.3

9

Tipos de dispositivos

9

3.1.1 Dispositivo de función completa (FFD)

10

3.1.2 Dispositivo de función reducida (RFD)

10

Topologías de red

10

3.2.1 Estrella (Star)

11

3.2.2 Árbol (Cluster Tree)

12

3.2.3 Malla (Mesh)

13

Capas (Zigbee Stack)

14

Capítulo IV: Conclusiones

16

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Capitulo I: Introducción En la actualidad existe una gran cantidad de estándares para las comunicaciones inalámbricas. Permiten grandes tasas de transferencia para aplicaciones tales como la transmisión de audio, vídeo, datos, etc. Sin embargo, estos estándares no son adecuados para situaciones en las que el consumo energético o la complejidad del dispositivo son vitales. Para ello se ha diseñado ZigBee. Tanto los sensores como los actuadores u otros dispositivos pequeños de medida o control no requieren un gran ancho de banda, pero si un mínimo consumo energético y una baja latencia. ZigBee es idóneo para la comunicación de estos dispositivos.

Se define ZigBee como una pila de protocolos que permite la comunicación de forma

sencilla

entre

múltiples

dispositivos.

Especifica

diversas

capas,

adecuándose al modelo OSI. Las capas básicas, física (PHY) y de control de acceso al medio (MAC) están definidas por el estándar IEEE 802.15.4, LRWPAN (Low Rate – Wireless Personal Area Network). Este estándar fue diseñado pensando en la sencillez de la implementación y el bajo consumo, sin perder potencia ni posibilidades.

El estándar ZigBee amplía el estándar IEEE 802.15.4 aportando una capa de red (NWK) que gestiona las tareas de enrutado y de mantenimiento de los nodos de la red; y un entorno de aplicación que proporciona una subcapa de aplicación (APS) que establece una interfaz para la capa de red, y los objetos de los dispositivos tanto de ZigBee como del diseñador.

Así pues, los estándares IEEE 802.15.4 y ZigBee se complementan proporcionando una pila completa de protocolos que permiten la comunicaciones entre multitud de dispositivos de una forma eficiente y sencilla.

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Capitulo II: Introducción a ZigBee 2.1

Historia ZigBee aparece en 2005 con el ánimo de proporcionar un estándar

abierto de comunicaciones inalámbricas de bajo coste, aunque fiables, aplicable a la implementación de sistemas de monitorización y control. La alianza Zigbee está formada por compañías tan importantes como Honeywell, Motorola, Mitsubishi, Philips, Samsung, Schneider electric, Siemens, Freescale y Texas Instruments. Gracias a estos apoyos el número de dispositivos que emplean este protocolo aumenta rápidamente. Las redes Zigbee se basan en el estándar IEEE 802.15.4, el cual define los niveles físicos y de acceso al medio. En el mismo se propone una topología en estrella donde uno de los dispositivos adopta el papel de coordinador de la red, y el resto de ellos debe suscribirse a la red a través del mismo para que se le permita transmitir. Toda comunicación en la red denominada PAN (Personal Area Network), debe ser aprobada por el coordinador, el cual recibe todas las tramas transmitidas y las reenvía a su destino. Zigbee añade a este estándar IEEE 802.15.4 una propuesta para los niveles de red, transporte y aplicación, definiendo además perfiles de dispositivos para garantizar la operación entre productos de diferentes fabricantes. [5]

Al día de hoy, más de 225 compañías ubicadas en 28 países de los seis continentes son miembros de la Alianza. ZigBee es una alianza dirigida por voluntarios, que depende del apoyo de sus miembros para desarrollar el estándar y los perfiles públicos. En la actualidad, los fabricantes alcanzan el cincuenta por ciento de la membresía, mientras que en 2006 representaban un treinta y siete por ciento. [6]

Los miembros de la ZigBee Alliance son proveedores y fabricantes de tecnología del mundo entero. [6] 4

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2.2

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¿Qué es ZigBee? ZigBee, este nuevo protocolo, se puede implementar utilizando entre un

10% y un 50% del código necesario para implementar Bluetooth. ZigBee ofrece una velocidad de transmisión máxima de 250Kbps, con un rango de operación de hasta 75 metros. [7]

Este protocolo es sumamente atractivo para aplicaciones en las que las tasas de transmisión no sean determinantes en la selección del protocolo a utilizarse, por su sencillez y su bajo consumo de potencia que le permite operar durante intervalos de tiempo prolongados, utilizando la misma batería. [7]

ZigBee esta diseñado para operaciones de baja potencia. Un dispositivo ZigBee puede dejarse en sin utilizarse por un periodo largo de tiempo sin necesidad de volver a cargar la batería de ese dispositivo. Esto elimina la necesidad de del operador de recargar la batería frecuentemente. ZigBee también ofrece mayor rango que Bluetooth. Esta diseñado para dar servicio a dispositivos con baja transmisión de datos a comparación de dispositivos que requieren banda ancha para transmitir video y gráficos. Esto quiere decir que este estándar su usara pronto en la industria del retail. [8]

ZigBee es un protocolo de comunicaciones inalámbrico similar al bluetooth. ZigBee es muy similar al Bluetooth pero con algunas diferencias: Menor

consumo

eléctrico

que

el

ya

de

por

sí

bajo

del

Bluetooth

Velocidad de transferencia también menor. [8]

Ambos son pensados para aplicaciones portátiles (PDAs, móviles, etc.) aunque zigbee es más adecuado para la automatización del hogar, Domótica. El término domótica proviene de la unión de las palabras domus (que significa casa en latín) y robótica (robota, esclavo en checo). Se entiende por domótica al conjunto de sistemas capaces de automatizar una vivienda, aportando servicios 5

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de gestión energética, seguridad, bienestar y comunicación, y que pueden estar integrados por medio de redes interiores y exteriores de comunicación, cableadas o inalámbricas. Se podría definir como la integración de la tecnología en el diseño inteligente de un recinto. [8]

2.3

Áreas y aplicaciones Como ya se había mencionado anteriormente ZigBee esta enfocado a

aplicaciones que no requieran una alta tasa de transferencia de datos, pero si bajo consumo de energía y seguridad en los datos. En general, esta tecnología se enfoca en aplicaciones de control y monitoreo.

En la tabla 1 se muestran algunas áreas y aplicaciones. Área:

Aplicaciones:  Control de incendios y seguridad.  HVAC (Control del Aire y Calefacción).

Inmótica  Control de iluminación.  Control de acceso.  Control de incendios y seguridad.  HVAC (Control del Aire y Calefacción).

Domótica  Control de iluminación.  Control de acceso.  Control de irrigación.  Monitoreo de pacientes.

Cuidado personal y de la salud  Monitoreo de ejercicios.  Diagnostico a distancia.  Automatización y Procesos.  Control de ambiente.

Industrial y Comercial  Administración del consumo de energía.  Sensores de movimiento.  TV.  VCR. Electrodomésticos  DVD/CD.  Control remoto.  Ratón.

PC y Periféricos  Teclado.  Joystick (Controles para juegos).

Tabla 1: Áreas y aplicaciones de ZigBee [1], [2] 6

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2.4

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Zigbee contra otras tecnologías inalámbricas Como se puede observar en la figura 1 ZigBee cubre un hueco que las

otras tecnologías no lo hacían. ZigBee se encuentra dentro de las redes WPAN (Wireless Personal Area Network) debido a que las distancias que pueden abarcar son cortas en comparación a las redes WMAN y WWAN.

Figura 1: Tecnologías inalámbricas (802.x.x) [3]

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2.4.1 ZigBee contra Bluetooth y Wi-Fi La tabla 2 muestra una comparativa entre la tecnología Wi-Fi, Bluetooth y ZigBee, mostrando sus características básicas.

Nombre comercial: Estándar: Rango de transmisión (mts.): Numero de nodos: Ancho de banda (kb/s): Tamaño de stack (KB): Duración de baterías (días):

Wi-Fi 802.11 1 - 100 32 11 - 54 Mbps 1,000 0.5 - 5

Bluetooth 802.15.1 1 - 10 8 720 - 2,000 250 1-7

Frecuencias de operación::

2.4 Ghz

2.4 Ghz

Numero de canales:

11 - 14

79

Si Web, Video, Email

No Sustituir cable

Expansible: Aplicaciones:

ZigBee 802.15.4 1 - 100 65,535 20 - 250 4 - 32 100 - 1,000 2.4 Ghz 915 Mhz 868 Mhz 2.4 Ghz - 16 915 Mhz - 10 868 Mhz - 1 27 en total Si Monitoreo y Control

Tabla 2: Comparativa entre Wi-Fi, Bluetooth y ZigBee. [1], [3], [4]

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Capítulo III: Arquitectura 3.1

Tipos de dispositivos

Se definen tres tipos diferentes de dispositivos ZigBee según su papel en la red: 

Coordinador ZigBee (ZigBee Coordinator, ZC).

El tipo de dispositivo más completo. Puede actuar como director de una red en árbol así como servir de enlace a otras redes. Existe exactamente un coordinador por cada red, que es el nodo que la comienza en principio.

Puede almacenar información sobre la red y actuar como su centro de confianza en la distribución de claves de cifrado. [9]



Ruteador ZigBee (ZigBee Router, ZR).

Además de ofrecer un nivel de aplicación para la ejecución de código de usuario, puede actuar como ruteador interconectando dispositivos separados en la topología de la red. [9]



Dispositivo Final (ZigBee End Device, ZED).

Posee la funcionalidad necesaria para comunicarse con su nodo padre (el coordinador o un ruteador), pero no puede transmitir información destinada a otros dispositivos. De esta forma, este tipo de nodo puede estar dormido la mayor parte del tiempo, aumentando la vida media de sus baterías. Un ZED tiene requerimientos mínimos de memoria y es por tanto significativamente más barato. [9]

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3.1.1 Dispositivo de función completa (FFD) Es capaz de recibir mensajes en formato del estándar 802.15.4. Gracias a la memoria adicional y a la capacidad de computar, puede funcionar como coordinador, ruteador o puede ser usado en dispositivos de red que actúen de interface con los usuarios. [9]

3.1.2 Dispositivo de función reducida (RFD) Tiene capacidad y funcionalidad limitadas (Especificada en el estándar) con el objetivo de conseguir un bajo coste y una gran simplicidad. Básicamente, son los sensores y/o actuadores de la red. [9]

3.2

Topologías de red La topología de red o forma lógica de red se define como la cadena de

comunicación que los nodos que conforman una red usan para comunicarse. Un ejemplo claro de esto es la topología de árbol, la cual es llamada así por su apariencia estética, la cual puede comenzar con la inserción del servicio de internet desde el proveedor, pasando por el ruteador, luego por un switch y este deriva a otro switch u otro ruteador o sencillamente a los hosts (estaciones de trabajo, PC o cualquier otro dispositivo final), el resultado de esto es una red con apariencia de árbol porque desde el primer ruteador que se tiene se ramifica la distribución de internet dando lugar a la creación de nuevas redes y/o subredes tanto internas como externas. Además de la topología estética, se puede dar una topología lógica a la red y eso dependerá de lo que se necesite en el momento. [10]

En algunos casos se puede usar la palabra arquitectura en un sentido relajado para hablar a la vez de la disposición física del cableado y de cómo el protocolo 10

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considera dicho cableado. Así, en un anillo con una MAU podemos decir que tenemos una topología en anillo, o de que se trata de un anillo con topología en estrella. [10]

La topología de red la determina únicamente la configuración de las conexiones entre nodos. La distancia entre los nodos, las interconexiones físicas, las tasas de transmisión y/o los tipos de señales no pertenecen a la topología de la red, aunque pueden verse afectados por la misma. [10]

3.2.1 Estrella (Star) La topología en estrella es una de las más sencillas ya que solo se dispone de un coordinador en el centro de la red, mientras que el resto de los dispositivos (Ruteadores y/o Dispositivos finales) se encuentran conectados únicamente al coordinador.

En la figura 2 se muestra como es esta topología.

Coordinador (ZC)

Ruteador (ZR)

Dispositivo Final (ZED)

Figura 2: Topología de Estrella

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3.2.2 Árbol (Cluster Tree) Topología de red en la que los nodos están colocados en forma de árbol.

Desde una visión topológica, la conexión en árbol es parecida a una serie de redes en estrella interconectadas salvo en que no tiene un nodo central. En cambio, tiene un nodo de enlace troncal, generalmente ocupado por un hub o switch, desde el que se ramifican los demás nodos. Es una variación de la red en bus, la falla de un nodo no implica interrupción en las comunicaciones. Se comparte el mismo canal de comunicaciones. [11]

La topología en árbol puede verse como una combinación de varias topologías en estrella. Tanto la de árbol como la de estrella son similares a la de bus cuando el nodo de interconexión trabaja en modo difusión, pues la información se propaga hacia todas las estaciones, solo que en esta topología las ramificaciones se extienden a partir de un punto raíz (estrella), a tantas ramificaciones como sean posibles, según las características del árbol. [11]

Los problemas asociados a las topologías anteriores radican en que los datos son recibidos por todas las estaciones sin importar para quien vayan dirigidos.

Es entonces necesario dotar a la red de un mecanismo que permita identificar al destinatario de los mensajes, para que estos puedan recogerlos a su arribo.

Además, debido a la presencia de un medio de transmisión compartido entre muchas estaciones, pueden producirse interferencia entre las señales cuando dos o más estaciones transmiten al mismo tiempo. [11]

La solución al primero de estos problemas aparece con la introducción de un identificador de estación destino. Cada estación de la LAN está unívocamente identificada. Para darle solución al segundo problema (superposición de señales provenientes de varias estaciones), hay que mantener una cooperación entre todas las estaciones, y para eso se utiliza cierta información de control en las

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tramas que controla quien transmite en cada momento (control de acceso al medio) se pierde por completo la información si no la utilizas. [11]

En la figura 3 se muestra como es la topología de árbol.

Coordinador (ZC)

Ruteador (ZR)

Dispositivo Final (ZED)

Figura 3: Topología de Árbol

3.2.3 Malla (Mesh) La topología en malla fue una topología de red en la que cada nodo está conectado a uno o más de los otros nodos. De esta manera es posible llevar los mensajes de un nodo a otro por diferentes caminos. Si la red de malla está completamente conectada, no puede existir absolutamente ninguna interrupción en las comunicaciones. [11]

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En la figura 3 se muestra como seria esta topología:

Coordinador (ZC)

Ruteador (ZR)

Dispositivo Final (ZED)

Figura 3: Topología de Malla

3.3

Capas (Zigbee Stack) La arquitectura del stack está hecha en bloques llamadas capas (layers).

Cada capa brinda un número determinado de servicios a las capas superiores.

La estructura está basada en las siete capas del modelo OSI (Open Systems Interconection). [12]

A pesar que el stack Zigbee está basado en la arquitectura OSI, este solo consta de cuatro capas las cuales son: 

Capa de Aplicación (Application Layer, AL)



Capa de Red (Network Layer, NWK)

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

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Capa de Acceso al Medio (MAC Layer, MAC) [14] o

Mantener y romper conexiones con coordinadores.

o

Dar acceso al canal a nodos de acuerdo a CSMA-CA (Basado en la capa física).

o

Marco de recibido (Acknowledgement), ARQ, CRC.

o

Para un coordinador con el modo beacon activado: Genera los beacons.

Capa Física (Physical Layer, PHY) [14] o

Activa y Desactiva el Transmisor / Receptor (Ahorrando energía).

o

Estima la fuerza de la señal como parte del mecanismo CSMA.

o

Computa el indicador de calidad (Link Quality Indicators, LQI or SINR).

o

Escucha en los canales y define si está disponible (Clear Chanel Assessment, CCA).

o

Ajuste del Transmisor / Receptor a los canales soportados.

o

Transmite y recibe información (16-Simbolos usando O-QPSK y DSSS).

El estándar IEEE 802.15.4 se encarga de definir las dos capas inferiores (MAC y PHY) y las capas superiores (NWK y AL) las define la alianza Zigbee.

En la figura 4 se muestra el stack Zigbee:

Application

Costumer

Application Layer (AL) Application Framework (AF) Zigbee Device Object (ZDO) Application Support Sublayer (ASP)

Zigbee Alliance

Network Layer (NWK) Star / Mesh / Cluster-Tree

MAC Layer (MAC) Device Type, Channel Access

IEEE 802.15.4

Physical Layer (PHY) 868 Mhz / 915 Mhz / 2.4 Ghz \ Figura 4: Zigbee Stack

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Capítulo IV: Conclusiones

En esta investigación se explicó detalladamente el origen de la tecnología ZigBee incluyendo todo lo relacionado con su arquitectura. Aquí se abarcó su funcionamiento, es decir que es una tecnología inalámbrica de área local la cual funciona a frecuencias abiertas de 868 para Europa, 915 para América y 2.4Ghz para todo el mundo, y ventajas que ofrece esta tecnología en aplicaciones de monitoreo como puede ser a pacientes, ejercicios, etc., y control como climatización, iluminación, etc. al igual que cubre un hueco que las otras tecnologías no hacían. Gracias a esta tecnología ahora se pueden realizar aplicaciones inalámbricas de bajo costo y con larga durabilidad de energía (Pilas), al igual que el tamaño de la pila (stack) es muy pequeña en comparación a bluetooth u otras tecnologías inalámbricas, siendo esto una gran ventaja ya que se puede utilizar para sistemas embebidos con microcontroladores de pequeña y mediana gama.

Gracias a esta tecnología ahora se pueden realizar aplicaciones inalámbricas de bajo costo y con larga durabilidad de energía (Pilas), al igual que el tamaño de la pila (stack) es muy pequeña en comparación a bluetooth u otras tecnologías inalámbricas, siendo esto una gran ventaja ya que se puede utilizar para sistemas embebidos con microcontroladores de pequeña y mediana gama.

También presenta ventajas en que cuenta con sistema de seguridad AES de 128 bits brindando seguridad en los datos que se transmiten y reciben. A pesar de que esta tecnología solamente presenta tres tipos de topologías logra cubrir gran parte de conexiones de red, siendo la de estrella la más sencilla y la de malla la más compleja pero al mismo tiempo es la más efectiva si se trata de mantener la red en conexión aunque se caiga algún ruteador.

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III. Referencias [x]

Autor, ”Titulo”, Pagina Web, Fecha de consulta.

[1]

Yuan Yuxiang, “ZigBee IEEE 802.15.4”, www.sasase.ics.keio.ac.jp/jugyo/2005/zigbee.pdf, 12 de Marzo de 2008.

[2]

Patrice Oehen, “ZigBee An Overview of the Upcoming Standard”, www.dcg.ethz.ch/lectures/ws0506/seminar/materials/zb_slides.pdf, 12 de Marzo de 2008.

[3]

ZigBee Alliance, “ZigBee Overview”, www.zigbee.org, 12 de Marzo de 2008.

[4]

Digi International Inc., “ZigBee Wireless Standard”, http://www.digi.com/technology/rf-articles/wireless-zigbee.jsp, 12 de Marzo de 2008.

[5]

Wireless Sensor Networks Valencia S.L., “Las redes Zigbee”, http://www.wsnval.com/about.html, 12 de Marzo de 2008.

[6]

PR Newswire Association LLC., “ZigBee devela nuevas características integrales”, http://www.prnewswire.com, 12 de Marzo de 2008.

[7]

ElectronicosOnline.com S.A. de C.V., “¿Bluetooth, UWB o Zigbee?”, http://electronicosonline.com/noticias/notas.php?id=3154_0_1_0_M13, 12 de Marzo de 2008.

[8]

Metrologic Instruments, Inc., “Estándares Inalámbricos”, http://www.metrologicmexico.com/contenido1/informacion_tecnica/estand ares_inalambricos.php, 12 de Marzo de 2008.

[9]

Jorge Carlos Valverde Rebaza, “El Estándar Inalámbrico ZigBee”, www.seccperu.org/files/ZigBee.pdf, 19 de Abril de 2008.

[10]

Rengifo Frederick, “Topologías para Redes”, http://www.monografias.com/trabajos15/topologias-neural/topologiasneural.shtml, 19 de Abril de 2008.

[11]

Sistema Electrónicos de Medida, “Zigbee/802.15.4”, http://campusvirtual.uma.es/siselmed/Transparencias07/zigbee.pdf, 19 de Abril de 2008.

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Omar Gurrola [12]

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IEEE, “IEEE Std 802.15.4 - 2006”, 8 de Septiembre del 2006, 19 de Abril de 2008.

[13]

Zigbee Alliance, “Zigbee Specification”, 17 de Enero del 2008, 19 de Abril de 2008.

[14]

Geir E. Oien, “Zigbee and IEEE 802.15.4: A brief introduction”, http://www.ee.kth.se/commth/projects/CROPS/docs/GeirZigBee010206.pd f, 19 de Abril de 2008.

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