07 - Zigbee

Introdução

Conceitos básicos

As WPANs (Wireless Personal Area Network) são divididas em três categorias: fluxo de dados baixo, fluxo de dados médio e fluxo de dados alto. O padrão IEEE 802.15.4 trabalha com baixo fluxo de dados e é destinado para suprir protocolos de rádio e MAC (Medium Access Control) para permitir que o foco do projeto seja as necessidades do cliente. É justamente em cima deste padrão que o ZigBee foi desenvolvido, para tirar o máximo proveito de sua camada física.

É exclusivamente destinado a baixo fluxo de dados e redes wireless de curto alcance, de tal forma que sua taxa máxima de dados é 250kbps.

ZigBee é principalmente recomentado para casos em que são necessário alimentação por bateria que seja de baixo fluxo de dados, baixo custo e a vida útil da bateria seja longa.

O nome "ZigBee" veio da maneira como as abelhas fazem zigue-zague enquanto sobrevoam as flores e deixam informações para as outras abelhas para acharem recursos.

Fornecedores/desenvolvedores

• The ZigBee Alliance
  • é uma associação de companhias trabalhando juntas em um padrão global aberto para monitoramento de redes wireless e produtos de controle.
  • Ember;
  • Emerson;
  • Freescal Semiconductor;
  • Itron;
  • Kroger;
  • Landis+Gyr;
  • Philips;
  • Reliant Energy;
  • Shneider Electric;
  • STMicroeletronics;
  • Tendril;
  • Texas Instruments;
  • dentre outros participantes.

Cronologia

• As redes ZigBee foram concebidas por volta de 1998, devido a visão de que Wi-Fi e Bluetooth não eram adequadas para todas as necessidades
• Em 2003 foi aprovado o padrão IEEE 802.15.4
• Em julho de 2003, a Philips Semiconductors encerrou seu investimento na rede mesh. Philips Lighting tem perpetuado a participação da Philips como membro da ZigBee Alliance
• Em outubro de 2004 a ZigBee Alliance anunciou a duplicação de seus membros para mais de 100 empresas em 22 países
• A especificação para a tecnologia ZegBee foi aprovada em 14 de dezembro de 2004
• Em abril de 2005 havia mais de 150 membros corporativos e mais de 200 em dezembro do mesmo ano
• Em 13 de junho de 2005 foi disponibilizado o ZigBee 2004
• Em dezembro de 2006 foi publicada mais uma versão para a especificação
• Em novembro de 2007 foi publicado o perfil "Automação Residencial" para a especificação

Pontos relevantes

• Baixo fluxo de dados

• Baixo alcance

• Baixo custo de implementação

• Vida útil longa da bateria

Funcionamento

Princípios básicos de funcionamento

ZigBee utiliza o mecanismo de portadora de múltiplo acesso e suporta um tipo de topologia em estrela e ponto-a-ponto (peer-to-peer). Ele opera em três bandas de frequência, a banda de 868 MHz, a banda de 915 MHz e a banda de 2,4 GHz, sendo que uma mesma implementação utiliza apenas uma banda de frequência.

Ele opera com um canal na banda de 868 MHz, dez canais na banda de 915MHz e 16 canais na banda de 2,4 GHz. Com isso ele permite uma seleção dinâmica de canais, feita numa forma que percorre uma lista de canais suportados em busca beacon, detecção de receptor de energia, indicação de qualidade da transmissão, comutação de canais.

Em todas as bandas de frequência é utilizado o tipo de modulação DS/SS (espalhamento espectral em sequencia direta). Nas bandas 868 e 915 MHz, o transmissor é modulado por código BPSK e na banda de 2,4 GHz ele é modulado por QPSK, que possui uma melhor largura de faixa que o PBSK.

As características da camada física são de ativação e desativação do rádio transceptor, detecção de energia (ED), indicação de qualidade do transmissão (LQI), limpar o canal de avaliação (CCA) e transmitir assim como receber pacotes através do meio físico

Topologia/arquitetura

• Na topologia Peer-to-Peer, também conhecida como Mesh, a rede possui uma característica de se ajustar automaticamente na inicialização ou na saída.

• Na topologia Cluster Tree a rede tem uma hierarquia maior que a rede Mesh e funciona semelhante a ela.

• Na topologia Star o nó coordenador se comunica diretamente com os nós End Device.

Elementos

• Coordenador ZigBee, também chamado ZigBee Coordinator: atua como coordenador da rede em Cluster Tree ou serve de ligação para outras redes. É o elemento que armazena informações sobre toda a rede e organiza a distribuição da rede.

• Router ZigBee ou ZR: interliga dispositivos separados na topologia da rede e executa o código do utilizador.

• Dispositivo Final, também conhecido como ZigBee End Device: comunica com o Coordenador e não transmite informação a outro elemento da rede. Se encontra em modo sleep a maior parte do tempo, motivo do aumento da vida útil da bateria.

• Full Function Device: funciona em qualquer topologia e atua como o coordenador de rede.

• Reduce Function Device: existe apenas na topologia Star, comunica com apenas um Coordenador e não pode atuar como tal.

Protocolos e tipos de acesso

Estágio atual

Estado da arte

O ZigBee é amplamente empregado em automação residencial, industrial e na saúde. Possui uma organização de empresas destinadas a fazer pesquisas, desenvolver e fabricar dispositivos ZigBee, chamada ZigBee Alliance.

É uma tecnologia atual e com perspectivas de continuar sendo usada durante um futuro próximo.

Problemas

• dispositivos podem falhar e não comunicar entre si
• disturbios causados por ruídos
• interferência de outros aparelhos

Exemplos

• Automação Residencial
  • Sistemas de segurança
  • Sistemas de leitura de comprimentos
  • Sistemas de irrigação
  • Sistemas de controle de iluminação
  • Sistemas de climatização

• Eletronicos Residenciais
  • Controle remoto

• Automação Industrial
  • Gerenciamento de ativos e rastreamento pessoal
  • Rastreamento de gado

• Saúde

• Outras Aplicações
  • Acesso ao quarto de hóspedes de um hotel
  • Extintores de Incêndio

Características técnicas

Espectro de frequência

• Taxa de dados baixa (normal para ZigBee)
  • 2,4 GHZ
• Taxa de dados muito baixa
  • 868 MHz
  • 915 MHz

Modulação

O tipo de modulação utilizado para o ZigBee é DS/SS:

• Para bandas de 868 e 915 MHZ é modulado por código PBSK;
• Para banda de 2,4GHz é modulado por código QPSK.

Acesso

No modo de operação Beaconing, os roteadores transmitem periodicamente beacon frames (sinais de verificação de presença na rede). Através da boa sincronia, os nós da rede, com excessão do coordenador, permanecem initivos entre os beacon frames e assim economizam energia. Após cada beacon frame transmitido há os tempos de acesso CAP (Contension Acces Period), onde os dispositivos competem entre si utilizando o método de acesso CSMA-CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance). Tal método previne as colisões, assim os dispositivos esperam por um canal livre para transmitir. Quando o dispositivo necessida transmitir, ele aguarda por um período pré-determinado de tempo "ouvindo" o canal, caso o canal esteja livre o dispositivo transmite. Caso ele esteja ocupado, o dispositivo faz um backoff (tempo de espera) de um período de tempo e reinicia o processo após esse tempo.

No modo de operação Non-Beaconing, pode ser mais complicado para a aplicação obter a sincronia dos beacon frames de forma a eliminá-los mantendo todos os dispositivos ativos por todo o tempo. Resultando numa alimentação direta dos dispositivos ou eventuais trocas de baterias. Neste modo é utilizado o método de acesso CSMA unslotted ALOHA, que possui um backoff aleatório e exponencialmente decrescente e não depende de slots de tempo.

Potência (W)

A potência dos módulos ZigBee varia de fabricante para fabricante e de módulo para módulo, é compreendida entre 1mW a cerca de 150mW.

Alcance (Mts)

Os módulos ZigBee são projetados para terem um alcance de mais de 100 metros.

Consumo (Autonomia)

A bateria dura anos devido a funcionalidade do dispositivo final de permanecer em modo adormecido pela maior parte do tempo, só passando para o modo ativo enquanto se comunica.

Protocolos

O ZigBee já é um protocolo.

Normas

• ZigBee Building Automation (Efficient commercial spaces)
• ZigBee Remote Control (Advanced remote controls)
• ZigBee Smart Energy (Home energy savings)
• ZigBee Health Care (Health and fitness monitoring)
• ZigBee Home Automation (Smart homes)
• ZigBee Input Device (Easy-to-use touchpads, mice, keyboards, wands)
• ZigBee Retail Services (Smarter shopping)
• ZigBee Telecom Services (Value-added services)
• ZigBee 3D Sync (Ultimate 3D viewing experience)
• ZigBee Network Devices (Assist and expand ZigBee networks)

Órgão Normatizador

Endereços de consulta à norma

• http://zigbee.org/Standards/Overview.aspx

• http://zigbee.org/Specifications/ZigBeeRF4CE/Overview.aspx

• https://docs.zigbee.org/zigbee-docs/dcn/09-5231.PDF

Serviços

Serviços básicos

• Automação comercial de edifícios;
• Eletrônica de consumo;
• PC e periféricos;
• Controle residencial e comercial;
• Controle industrial;
• Cuidado médico pessoal.

Interação com Internet

Existem estudos para empregar fortemente o ZigBee nas tecnologias de Smart Grid, fazendo assim que o ZigBee seja um elemento essencial na internet das coisas.

Serviços avançados

• Smart Grid;
• Internet Of The Things.

Aplicações futuras

A perspectiva é de que os módulos ZigBee sejam produzidos massivamente e assim se tornem os transmissores sem fios mais barato, visto também que possuirão uma antena integrada, controle de frequência e bateria pequena, assim terão menor custo por terem menos circuitos analógicos que eram necessários para sua construção.

• IP para o Smart Grid, comunicações sem fio para o Smart Grid;
• Diretrizes de interconexão elétrica de armazenamento;
• Modelo comum de informação para gestão de rede de distribuição;
• Padrão de informações de distribuição de energia elétrica.

Referências

Livro

• ZigBee wireless networks and transceivers por Shahin Farahani

• Wi-Fi, Bluetooth, ZigBee and WiMAX por Houda Labiod,Hossam Afifi,Costantino De Santis

Artigo

Zigbee: “Wireless Control That Simply Works” por William C. Craig. Program Manager Wireless Communications ZMD America, Inc.

ZigBee wireless standard por Stanislav Safaric, Kresimir Malaric. Faculty of Electrical Engineering and Computing, Unska 3, HR-10000 Zagreb, Croatia.

Monografia: ZigBee por Vasco Adriano Machado Ferreira.

ZigBee Technology: Wireless Control that Simply Works por Patrick Kinney.

Revista

The emergence of ZigBee in Building Automation and Industrial Controls por IEEE Computing & Control Engineering

ZigBee and Bluetooth por IEEE Computing & Control Engineering

Internet

http://es.wikipedia.org/wiki/ZigBee

http://www.zigbee.org

http://www.gta.ufrj.br/grad/10_1/zigbee/index.html