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Wireless - ZigBee

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1) Introdução

  • Conceitos:
    • ZigBee é uma tecnologia global desenvolvida para atender aos requisitos específicos, como baixo custo e consumo de energia, presente em redes de sensores sem fio. O padrão se beneficia da especificação para rádio frequência IEEE 802.15.4 e opera em bandas que não requerem licença no mundo todo para transmissão de dados nas frequências de 2.400 a 2.484GHz, 902 a 928MHz e 868.0 a 868.6MHz. A especificação 802.15.4 foi desenvolvida pelo Instituto de Engenheiros de Elétrica e Eletrônica (IEEE). A especificação é um protocolo de rádio pacote que atende as necessidades de equipamentos de baixo custo alimentados por bateria. O protocolo permite a comunicação entre os dispositivos alimentados por baterias, que ao contrário das convencionais, têm autonomia para durar anos. O protocolo ZigBee possui todos os benefícios da especificação 802.15.4 adicionado de funcionalidades de conectividade de rede.
  • Fornecedores/Desenvolvedores
    • Ele é definido pela ZigBee Alliance: uma aliança de empresas de diferentes segmentos do mercado, como por exemplo: Motorola, Philips, Bosh, Analog Device, Freescale etc; A ZigBee Alliance, que desenvolve o padrão ZigBee juntamente com o IEEE, é uma associação com mais de 200 empresas, que trabalham em conjunto para desenvolver um padrão capaz de possibilitar um controlo seguro, de baixo custo e de baixa potência em redes sem fios para o controlo de diversos equipamentos, incluindo soluções para automação industrial, aplicações em tele-medicina e entretenimento.
  • Evolução
    • A especificação 1.0 de ZigBee ficou aprovada em 14 de Dezembro de 2004 e fica disponível a membros do grupo de desenvolvimento (ZigBee Alliance). Estas especificações estão disponíveis ao público para fins não comerciais na ZigBee Specification Download Request. A revisão actual de ZigBee 2006 ficou aprovada em Dezembro deste mesmo ano. Em 2006 o preço de um transmissor compatível com ZigBee custava 1 dólar e em conjunto de rádio, processador e memória rondava os 3 dólares. Em comparação o Bluetooth nos seus inícios (em 1998, antes do seu lançamento) tinha um custo previsto de 4 a 6 dólares em grandes volumes, atualmente, o preço de dispositivos de consumo comuns é de uns 3 dólares. A primeira versão da pilha denomina-se por ZigBee 2004. A segunda versão e actual denomina-se por ZigBee 2006 e substitui a estrutura MSG/KVP (usada no ZigBee 2004) por uma “cluster library”, tornando assim obsoleta a versão anterior. A ZigBee Alliance já começou a trabalhar na versão 2007 de modo a estender as capacidades das especificações do ZieggBe 2006, em concreto centrando-se em optimizar as funcionalidades a nível de rede, incluindo também alguns novos perfis da aplicação, como a leitura automática, automatização industrial e automatização de lugares baseado no principio do uso da “cluster library”.
  • Destaques
    • Longa duração das baterias
    • Baixo custo
    • Pequenos circuitos
    • Características apresentadas pela topologia em malha e que possa suportar o custo de: Baixa taxa de transferência

Apontar cronologia de evolução Destacar pontos relevantes


2) Funcionamento

  • Princípios básicos de funcionamento
    • O ZigBee permite comunicações robustas e opera na freqüência ISM (Industrial, Scientific and Medical), sendo na Europa de 868 MHz (1 canal), 915 MHz (10 canais) nos Estados Unidos e 2,4 GHz (16 canais) em outras partes do mundo, e não requer licença para funcionamento. As Redes ZigBee oferecem uma excelente imunidade contra interferências, e a capacidade de hospedar milhares de dispositivos numa Rede (até que 65.000 por canal), com taxas de transferências de dados variando entre 20Kbps a 250Kbps. O Protocolo ZigBee é destinado a aplicações industriais, portanto, o fator velocidade não é crítico numa implementação ZigBee. Os módulos RF padrão ZigBee foram criados para economizar o máximo de energia. Com isso, é possível criar dispositivos sensores remotos alimentados com pilhas ou baterias comuns, que durarão meses ou mesmo anos sem precisarem ser substituídas. Isso porque, os módulos ZigBee quando não estão transmitindo/recebendo dados, entram num estado de dormência ou em "Sleep", consumindo o mínimo de energia.
  • Fluxo de uma transmissão/recepção
    • Uma estrutura importante para 802.15.4 é o reconhecimento (ACK) do quadro. Ele fornece feedback do receptor para o remetente, confirmando que o pacote foi recebido sem erro. O dispositivo leva vantagem de "tempo de silêncio " entre os quadros especificados para enviar um pacote de curto imediatamente após a transmissão de pacotes de dados. Um quadro de comando MAC fornece o mecanismo para controle e configuração remota de nós clientes. Um gerente de rede centralizada usa MAC para configurar quadros de clientes individuais "comando não importa quão grande rede. Finalmente, o quadro beacon acorda dispositivos de cliente, que ouça o seu endereço de e voltar a dormir se não recebê-la. Beacons são importantes para a malha de redes e árvore-cluster para manter todos os nós sincronizados sem a necessidade de consumir esses nós energia preciosa da bateria ouvindo por longos períodos de tempo.
  • 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.


Apontar os protocolos e tipos de acesso envolvidos


3) Estágio atual

  • 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

4) Características técnicas

  • Espectro de frequência:
    • Diferentes frequências de operação e taxa de dados: 868 MHz e 20Kbps; 915 MHz e 40Kbps; 2.4 GHz e 250 Kbps;
  • Tipo de modulação
    • Nesse tipo de modulação é proposto que sejam evitadas as colisões, de forma que os dispositivos esperam por um canal livre para transmitir. Dessa forma, quando um dispositivo deseja transmitir, ele primeiro deve "ouvir" o canal por um período pré-determinado de tempo. Caso o canal seja interpretado como livre o dispositivo pode transmitir. Caso o canal esteja ocupado, esse dispositivo irá fazer um backoff de um período de tempo, e reiniciar o processo após esse tempo.
  • Tipos de 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
    • A potência dos módulos ZigBee varia de fabricante para fabricante e de módulo para módulo, é compreendida entre 1mW a cerca de 150mW..
  • Alcance
    • Valor teórioco ate 1600 metros, mas para aspectos práticos até 900 metros
  • Consumo
    • 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.


5) Protocolos

  • Apresentar os protocolos usados na comunicação entre os elementos?
  • Detalhar o formato dos protocolos?

6) Serviços

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