|
Introducción a Zigbee
ZigBee
es una alianza, sin
ánimo de lucro, de
más de 100 empresas,
la mayoría de ellas
fabricantes de
semiconductores, con
el objetivo de
auspiciar el
desarrollo e
implantación de una
tecnología
inalámbrica de bajo
coste.
Destacan empresas
como Invensys,
Mitsubishi,
Honeywell, 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 ,
juguetería,
sensores médicos.
Los miembros de esta
alianza justifican
el desarrollo de
este estándar para
cubrir el vacío que
se produce por
debajo del
Bluetooth.
¿Zigbee es válido
para Domótica?
Durante los últimos
años, hemos vivido
una gran expansión
de dispositivos de
control remoto en
nuestra vida diaria.
Hace unos años, los
mandos de TV por
infrarrojos eran los
únicos dispositivos
de control remoto en
nuestros hogares.
Ahora nos quedamos
sin dedos de la mano
para contar todo lo
que podemos
controlar
remotamente en
nuestra casa: la TV,
cadena de música,
aire acondicionado,
DVD, video, cámara
digital, Home
Cinema, Satelite,
abrir las puertas
del coche, el mando
del garaje, la
alarma&ldots;
Para interactuar
remotamente con
todos estos
dispositivos,
necesitamos trabajar
con un solo estándar
para poder tenerlos
todos bajo una misma
red, específicamente
en nuestro hogar.
Uno de los
protocolos más
prometedores es
ZigBee, basado en el
estándar IEEE
802.15.4. Con este
‘A FONDO’
pretendemos que
conozcas que es
ZigBee, como
funciona y por qué
es uno de los
futuros de la
domótica a nivel
mundial..
Pero hasta entonces,
se han creado nuevas
redes Wireless, como
Wi-Fi, Bluetooth, y
otras venideras
WiMAX, USB
inalámbrico, etc. En
la tabla 1
representamos una
comparativa de las
tres tecnologías mas
conocidas y ya en
proceso de
expansión. Las
cámaras Wireless,
destacadas por el
control remoto, son
un ejemplo de cómo
se pueden aplicar
estas tecnologías
para la domótica y
el control de áreas.
Pero el problema es
que estas
tecnologías no
satisfacen los
requerimientos de la
Domótica, porque su
arquitectura no
pensó en ello cuando
fueron creadas, y
por otras razones..
|
Estándar |
Ancho de
Banda
|
Consumo
de potencia |
Ventajas |
Aplicaciones |
|
Wi-Fi
|
Hasta 54Mbps
|
400ma
transmitiendo,
20ma en
reposo |
Gran ancho
de banda
|
Navegar por
Internet,
redes de
ordenadores,
transferencia
de ficheros
|
|
Bluetooth
|
1 Mbps
|
40ma
transmitiendo,
0.2ma en
reposo |
Interoperatividad,
sustituto
del cable |
Wireless
USB,
móviles,
informática
casera
|
|
ZigBee
|
250 kbps
|
30ma
transmitiendo,
3ma en
reposo |
Batería de
larga
duración,
bajo coste
|
Control
remoto,
productos
dependientes
de la
batería,
sensores ,
juguetería
|
Tabla 1: Comparativa
de tecnologías
Wireless
Si echamos un
vistazo en la clase
de comunicaciones
que se producen en
una red de sensores
o actuadores,
podemos encontrar
que muchas de estas
comunicaciones se
realizan con
pequeños paquetes de
datos: para enviar
información de un
sensor (por Ej.,
activado = detecta
humo), o simplemente
para controlar el
estado de los
sensores. Además de
ser paquetes
pequeños de
información, la gran
mayoría de los
dispositivos pueden
estar ‘dormidos’
hasta que envíen la
información (porque
no ocurre nada) y
activarse al
detectar algo. Las
principales
características de
estos sensores son:
Un consumo de
potencia
extremadamente
bajo
La posibilidad
de estar
‘dormidos’
durante grandes
periodos de
tiempo
Su sencillez
Su bajo coste
Un sistema
domótico ha de
poder controlar
diferentes
configuraciones:
en estrella,
bus&ldots;para
poder cubrir el
área de una
casa, y sobre
todo la
configuración
MESH ( rejilla )
que nos
permitirá no
depender del
rango.
¿Qué
características
tiene la tecnología
Zigbee?
ZigBee, también
conocido como
"HomeRF Lite", es
una tecnología
inalámbrica con
velocidades
comprendidas entre
20 kB/s y 250 kB/s y
rangos de 10 m a 75
m. Puede usar las
bandas libres ISM de
2,4 GHz, 868 MHz
(Europa) y 915 MHz
(EEUU).
Una red ZigBee puede
estar formada por
hasta 255 nodos los
cuales tienen la
mayor parte del
tiempo el
transceiver ZigBee
dormido con objeto
de consumir menos
que otras
tecnologías
inalámbricas. El
objetivo, es que un
sensor equipado con
un transceiver
ZigBee pueda ser
alimentado con dos
pilas AA durante al
menos 6 meses y
hasta 2 años.
Como comparativa, la
tecnología Bluetooth
es capaz de llegar a
1 MB/s en distancias
de hasta 10 m
operando en la misma
banda de 2,4 GHz,
sólo puede tener 8
nodos por celda y
está diseñado para
mantener sesiones de
voz de forma
continuada, aunque
pueden construirse
redes que cubran
grandes superficies
ya que cada ZigBee
actúa de repetidor
enviando la señal al
siguiente, etc.
Se espera, que los
módulos ZigBee sean
los transmisores
inalámbricos más
baratos jamás
producidos de forma
masiva, con un coste
estimado alrededor
de los 2 euros.
Dispondrán de una
antena integrada,
control de
frecuencia y una
pequeña batería.
ZigBee ofrece
una solución tan
económica porque la
radio se puede
fabricar con muchos
menos circuitos
analógicos de los
que se necesitan
habitualmente.
Al igual que
Bluetooth, el origen
del nombre es un
poco rebuscado, pero
la idea vino de una
colmena de abejas
pululando alrededor
de su panal y
comunicándose entre
ellas, algo así como
la comunicación que
se produce con el
zumbido de las
abejas..
En definitiva, ¿qué
es ZigBee?
ZigBee es un sistema
ideal para redes
domóticas,
específicamente
diseñado para
reemplazar la
proliferación de
sensores/actuadores
individuales. ZigBee
fue creado para
cubrir la necesidad
del mercado de un
sistema a bajo
coste, un estándar
para redes Wireless
de pequeños paquetes
de información, bajo
consumo, seguro y
fiable.
Para llevar a cabo
este sistema, un
grupo de trabajo
formado por varias
industrias (www.ZigBee.org),
está desarrollando
el estándar. La
alianza de empresas
está trabajando codo
con codo con IEEE
para asegurar una
integración,
completa y
operativa. La
alianza ZigBee
también servirá para
probar los
dispositivos que se
creen con esta
tecnología. ZigBee
sólo es el estándar
basado en la
tecnología necesaria
para el control
remoto de
sensores/actuadores
que se utilizan en
domótica.
Gráfico 1:
Arquitectura ZigBee
Siguiendo el
estándar del modelo
de referencia OSI
(Open Systems
Interconnection), en
el gráfico 1,
aparece la
estructura de la
arquitectura en
capas. Las primeras
dos capas, la física
(PHY) y la de acceso
al medio (MAC), son
definidas por el
estándar IEEE
802.15.4. Las capas
superiores son
definidas por la
Alianza ZigBee. El
grupo de trabajo de
IEEE pasó el primer
borrador de la capa
física y la de
acceso al medio en
2003. Una versión
final de la capa de
red (NWK) se acabó
el año pasado, y en
Junio del 2005
tenemos ya un Zigbee
1.0 publico.
Los productos ZigBee
trabajan en una
banda de frecuencias
que incluye la 2.4
Ghz (mundial), de
902 a 928 Mhz (en
Estados Unidos) y
866Mhz (en Europa).
La transferencia de
datos de hasta 250
Kbs puede ser
transmitido en la
banda de 2.4Ghz (16
canales), hasta
40kps en 915Mhz (10
canales) y a 20kps
en la de 868Mhz (un
solo canal). La
distancia de
transmisión puede
variar desde los 10
metros hasta los 75,
dependiendo de la
potencia de
transmisión y del
entorno. Al igual
que WiFi, ZigBee usa
la DSSS (secuencia
directa de espectro
ensanchado) en la
banda 2.4 Ghz. En
las bandas de 868 y
900Mhz también se
utiliza la secuencia
directa de espectro
ensanchado pero con
modulación de fase
binaria.
¿Como se estructura
este estándar?
La siguiente figura
nos muestra los
campos de los cuatro
tipos de paquetes
básicos: datos, ACK,
MAC y baliza.
Gráfico 2: Tramas
El paquete de datos
tiene una carga de
datos de hasta 104
bytes. La trama está
numerada para
asegurar que todos
los paquetes llegan.
Un campo nos asegura
que el paquete se ha
recibido sin
errores. Esta
estructura aumenta
la fiabilidad en
condiciones
complicadas de
transmisión.
Otra estructura
importante es la de
ACK, o
reconocimiento. Esta
trama es una
realimentación desde
el receptor al
emisor, para
confirmar que el
paquete se ha
recibido sin
errores. Se puede
incluir un ‘tiempo
de silencio’ entre
tramas, para enviar
un pequeño paquete
después de la
transmisión de cada
paquete.
El paquete MAC, se
utiliza para el
control remoto y la
configuración de
dispositivos/nodos.
Una red centralizada
utiliza este tipo de
paquetes para
configurar la red a
distancia.
Para acabar, el
paquete baliza
‘despierta’ los
dispositivos, que
escuchan y luego
vuelven a ‘dormirse’
si no reciben nada
más. Estos paquetes
son importantes para
mantener todos los
dispositivos y los
nodos sincronizados,
sin tener que gastar
una gran cantidad de
batería estando todo
el tiempo
encendidos.
Acceso al canal.
Direccionamiento
Dos mecanismos de
acceso al canal se
implementan en
802.15.4. Para una
red ‘sin balizas’,
un estándar ALOHA
CSMA-CA envía
reconocimientos
positivos para
paquetes recibidos
correctamente. En
una red ‘con
balizas’, una
estructura de
‘supertrama’ se usa
para controlar el
acceso al canal. La
supertrama es
estudiada por el
coordinador de red
para transmitir
‘tramas baliza’ cada
ciertos intervalos
(múltiples cada de
15.38 msg, hasta
cada 252 sg). Esta
estructura garantiza
el ancho de banda
dedicado y bajo
consumo.
Los dispositivos se
direccionan
empleando 64-bits y
un direccionamiento
corto opcional de 16
bits. El campo de
dirección incluido
en MAC puede
contener información
de direccionamiento
de ambos orígenes y
destinos (necesarios
para operar punto a
punto). Este doble
direccionamiento es
usado para prevenir
un fallo dentro de
la red.
¿Qué tipos de
dispositivos
contiene?
ZigBee tiene tres
tipos de
dispositivos:
§ El coordinador
de red, que
mantiene en todo
momento el control
del sistema. Es el
más sofisticado de
los tipos de
dispositivos,
requiere memoria y
capacidad de
computación.
§ El dispositivo
de función completa
(FFD) capaz de
recibir mensajes del
estándar 802.15.4.
Este puede funcionar
como un coordinador
de red. La memoria
adicional y la
capacidad de
computar, lo hacen
ideal para hacer las
funciones de Router
o para ser usado en
dispositivos de red
que actúen de
interface con los
usuarios.
§ El dispositivo
de función reducida
(RFD) de
capacidad y
funcionalidad
limitadas
(especificada en el
estándar) para el
bajo coste y
simplicidad. Son los
sensores/actuadores
de la red.
¿Qué hace que tenga
un largo periodo de
vida?
El bajo consumo
de potencia es
lo que hace que la
tecnología ZigBee
tenga un largo
periodo de vida sin
tener que recargar
los dispositivos.
Las redes ZigBee son
diseñadas para
conservar la
potencia en los
nodos ‘esclavos’.
Durante mucho
tiempo, un
dispositivo
‘esclavo’ está en
modo ‘dormido’ y
sólo de ‘despierta’
por una fracción de
segundo para
confirmar que está
‘vivo’ en la red de
dispositivos. Por
ejemplo, la
transición del modo
‘dormido’ al modo
‘despierto’ (cuando
transmite) dura unos
15ms y la
enumeración de
‘esclavos’ dura unos
30ms.
Las redes ZigBee
pueden usar el
entorno ‘con
balizas’ o ‘sin
balizas’. Las
balizas son usadas
para sincronizar los
dispositivos de la
red, identificando
la red domótica, y
describiendo la
estructura de la
‘supertrama’. Los
intervalos de las
balizas son
determinados por el
coordinador de red y
pueden variar desde
los 15msg hasta los
4 minutos.
El modo ‘sin
balizas’ es
sencillo: se usa el
acceso múltiple al
sistema en una red
punto a punto
cercano. Funciona
como una red de dos
caminos, donde cada
dispositivo es
autónomo y puede
iniciar una
conversación en
donde los otros
pueden interferir.
El dispositivo
destino puede no oír
la petición o el
canal puede estar
ocupado.
El modo ‘baliza’ es
un mecanismo de
control del consumo
de potencia en la
red. Este modo
permite a todos los
dispositivos saber
cando pueden
transmitir. Aquí,
los dos caminos de
la red tienen un
distribuidor que
controla el canal y
dirige las
transmisiones. La
principal ventaja de
este método de
trabajo es que se
reduce el consumo de
potencia.
El modo ‘sin
balizas’, es
típicamente usado en
sistemas de
seguridad, donde los
dispositivos, por
ejemplo, sensores,
detectores de
movimiento o de
rotura de cristales,
duermen el 99,999%
del tiempo. Estos
elementos
‘despiertan’ de
manera regular para
anunciar que siguen
en la red. Cuando un
evento tiene lugar
(se detecta algo),
el sensor se
‘despierta’
instantáneamente y
transmite la alarma.
El coordinador de
red, alimentado de
la red principal
todo el tiempo,
recibe el mensaje y
activa la alarma
respectiva.
El modo ‘baliza’ es
más recomendable
cuando el
coordinador de red
trabaja con una
batería. Los
dispositivos
escuchan al
coordinador de red
durante el
‘balizamiento’
(envío de mensajes a
todos los
dispositivos,
broadcast, entre
0.015 y 252
segundos). Un
dispositivo se
registra para el
coordinador y mira
si hay mensajes para
él. Si no hay
mensajes, el
dispositivo vuelve a
‘dormir’,
despertando según un
horario establecido
por el coordinador.
Una vez hecho todo
el ‘balizamiento’ el
coordinador mismo
vuelve a ‘dormirse’.
¿Qué es lo que le
convierte en un
sistema seguro?
La seguridad de las
transmisiones y de
los datos son puntos
clave en la
tecnología ZigBee.
ZigBee utiliza el
modelo de seguridad
de la subcapa MAC
IEEE 802.15.4, la
cual especifica 4
servicios de
seguridad.
Control de
accesos-el
dispositivo
mantiene una
lista de los
dispositivos
‘comprobados’ en
la red.
Datos
Encriptados, los
cuales usan una
encriptación con
un código de 128
bits.
Integración de
tramas para
proteger los
datos de ser
modificados por
otros.
Secuencias de
refresco, para
comprobar que
las tramas no
han sido
reemplazadas por
otras. El
controlador de
red comprueba
estas tramas de
refresco y su
valor, para ver
si son las
esperadas.
Depende del
dispositivo
final que
creemos será
nuestra decisión
el dotarlo de
mas o menos
seguridad.
¿Qué importancia
adquiere la Capa de
Red?
La capa de red (NWK)
une o separa
dispositivos a
través del
controlador de red,
implementa
seguridad, y
encamina tramas a
sus respectivos
destinos. Además, la
capa de red del
controlador de red
es responsable de
crear una nueva red
y asignar
direcciones a los
dispositivos de la
misma.
La capa de red
soporta múltiples
configuraciones de
red incluyendo
estrella, árbol, y
rejilla, como se
muestra en el
gráfico 3.
Gráfico 3: Modelo
de red ZigBee
En la configuración
en estrella, uno de
los dispositivos
tipo FFD asume el
rol de coordinador
de red y es
responsable de
inicializar y
mantener los
dispositivos en la
red. Todos los demás
dispositivos zigbee,
conocidos con el
nombre de
dispositivos
finales, ‘hablan’
directamente con el
coordinador.En la
configuración de
rejilla, el
coordinador ZigBee
es responsable de
inicializar la red y
de elegir los
parámetros de la
red, pero la red
puede ser ampliada a
través del uso de
routers ZigBee. El
algoritmo de
encaminamiento
utiliza una
protocolo de
pregunta-respuesta
(request-response)
para eliminar las
rutas que no sean
óptimas, La red
final puede tener
hasta 254 nodos
(probablemente nunca
necesitemos tantos).
Utilizando el
direccionamiento
local, tú puedes
configurar una red
de más de 65000
nodos (216).
La trama general de
operaciones (GOF) es
una capa que existe
entre la de
aplicaciones y el
resto de capas. La
GOF suele cubrir
varios elementos que
son comunes a todos
los dispositivos,
como el
subdireccionamiento
y los modos de
direccionamientos y
la descripción de
dispositivos, como
el tipo de
dispositivo,
potencia, modos de
‘dormir’ y
coordinadores de
cada uno. Utilizando
un modelo, la GOF
especifica métodos,
eventos, y formatos
de datos que son
utilizados para
constituir comandos
y las respuestas a
los mismos.
Gráfico 4:
Esquema típico de un
dispositivo ZigBee
Como muestra el
gráfico 4, el típico
dispositivo ZigBee
incluye una parte
con un circuito
integrado de radio
frecuencia (RF IC)
con una pequeña
parte de capa física
(PHY) conectada al
bajo consumo/pequeño
voltaje del
microcontrolador de
8-bits con
periféricos,
conectados a una
aplicación de sensor
o actuador. La pila
de protocolos y
aplicaciones está
implementada en un
chip de memoria
flash.
Motorola y Atmel ya
ofrecen un grupo de
microcontroladores
para ZigBee. Chipcon
está mostrando
dispositivos que
trabajan en la banda
de 2.4Ghz.
Actualmente, un
dispositivo con chip
ZigBee puede costar
cerca de 6 euros,
pero el precio puede
caer hasta los dos
euros si el mercado
crece. Los estudios
sugieren que esto
ocurrirá en pocos
años. Este año y
principios del que
viene determinarán
mucho la evolución
de este sistema en
el mercado.
¿Qué opinan las
Empresas de Zigbee?
Harbor Research,
firma de California
que sigue de cerca
la tecnología
inalámbrica para
sensores, calcula
que 400.000 equipos
ZigBee se fabricarán
este año, de 40.000
que se fabricaron el
año pasado, y se
prevé un rápido
crecimiento hasta el
año 2010.
Según la empresa
británica Cambridge
Consultants Limited
(CCL), "La
tecnología ZigBee y
su apoyo han
madurado hasta tal
extremo que no nos
cabe duda de que va
a ser una importante
plataforma en la
revolución
inalámbrica", añadió
Horne. "Si
los fabricantes de
equipos empiezan
cuanto antes a
lanzar nuevos
productos con el
estándar ZigBee,
conseguirán una
ventaja competitiva
y CCL espera
que estos chips sean
un importante
catalizador del
éxito durante las
primeras fases de
este nuevo
estándar".
Un producto a punto
de salir al mercado
es el HomeHeartBeat
kit para el
hogar, que incluye
una base central, un
sensor y un control
remoto, de Eaton,
pero en breve
veremos en España
como también somos
capaces de llevar
hacia delante
iniciativas Zigbee,
en Domodesk
esperamos poder
comercializar pronto
los KITS de algunos
de los afines del
sector..
Según un estudio
de la empresa
analista West
Technology
Research
Solutions
(WTRS), en el
año 2008 podrían
existir más de
300 millones de
nodos o
dispositivos
equipados con la
tecnología
ZigBee, ¡¡ sólo
en el sector de
la domótica!!
El primer
teléfono viene
de la mano del
fabricante
coreano Pantech
& Curitel que ya
ha presentado
una versión de
demostración de
lo que será su
nuevo teléfono
móvil que
soporta el
protocolo
ZigBee. El
teléfono es sólo
un prototipo
pero no han
informado de
cuando sería la
salida oficial
del aparato. Lo
que sí os
podemos anunciar
es que esta
tecnología
revolucionará
también el
mundo del móvil.
|
