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ZigBee

Por: Vasco Adriano Machado Ferreira, nº 18638

Realizado no âmbito da cadeira: “Comunicações Móveis e Redes sem Fios”

1 Introdução2
2 Evolução3
3 Tecnologia ZigBee3
3.1 Funcionamento3
3.2 Nós e topologias de rede5
3.2.1 Formação da Rede ZigBee6
3.3 Tipos de dispositivos6
3.3.1 Coordenador ZigBee6
3.3.2 Router ZigBee7
3.3.3 Dispositivo final7
3.3.4 Full Function Device7
3.3.5 Reduce Function Device7
3.4 Arquitectura8
3.4.1 Camada Física (PHY)8
3.4.2 Camada de Controlo de Acesso ao Meio (MAC)8
3.4.3 Camada de Rede (NWK)9
3.4.4 Camada Aplicação9
3.4.5 Tipos definidos de tramas9
3.5 Segurança10
3.6 Tipos de tráfego10
3.7 Hardware e Software1
3.8 Estratégias de ligação dos dispositivos numa rede ZigBee1
3.8.1 Localização de Dispositivo1
3.8.2 Service Discovery1
4 Comparação de ZigBee com Bluetooth e WLAN12
4.1 ZigBee vs Bluetooth12
4.2 ZigBee vs WLAN13
5 Aplicações14
6 Uma análise ao ZigBee14
7 Perspectiva de evolução futura15

Resumo

No sentido de satisfazer as necessidades crescente da “sociedade de informação”, o mercado das comunicações tem sofrido nos últimos anos uma evolução muito elevada. De facto, no contexto das redes sem fios (wireless) existem múltiplas alternativas, cada uma dela orientada a aplicações distintas.

O Zigbee, sendo uma tecnologia recente, teve a sua primeira versão apresentada ao público em 27 de Julho de 2005 (embora tenha efectivamente surgido em Dezembro de 2004) e a entidade que se apresenta responsável por este protocolo intitula-se ZigBeeTM Alliance. A ZigBeeTM Alliance é uma aliança constituída por mais de 200 empresas, oriundas de mais de 20 países distintos, nas quais se integram também especialistas da área de telecomunicações e semicondutores, incluindo membros do IEEE.

Até à data não se encontrava no mercado nenhuma norma de redes sem fios globalmente aceite no âmbito de sensores e dispositivos de controlo. Contrapondo-se aos elevados débitos oferecidos por outras tecnologias (como Bluetooth ou o WiFi), o ZigBee pretende associar a transmissão de dados sem fios a um reduzido consumo energético e com elevada fiabilidade. Assim, um objectivo desta norma é também uma tentativa de uniformizar o desenvolvimento de aplicações e dispositivos nesta área, abandonando-se sistemas proprietários distintos para dar lugar a um standard, que, ao ser compatível, proporciona evidentes vantagens de interoperabilidade.

1 Introdução

Um número crescente de utilizadores de redes de computadores tem optado por soluções baseadas em topologias sem fios (wireless), ao invés de redes com cabeamento convencional, especialmente quando se trata de ampliação ou melhoria de uma rede existente.

Os avanços recentes das tecnologias sem fios possibilitaram o surgimento de várias alternativas e padrões de implementação, mas até recentemente a grande maioria tinha como premissa principal prover um conjunto de protocolos que garantissem a qualidade para a transmissão de voz ou de dados com altas taxas de transferências, o que tornava os equipamentos bastantes caros e poucos atraentes para outras aplicações mais simples.

Ainda são poucos os padrões de redes sem fios para aplicações em redes locais utilizando sensores e outros dispositivos de controlo. O que existe portanto, são sistemas proprietários, desenvolvidos para atender redes específicas, como as redes de automação industrial, por exemplo, onde aplicações com sensores (de temperatura, humidade, gases, etc.) e dispositivos de controlo não necessitam de uma largura de banda elevada para funcionarem, mas necessitam de uma latência baixa e consumo de energia igualmente baixo para preservar uma vida útil das baterias. Nestes casos, os sistemas wireless foram projectados para atender às exigências específicas destas aplicações.

Actualmente o foco das redes wireless comerciais localiza-se no contexto das redes das redes locais (WLAN’s - Wireless Local Area Network), tanto em soluções proprietárias como nos padrões desenvolvidos pelo IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers), por exemplo. Com a evolução natural das tecnologias das redes sem fios, estas passaram a atender não só as aplicações corporativas mais sofisticadas como também aquelas que envolvem pequenos volumes de dados que exigem baixas taxas de transmissão como, por exemplo, o controle de equipamentos electrónicos. Além disso, outras tecnologias sem fios têm sido utilizadas também com o objectivo de proporcionar a comunicação pessoal e o controlo de dispositivos diversos, denominadas por redes pessoais (WPAN’s - Wireless Personal Area Network).

Uma das tecnologias mais recentes dentro deste grupo de redes para aplicações pessoais e que permite a gestão e controlo remoto de dispositivos tais como, equipamentos domésticos (TV’s, DVD’s, etc.) e periféricos (teclados, ratos, impressoras, etc.), é o padrão ZigBee, também conhecido por HomeRF Lite e que corresponde ao IEEE 802.15.4, homologado em Maio de 2003. Este surge através de uma aliança de empresas de diferentes segmentos do mercado – a ZigBee Aliance. Este protocolo foi projectado para permitir comunicações sem fios confiáveis, com baixo consumo de energia e baixas taxas de transmissão para aplicações de monitoramento e controlo.

2 Evolução

O padrão ZigBee foi desenvolvido para se tornar uma alternativa de comunicações em redes que não necessitam de soluções mais complexas para o seu controlo, ou seja, torna os custos de aquisição, instalação de equipamentos, manutenção e mão-de-obra mais baratos. Trata- -se portanto de uma tecnologia relativamente simples, que utiliza um protocolo de pacotes de dados com características especificas, sendo projectado para oferecer flexibilidade quanto aos tipos de dispositivos que pode controlar.

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 entretimento (jogos). A relação entre IEEE 802.15.4-2003 e ZigBee é parecida à existente entre IEEE 802.1 e WiFi Alliance. 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). Num primeiro nível de subscrição, denominado por adopter, o custo é de 3500 dólares anuais e permite o acesso às especificações e permissão para a criação de produtos para a sua comercialização. 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, actualmente, 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”.

3 Tecnologia ZigBee

3.1 Funcionamento

Os dispositivos baseados na tecnologia ZigBee funcionam na faixa ISM (Industrial,

Scientific and Medical radio band), isto é, não requer licença para funcionamento. Estes operam nas faixas de 2,4 GHz (Global), 915 MHz (Estados Unidos) e 868 MHz (Europa) e com taxas de transferências de dados de 250 Kbps em 2,4 GHz, 40 Kbps em 915 MHz e 20 Kbps em 868

MHz. Padrão Frequências Nº de CanaisTécnica de ModulaçãoTaxa de Dados

902 – 928 MHz 10 (1 a 10) DSSS, BPSK 40 Kbit/s

Tab. 1 –Faixas e velocidade de transmissão

Na seguinte figura pode-se verificar o espectro de ocupação nas bandas do protocolo 802 (incluindo ZigBee).

Fig. 1 – Comparação do ZigBee com outras tecnologias (Fonte – w.rua.ua.es:8080 - InformeTecZigBee)

O padrão oferece actualmente interfaces com velocidades de ligação compreendidas entre 10Kbps e 250Kbps e com um alcance de transmissão entre 10m e 100m, dependendo directamente da potência dos equipamentos e de características ambientais (obstáculos físicos, interferência electromagnética, etc.).

Na seguinte tabela pode-se observar a distância em função da potência transmitida e velocidade de transmissão:

Potencia (mW)/Velocidade (Kbps)1mW 10mW 100mW

28 Kbps 23m 54m 154m 250 Kbps 13m 29m 66m

Tab. 2 –Distância de transmissão

Na questão de alimentação dos dispositivos, os módulos de controlo dotados com esta tecnologia podem ser alimentados por meio de baterias (pilhas) comuns, sendo que a sua vida útil está relacionada directamente com a capacidade da bateria e a aplicação a que se destina. Nesse aspecto o protocolo ZigBee foi projectado para suportar aplicações com o mínimo de consumo (com pilhas comuns, um dispositivo pode funcionar até 2 anos).

Esta tecnologia é desenvolvida de modo a ser mais simples e com menos custos do que outras tecnologias semelhantes da família WPAN como Bluetooth. O nó ZigBee mais completo requer em teoria cerca de 10% do software de um nó de Bluetooth; este valor baixa para 2% para os nós mais simples. No entanto, o tamanho do código em si é bastante maior cerca de 50% do tamanho do código do Bluetooth.

Para detectar se uma mensagem foi recebida correctamente, é utilizada uma verificação cíclica de redundância (CRC - Cyclic Redundancy Check). Os bits são tratados como um longo número binário e dividido por outro número relativamente longo. O quociente da divisão é descartado, e o resto da divisão é transmitido junto com a mensagem. Essa mesma divisão é feita no receptor, e se for obtido o mesmo resultado, indica uma comunicação confiável.

Na banda de 2.4GHz usa a modulação do espectro expandido DS-S (Direct Sequence

Spread Spectrum). A uma velocidade de transmissão de 250Kbps e a uma potência de 1mW cobre aproximadamente uns 13 metros de transmissão. A tecnologia ZigBee trabalha sobre IEEE 802.15.4 que permite um ambiente perfeito para ambientes com baixa ralação sinal-ruido.

A figura seguinte mostra as características de transmissão dos sinais:

Fig. 2 – Características de transmissão (Fonte – w.rua.ua.es:8080 - InformeTecZigBee)

3.2 Nós e topologias de rede

Numa rede ZigBee pode haver até 254 nós, no entanto, de acordo com o agrupamento que é feito, pode-se criar até 255 conjuntos/clusters de nós com os quais podem chegar a ter 64770 nós nos quais existe a possibilidade de utilizar várias topologias de rede: estrela, malha ou em grupos de árvore.

Fig. 3 – Topologias de uma rede ZigBee (Fonte -Nathalie Maes–ZigBee)

É permitido um encaminhamento de saltos múltiplos, também conhecido como multihop, que permite que estas redes abarquem uma grande superfície.

Nas redes ZigBee um dispositivo pode permanecer durante um longo tempo sem ter que comunicar. Além disso o tempo de acesso à rede é muito pequeno, tipicamente 30ms. Outra característica importante é o tamanho reduzido dos pacotes de dados que circulam na rede.

A topologia Estrela é a mais simples das três, nesta temos apenas o coordenador e os dispositivos finais. A sua principal vantagem é a simplicidade em relação à implementação. No entanto, a dependência de um coordenador único é um aspecto negativo, além disso, torna o alcance da rede menor. A principal aplicação deste modelo é em ambientes com poucos obstáculos à transmissão do sinal.

A topologia Árvore é formada por sub-redes que se comunicam através de routers. Nesta topologia, temos mais de um coordenador, cada um gerindo uma rede. Esse modelo é adequado para ligar redes distintas um pouco mais distantes e com obstáculos, uma vez que o alcance da rede é maior devido à presença de mais elementos coordenadores e routers.

A topologia Malha permite que a rede ajuste automaticamente quando inicializa a entrada de novos dispositivos ou perda de dispositivos. Nesta situação existem múltiplos caminhos entre os diferentes nós e a rede é auto-suficiente para optimizar o tráfego de dados. Usando esta configuração podemos ter redes muito extensas, cobrindo largas áreas geográficas.

3.2.1 Formação da Rede ZigBee

• Início através de uma primitiva da camada de rede que é restrita ao coordenador ZigBee;

É iniciada por uma primitiva da camada de rede restrita a um coordenador que não pertence a nenhuma outra rede ZigBee.

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