ZigBee em Home Area Network

PR NEWSWIREAté recentemente a maioria dos padrões desenvolvidos para redes sem fio tinha como premissa prover um conjunto de protocolos que garantissem qualidade para a transmissão de voz ou a transmissão de dados com altas taxas de transferência, porém sem considerar muito o custo envolvido.

Apesar dos altos custos de projeto, as aplicações para redes sem fio vêm crescendo cada vez mais e podemos encontrar diversos padrões e protocolos envolvidos na disputa pelos diversos segmentos de redes de comunicação, cada qual apresentando vantagens e desvantagens e adequando-se melhor a um ou outro tipo de aplicação.

Um dos segmentos onde mais tem crescido a aplicação de redes sem fio é o das redes domésticas, principalmente em aplicações de automação comercial e residencial. Atualmente encontramos diversos equipamentos controlados remotamente, desde televisores, home theaters, DVD’s, até computadores, impressoras, etc.

Acontece, porém, que o sistema de controle para tais equipamentos não é único, sendo necessário um dispositivo para cada equipamento controlado. Apesar de existirem os controles ditos “universais”, seu uso não é simples, sendo necessário conhecer os códigos de programação para cada fabricante e para cada aparelho.

Interoperabilidade

Dentro de um conceito de interoperabilidade conhecido como HAN (Home Area Network), ou rede local doméstica, podemos ter um único dispositivo de controle sem fio que atenda a todos os equipamentos. Sendo sem fio, não é necessário que este controle esteja no mesmo ambiente do equipamento controlado, o que torna possível ligar ou desligar, por exemplo, um computador localizado em uma determinada sala, sem necessariamente estar fisicamente nela.

O conceito de HAN necessita de uma definição de protocolos e padrões que garantam a interconexão de qualquer equipamento do tipo “plug & play” na rede. Estes podem ser baseados em definições já existentes (padrão X-10, por exemplo), ou em novas tecnologias, como o protocolo Zigbee.

Zigbee

Uma das tecnologias mais recentes dentro do grupo das redes pessoais sem fio é o padrão Zigbee, também conhecido como HomeRF Lite e que corresponde ao IEEE 802.15.4, homologado em maio de 2003. Esse padrão vem sendo desenvolvido para se tornar uma solução de comunicação para redes que não necessitam de soluções complexas para dotar de inteligência os aparelhos de comunicação sob seu controle, barateando assim os custos com equipamentos, manutenção e mão de obra.

O Zigbee também é um protocolo para HAN. As soluções baseadas nesse protocolo visam atender as necessidades de controle e segurança das redes domésticas, apresentando um baixo custo de implementação, baixo consumo, topologia de rede variável e velocidades compatíveis com as necessidades dos equipamentos.

O protocolo Zigbee é estruturado em cinco camadas segundo o modelo de referência OSI: PHY (física), MAC (enlace), NWK (rede), Suporte a Aplicação e Aplicação Perfil. As camadas MAC (Médium Address Control) e PHY (Physical Layer) seguem a definição da IEEE 802.15.4, as camadas NWK e Suporte a Aplicação são definidas pela Zigbee Aliance e a camada de Aplicação Perfil, definida pelo usuário.

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Figura 1 – Camadas do ZigBee

Transmissão DSSS
O sistema de transmissão do Zigbee é baseado no DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) ou Espalhamento Espectral por Seqüência Direta. Nesta técnica, de forma simplificada, temos uma seqüência pseudo-randômica de valores “0” e “1”, em uma freqüência mais elevada, multiplica o sinal original, causando o espalhamento da energia do sinal em uma banda de transmissão mais larga.

Faixas de freqüência
Como mencionado, a IEEE 802.15.4 estabelece as definições para o protocolo Zigbee, que opera na faixa das freqüências ISM (que não requerem licença para funcionamento), incluindo as faixas de 2.4Ghz (Global), 915Mhz (América) e 868Mhz (Europa), com uma taxa de transferência de dados de até 250kbps em 2.4Ghz (16 canais), 40kbps em 915Mhz (10 canais) e 20kbps em 868Mhz (1 canal), visando possibilitar a melhor integração e operabilidade entre os diversos dispositivos.

Suas principais características são:

  • Comunicação sem fio com alcance previsto de até 500 metros;
  • Freqüências de operação entre 868MHz e 2,4Ghz;
  • Taxa de transmissão em torno de 250Kbps;
  • Baixo consumo de energia;
  • Baixo custo de implementação;
  • Topologia de rede variável.

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Figura 2 – Bandas de operação do ZigBee

Topologias Zigbee
O protocolo define uma estrutura de rede que incorpora os conceitos de redes ad hoc, as características de conexão em malha e multi-hop. As topologias que podemos encontrar em uma rede Zigbee são a topologia em estrela (star), em árvore (tree) e em malha (mesh). Os principais componentes integrantes dessa rede são o coordenador (coordinator), os roteadores (routers)e os clientes.

Topologia estrela
É a topologia mais simples onde temos um coordenador e os elementos clientes. Ela é indicada para ambientes que ofereçam poucos obstáculos para a transmissão dos sinais.

Sua principal vantagem é a facilidade de implementação e coordenação. A desvantagem está na presença de um único coordenador, o que gera a dependência de todos os clientes para este e o alcance do sinal de RF que nesse tipo de rede não é muito grande.

Topologia arvore
Essa topologia é formada por sub-redes que se comunicam entre si através de elementos roteadores. Aqui temos mais de um elemento coordenador, cada um gerenciando uma rede diferente. Sua aplicação principal está na comunicação de dispositivos situados em andares diferentes e ou entre salas distantes entre si, separadas por paredes.

O alcance do sinal de RF deste tipo de rede é maior, tendo em vista que um coordenador pode controlar um cliente ligado em outra rede através de uma solicitação ao outro coordenador.

Topologia malha
Essa topologia permite que, com a entrada de novos dispositivos, a rede se ajuste automaticamente durante sua inicialização, otimizando o tráfego de dados. Com essa topologia é possível construir redes mais extensas e de maior complexidade, possibilitando o controle e monitoração de grandes áreas.

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Figura 3 – Modelo de rede Zigbee

Conclusão

 

O custo dos acessos baseados em redes sem fio ainda é proibitivo para muitas aplicações de redes domésticas. A Zigbee surgiu exatamente com o objetivo de possibilitar a utilização de redes sem fio mais simples nesses ambientes. Trata-se de uma tecnologia relativamente simples, que utiliza um protocolo de pacotes de dados com características específicas e projetado para oferecer flexibilidade quanto aos tipos de dispositivos que pode controlar.

O protocolo está sendo desenvolvido com o objetivo de atender a demanda do mercado de redes que busca soluções de baixo custo, baixo consumo de energia e que ofereçam segurança e confiabilidade. Algumas das aplicações incluem eletrodomésticos em residências, automação predial, controle de periféricos de computadores como impressoras, câmeras sem fio, scanners, tele-medicina e entretenimento.

Fonte: José Mauricio Santos Pinheiro

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