ZigBee ou IEEE 802.15.4 – Conheça a tecnologia a fundo

ZigBee ou IEEE 802.15.4 – Conheça a tecnologia a fundoZigBee, ou IEEE 802.15.4, designa uma tecnologia de redes sem fios ainda em fase de desenvolvimento que pretende realizar a interligação de pequenas unidades de comunicações de dados em àreas muito limitadas.

Foi pensada para poder ligar pequenas unidades de recolha de dados e de tele-acção recorrendo a sinais de rádio frequência não licenciados.

A tecnologia utilizada é comparável às redes Wi-Fi e Bluetooth e diferencia-se destas por desenvolver menor consumo, por um alcance reduzido (cerca de 10 metros) e as comunicações entre duas unidades poder ser repetida sucessivamente pelas unidades existentes na rede até atingir o destino final. Funcionando todos os pontos da rede como retransmissores de informação, uma malha (Mesh) de unidades ZigBee pode realizar-se numa extensão doméstica ou industrial sem necessidade de utilizar ligações eléctricas entre elas.

ZigBee
ZigBee é um padrão que está sendo definido por um conjunto de 45 empresas de diferentes áreas do mercado, esse conjunto é chamado de “ZigBee Alliance”. O protocolo está sendo projetado para permitir ao consumidor uma comunicação sem fio confiável, com pouco consumo de energia e baixas taxas de transmissão e obtendo um pequeno alcance, sendo um padrão global; até o momento ainda não surgiu um padrão que esteja de acordo com as necessidades únicas da comunicação sem fio entre dispositivos de controle e sensores, e é isto que o ZigBee está procurando concretizar, revigorando o sistema de transmissão de dados atuais.

Faixas de frequência
As comunicações por ZigBee são feitas na faixa das frequências que não precisam de licença (ISM), assim sendo, tem-se então as faixas de 2.4Ghz (mundialmente), 915Mhz (na América) e 868Mhz (na Europa). Nesse contexto a taxa de transferência dos dados é de até 250kbps na frequência de 2.4Ghz, operando com 16 canais, 40kbps na frequência de 915Mhz operando com 10 canais e 20kbps na frequência de 868Mhz operando com 1 canal.

Características de uma rede ZigBee
Existem três diferentes tipos de de equipamentos Zigbee, esses com suas funções variadas, em cada parte da topologia de rede, a topologia de um sistema Zigbee pode ser explicada através da analise da topologia Mesh ou Malha.

Engloba todos os tipos de redes. O sistema de rede em Mesh disponibiliza a inicialização automática dos dispositivos assim que os mesmos se conectam à rede. Deste modo ele utiliza outros dispositivos presos à rede para transmitir a informação a um equipamento final, permitindo o aumento da área de abrangência.

  • ZigBee cordinator (Coordenador): Há apenas um coordenador em cada rede. Esse tem o maior número de funções. O coordenador é capaz de criar uma rede, tornar-se a raiz da rede, e ser o único dispositivo com autonomia de comutar dados entre redes. Fora isso, ele faz o armazenamento das informações da rede.
  • ZigBee router (Roteador): São os dispositivos que fornecem informações aos outros dispositivos da rede, ou seja, faz o roteamento das informações como um roteador comum de WIFI.
  • ZigBee End Device (Dispositivo final): Tem apenas a função de trocar informações com um coordenador ou roteador. Uma vantagem é sua menor memória, pois não precisa rotear informações, consequentemente o custo é menor.

Em uma rede ZigBee os dispositivos podem permanecer por longos períodos sem se comunicar com outro dispositivo, seu tempo de acesso conectado é de 30 ms. Por essas características que a tecnologia do ZigBee é muito econômica em ralação ao consumo de energia podendo durar muito mais tempo que outros dispositivos de comunicação sem fio.

Formação de uma rede ZigBee
Para dar inicio a uma nova rede ZigBee, o coordenador faz uma busca por alguns canais. Ao fim da busca, os canais escolhidos são colocados na ordem decrescente dos níveis de energia (os canais de níveis mais baixos são excluidos). Então o coordenador faz outra busca em cada canal, procurando por dispositivos ou redes ZigBee. Com essa busca o coordenador faz a escolha do melhor canal para criar uma a rede (aquele que não tem, ou menos tem, dispositivos ou redes já atribuído ao canal). Após isso, ele escolhe um número para atribuir a todos os dispositivos que se conectarem à rede. Ao final o coordenador libera a conexão para outros dispositivos ingressarem na rede.

Atribuição de endereços
Na estrutura de nível mais alto (no coordenador) a rede está definida como “stack profile”. Esse “stack profile” é uma série de parâmetros e informações, estas incluem definições da profundidade máxima da rede, o maior número de roteadores possível em uma profundidade e o número máximo de dispositivos finais que poderão comunicar-se com algum roteador individual. Estes parâmetros determinam o formato da rede. As atribuições da árvore lógica podem ser usadas para a confecção do endereço dos dispositivos e para determinar o ponto de cada dispositivo na árvore lógica. De acordo com Tiago Azevedo, também tem-se a opção de atribuição de endereços de acordo com a aplicação ZigBee. Assim a atribuição é feita utilizando-se as fórmulas a seguir:

  • ao nth roteador filho é atribuido o endereço: Aparent + ( n – 1 ) × Cskip( d ) + 1
  • ao nth dispositivo final filho, é atribuido o endereço: Aparent + Rm × Cskip( d ) + n

Procedimento de inundação
Todos os dispositivos da rede são capazes de iniciar uma transmissão broadcast (de um para todos), mas essa comunicação é apenas entre dispositivos da mesma rede. O padrão ZigBee não suporta broadcast entre redes distintas. Os dispositivos têm registros de transações broadcasts iniciadas, esses registros são chamados de registros de transações broadcast (BTR). Os registros são armazenados na tabela de transações broadcast (broadcast transaction table – BTT) de cada dispositivo. Quando um ponto recebe uma informação de broadcast de algum vizinho, ele compara o número de seqüência e o endereço da fonte com seus registros na sua tabela de transações. Se o dispositivo tem um registro para um frame que ele recebeu frame, ele deve atualizar o registro marcando o mesmo como já mandado e assim descarta o frame. Mas se nenhuma BTR é encontrada, o dispositivo cria uma nova BTR na BTT. Se o espaço “radius” é diferente de zero (sempre números positivos) o dispositivo diminui uma unidade deste campo e re-envia a mensagem, caso contrário a informação é descartada. Antes de retransmitir a mensagem o equipamento espera por um tempo aleatório.

Comparação com outras tecnologias
Observando a figura a seguir (figura 3) tem-se como definir as melhores aplicações para cada tipo de dispositivo sem fio. O padrão ZigBee está como líder absoluto na transmissão de textos.

A tabela relaciona alguns dados das tecnologias sem fio (wireless) Bluetooth e ZigBee.

ZigBee ou IEEE 802.15.4 – Conheça a tecnologia a fundo

A denominação ZigBee é mais comummente utilizada para controles remoto, produtos a bateria e sensores em geral. Já as tecnologias bluetooth e WI-FI são utilizadas para porta USB sem fio e fone de ouvido e transferência de arquivos, redes de computadores e navegação à internet respectivamente.

Funcionamento
Seus dispositivos baseados na tecnologia ZigBee operam na faixa ISM que não requer nenhuma licença para o seu funcionamento, incluindo suas. Quanto ao problema de alimentação dos dispositivos, os módulos de controle dotados com esta nova tecnologia são alimentados até mesmo por baterias (pilhas) comuns, sendo de fácil acesso na sua vida útil que está relacionada diretamente com a capacidade da bateria e a aplicação a que se destina. Deste modo, o protocolo ZigBee foi projetado para suportar pequenas aplicações, com o mínimo de consumo, chegando até durar 6 (seis) meses com apenas as baterias (pilhas) convencionais. Em seguida será apresentado, um dos aparelhos que já trabalham com a tecnologia ZigBee.

Referência do ZigBee à IEEE
Hoje em dia o foco das redes wireless (sem fio) comerciais se encontra no contexto das redes locais (WLan’s), tanto em soluções proprietárias como nos padrões desenvolvidos pelo IEEE. Com esta evolução das tecnologias das redes sem fio em geral, passaram a atender não só as aplicações corporativas mais também as sofisticadas que assim envolvem alguns pequenos volumes de dados que exigem baixas taxas de transmissão como, por exemplo, o controle de equipamentos eletroeletrônicos (controle remoto e etc). Além disso, outras tecnologias sem fio têm sido utilizadas também com o objetivo de proporcionar a comunicação pessoal e o controle de dispositivos diversos, são as chamadas redes pessoais (WPAN’s), sendo esta a tecnologia do ZigBee. Em seguida, mostrará um exemplo de uma tranmissão sem fio, onde o ZigBee se encaixa.

Aplicação
Basicamente, essas tecnologias têm o propósito de permitir o controle remoto de equipamentos domésticos (TV’s, videocassetes, geladeiras, etc) e periféricos (teclados, mouse, impressoras, etc), eliminando seus cabos e tornando mais prática a operação desses equipamentos pelos seus respectivos usuários. Uma das tecnologias mais recentes dentro desse grupo de redes para aplicações pessoais e que permite o gerenciamento e controle desses dispositivos é o padrão ZigBee, também conhecido como HomeRF Lite e que corresponde ao IEEE 802.15.4, assim obtendo relações muito próximas. O padrão ZigBee foi desenvolvido para se tornar uma alternativa de comunicação em redes que não necessitem de soluções mais complexas para seu controle, barateando assim os custos com a aquisição, instalação de equipamentos, manutenção e mão de obra. Trata-se de uma tecnologia relativamente simples e que não requer muitos gastos, utilizando um protocolo de pacotes de dados com características específicas, sendo projetado para oferecer flexibilidade quanto aos tipos de dispositivos que pode controlar, assim sendo o IEEE 802.15.4. A seguir (figura 7), é aplicado o padrão ZigBee ou na camada IEEE 802.15.4.

Camadas ZigBee
O padrão IEEE 802.15.4, definiu interfaces com baixas taxas de frequências na transmissão (menores que 250Kbps) e estabeleceu uma estrutura de rede incorporando os conceitos de redes ad hoc, características de conexão em malha e em multi-hop (múltiplos saltos). Na imagem à seguir será apresentado as respectivas camadas do ZigBee.

Camada IEEE 802.15.4 PHY
É uma camada física (PHY) onde foi projetada para acomodar algumas necessidades de interfaces de baixo custo. O uso da técnica de transmissão de Seqüência Direta (DSS) permite que os equipamentos sejam muito simples, possibilitando implementações mais baratas.

Camada IEEE 802.15.4 MAC
Esta camada MAC (Media Access Control) foi desenvolvida para permitir múltiplas topologias com baixa complexidade, onde o gerenciamento de energia, por exemplo, não requer operações complexas. Sem a necessidade de grandes quantidades de memória disponíveis, o MAC também permite que um dispositivo com funcionalidade reduzida (RFD) opere rede determinada, podendo controlar também um grande número de dispositivos sem a necessidade de colocá-los à espera, como ocorre em algumas tecnologias sem fio. A camada de rede foi projetada para possibilitar o crescimento da rede sem a necessidade de equipamentos de transmissão de potência mais elevada. A camada de rede também pode operar quantidades grandes de pontos de rede com baixas perdas.

Camada IEEE NWK
A camada NWK permite implementações da pilha de protocolos visando balancear os custos das unidades em aplicações específicas. O consumo das baterias, buscando produzir soluções com o perfil específico de custo-desempenho para a aplicação.

Fonte: Desmonta&CIA

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2 responses to “ZigBee ou IEEE 802.15.4 – Conheça a tecnologia a fundo”

  1. Juan Cruz says :

    Eu não cheguei a ler todo o seu artigo mas, acho que pelo menos no início houve um equívoco ao dizer que ZigBee e IEEE 802.15.4 são a mesma coisa (“ZigBee, ou IEEE 802.15.4, designa uma tecnologia de redes sem fios ainda em fase de …”). IEEE 802.15.4 especifica as camadas inferiores (física e de controle de acesso ao meio) para as LR-WPANs (redes pessoais privadas sem fio para dispositivos com baixa taxa de transmissão), enquanto que ZigBee faz uso dessas camadas inferiores para especificar as camadas superiores (rede e aplicação). =]

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