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::: ZigBee.... y la Domótica! - Parte 2 :::
 


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 en el año 2004, y en Junio del 2005 se tuvo 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 cuando 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 microcontrolador de memoria flash.





Freescale y Atmel ya ofrecen un grupo de microcontroladores para ZigBee.
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.


Una cosa está clara, antes o después los dispositivos con ZigBee se impondrán en el mercado y van a ser la base de la domótica: ningún tipo de cableado, dispositivos baratos, sencillos y de rápida integración, redes de nodos y sensores actuando al unísono con un solo fin, una domótica fácil de instalar y fácil de hacer crecer. Es cuestión de tiempo.

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Fuente: www.domodesk.com

Adaptación: Ing. Daniel Di Lella.
 
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