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ZigBee....
y la Domótica! - Parte 2
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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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