¿Qué es la tecnología ZigBee y cómo funciona?

Tecnología ZigBee su Diseño, Arquitectura y Aplicaciones

Introducción a la tecnología de redes inalámbricas ZigBee

ZigBee es un estándar de redes inalámbricas basado en IEEE 802.15.4, de baja potencia y baja velocidad de datos, que se utiliza básicamente para la comunicación bidireccional entre sensores y sistema de control. Es un estándar de comunicación de corto alcance como Bluetooth y Wi-Fi, que cubre un rango de 10 a 100 metros. La diferencia es que mientras que Bluetooth y Wi-Fi son estándares de comunicaciones de alta velocidad de datos que admiten la transferencia de estructuras complejas como medios, software, etc.,

La tecnología ZigBee admite la transferencia de datos simples como los de los sensores. Soporta una velocidad de datos baja de aproximadamente 250 kbps. Las frecuencias de funcionamiento son de 868 MHz, 902 a 928 MHz y 2,4 GHz. La tecnología ZigBee se utiliza principalmente para aplicaciones que requieren baja potencia, bajo costo, baja velocidad de datos y batería de larga duración.

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Historia de la tecnología ZigBee

ZigBee standard fue desarrollado por ZigBee Alliance, que incluye muchas empresas importantes como Philips, Mitsubishi Electric, Epson, Atmel, Texas Instruments, etc. Esta Alianza se formó en 2002 como una organización sin fines de lucro.

Arquitectura ZigBee

El protocolo de red ZigBee sigue IEEE 802.15.4 estándares para capas físicas y MAC, junto con sus propias capas de Red y Aplicaciones.

Figura 1: Arquitectura ZigBee

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A continuación se explica cada capa.

1. Capa física: Esta es la capa de protocolo más baja, y es responsable de controlar y activar el transceptor de radio, y también de seleccionar la frecuencia del canal y monitorear el canal. También es responsable de la comunicación con los dispositivos de radio. La comunicación de datos o comandos se realiza mediante paquetes. Cada paquete PHY consiste en un Encabezado de Sincronización (SHR)(responsable de la sincronización del receptor), un Encabezado físico (PHR)(contiene información sobre la longitud del fotograma) y una carga útil PHY (proporcionada por las capas superiores como un fotograma e incluye datos o comandos).
2. Control de Acceso Medio o Capa MAC: Actúa como interfaz entre la capa Física y las capas de red. Es responsable de la generación de Balizas y la sincronización de dispositivos en la red habilitada para Balizas. Un marco MAC puede ser un Marco de Balizas (utilizado por el Coordinador para transmitir Balizas), un Marco de datos, un Marco de Reconocimiento o un Marco de Comandos. Consiste en un encabezado de MAC (contiene información sobre seguridad y direccionamiento), Carga útil de MAC de tamaño variable (contiene datos o comandos) y un pie de página de MAC (contiene una secuencia de verificación de fotogramas de 16 bits para la verificación de datos).
3. Capa de red: Esta capa conecta la capa de aplicación con la capa MAC. Gestiona la formación y el enrutamiento de la red. Establece una nueva red y selecciona la topología de red. El marco NWK consiste en el cabezal NWK y la carga útil NWK. El encabezado contiene información sobre el direccionamiento y el control a nivel de red. La carga útil NWK contiene el marco de subcapa de la aplicación.
4. Subcapa de Soporte de aplicaciones: Proporciona un conjunto de servicios a través de dos entidades: Entidad de Datos de Soporte de Aplicaciones y Entidad de Administración de Soporte de aplicaciones, a las capas de aplicación y de red. Se accede a estas entidades a través de sus respectivos Puntos de Acceso a Servicios (SAP)
5. Capa de aplicación: Esta es la capa más alta de la red y es responsable de alojar los objetos de aplicación que contienen las aplicaciones de usuario y los Objetos de dispositivo ZigBee (ZDOs). Un solo dispositivo ZigBee puede contener hasta 240 objetos de aplicación que controlan y administran las capas de protocolo. Cada objeto de aplicación puede consistir en un perfil de aplicación o programa, desarrollado por el usuario o la alianza ZigBee. El perfil de la aplicación es responsable de la transmisión y recepción de datos en la red. El tipo de dispositivos y la función de cada dispositivo se definen en un perfil de aplicación. Los objetos de dispositivo ZigBee actúan como una interfaz entre los objetos de la aplicación, los perfiles del dispositivo y la subcapa de la aplicación.

Topologías de red de ZigBee

ZigBee Network admite muchos tipos de topologías, la popular es la topología estrella y de igual a igual. Cada topología de red consta de tres tipos de nodos: Coordinador ZigBee, Enrutador ZigBee y Dispositivo Final ZigBee. El Coordinador realiza la tarea de asignar una dirección única a cada dispositivo de la red, inicia y transfiere mensajes en la red y selecciona un identificador único para la red. Los dispositivos ZigBee son de dos tipos: Dispositivo de Función completa (FFD) y Dispositivo de Función Reducida (RFD)

Figura 2: Topologías de red ZigBee

En una Topología de Estrella, el Coordinador es el dispositivo central que inicia y administra los dispositivos dentro de la red. Cada coordinador selecciona un identificador único, que no es utilizado por ninguna otra red dentro de su región de influencia. Cada Dispositivo Final se comunica con el Coordinador. Los dispositivos finales son generalmente RFD que solo pueden comunicarse con el Coordinador o el FFD.

En la topología Peer to Peer, cada dispositivo de extremo puede comunicarse entre sí colocado en su vecindad. Los dispositivos son FFDS que pueden comunicarse directamente entre sí. Sin embargo, este tipo de topología puede contener un RFD que se comunica con un solo dispositivo en la red. Una topología Peer to Peer puede ser una topología de Malla o una topología de Árbol.

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Comunicación mediante ZigBee

La transferencia de datos puede ser entre un Coordinador y un Dispositivo o de Igual a igual. La transferencia de datos entre el Coordinador y el Dispositivo se puede realizar utilizando dos métodos: Habilitado para Baliza y No Habilitado para Baliza.

En Redes habilitadas para balizas, se utiliza el método de acceso a canales sin contención. Aquí, el Coordinador asigna un intervalo de tiempo particular a cada dispositivo, conocido como Intervalo de Tiempo garantizado (GTS). Aquí todos los dispositivos de la red deben sincronizarse. Esto se garantiza enviando una señal de baliza desde el coordinador a cada dispositivo (nodo), de modo que cada dispositivo sincronice su reloj. Sin embargo, esto puede terminar reduciendo la duración de la batería de los dispositivos cuando no están en ninguna otra tarea que sincronizar su reloj.

Una vez que el dispositivo está sincronizado, puede transmitir datos al coordinador utilizando el método de Detección de portadores de Acceso Múltiple con prevención de colisiones (CSMA-CA), en el que se determina el tipo de señal de ocupación, o durante el período de asignación de GTS. Al enviar una solicitud, el Coordinador devuelve el acuse de recibo. Para la transferencia de datos del Coordinador al dispositivo, se envía una indicación con el mensaje de baliza al dispositivo. El dispositivo recibe esta indicación y envía un mensaje de solicitud de datos. El Coordinador envía un acuse de recibo de esta solicitud de datos y transfiere los datos correspondientes.

En Redes sin baliza, el Coordinador no transmite ningún mensaje de baliza. Más bien, cada dispositivo transmite datos utilizando el método CSMA-CA en el mismo canal de frecuencia. El dispositivo transmite los datos tan pronto como el canal está despejado. Para la transferencia de datos del Coordinador al dispositivo, el dispositivo envía primero un mensaje de solicitud de datos al Coordinador y, a continuación, este último transmite el mensaje de datos con una carga útil de longitud nula, en función de la disponibilidad de los datos. En el caso de que no haya datos pendientes, el Coordinador envía un acuse de recibo indicando que no hay datos pendientes.

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Aplicaciones de la tecnología ZigBee

Domótica: La tecnología ZigBee demuestra ser la tecnología más confiable para realizar la automatización del hogar. Diferentes aplicaciones como controlar y monitorear el consumo de energía, la gestión del agua, el control de la luz, etc. se han hecho más fáciles a través de la automatización utilizando la tecnología ZigBee.

Figura 3: ZigBee Domótica

Automatización industrial: los dispositivos RFID basados en ZigBee ayudan a proporcionar una gestión de acceso confiable en las industrias. Otras aplicaciones en industrias incluyen control de procesos, gestión de energía, seguimiento de personal, etc.

Automatización de la atención sanitaria: Un ejemplo popular de automatización de la atención sanitaria es la monitorización remota de la salud. Una persona usa un dispositivo ZigBee con un sensor de medición de parámetros corporales que recopila la información de salud. Esta información se transmite a través de la red ZigBee a la red de Protocolo de Internet (IP) y luego al personal de atención médica (el médico o la enfermera), que luego recetaría la medicación adecuada en función de la información recibida.

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Aparte de los tres anteriores, hay muchas aplicaciones de la tecnología ZigBee. Esta es una breve introducción sobre la tecnología ZigBee. Cualquier otra información relacionada con esta tecnología es bienvenida en la sección de comentarios a continuación.

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