o que é a tecnologia ZigBee e como funciona?

Tecnologia ZigBee seu Design, Arquitectura e Aplicações

Introdução ao ZigBee Tecnologia de Rede sem Fio

ZigBee é um padrão IEEE 802.15.4, e baixa potência, baixa taxa de dados de suporte norma de rede sem fios, que é basicamente utilizado para a comunicação de duas vias entre os sensores e o sistema de controle. É um padrão de comunicação de curto alcance como Bluetooth e Wi-Fi, cobrindo alcance de 10 a 100 metros. A diferença é que enquanto Bluetooth e Wi-Fi são comunicações de alta taxa de dados padrão de suporte de transferência de estrutura complexa, como mídia, software etc.,

a tecnologia ZigBee suporta a transferência de dados simples como os dos sensores. Ele suporta baixa taxa de dados de cerca de 250 kbps. As frequências de operação são 868 MHz, 902 a 928 MHz e 2,4 GHz. A tecnologia ZigBee é usada principalmente para aplicações que exigem baixa potência, baixo custo, baixa taxa de dados e longa vida útil da bateria.

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História da Tecnologia ZigBee

padrão ZigBee foi desenvolvido pela ZigBee Alliance incluindo muitas grandes empresas como a Philips, Mitsubishi Electric, Epson, Atmel, Texas Instruments, etc. Esta aliança foi formada em 2002 como uma organização sem fins lucrativos.

Arquitetura ZigBee

o protocolo de rede ZigBee segue IEEE 802.15.4 padrões para camadas físicas e MAC, juntamente com suas próprias camadas de rede e aplicativos.

Figura 1: Arquitetura ZigBee

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dada abaixo é uma explicação para cada camada.

1. Camada Física: esta é a camada de protocolo mais baixa e é responsável por controlar e ativar o transceptor de rádio e também por selecionar a frequência do canal e monitorar o canal. Também é responsável pela comunicação com os dispositivos de rádio. A comunicação de dados ou comandos é feita usando pacotes. Cada pacote PHY consiste em um cabeçalho de sincronização (SHR)(responsável pela sincronização do receptor), cabeçalho físico (PHR)(contém informações sobre o comprimento do quadro) e carga útil PHY (fornecido pelas camadas superiores como um quadro e inclui dados ou Comando).
2. Controle de acesso Médio ou camada MAC: atua como uma interface entre a camada física e as camadas de rede. É responsável pela geração de Beacons e sincronização de dispositivos na rede habilitada para Beacon. Um quadro MAC pode ser um quadro de Beacon (usado pelo coordenador para transmitir Beacons), quadro de dados, quadro de reconhecimento ou um quadro de comando. Consiste em um cabeçalho MAC (contém informações sobre segurança e endereçamento), carga útil Mac De Tamanho de comprimento variável (contém dados ou Comando) e um rodapé MAC (contém sequência de verificação de quadro de 16 bits para verificação de dados).
3. camada de rede: Esta camada conecta a camada de aplicativo com a camada MAC. Ele gerencia a formação e o roteamento da rede. Estabelece uma nova rede e seleciona a topologia da rede. O quadro NWK consiste no cabeçalho NWK e na carga útil NWK. O cabeçalho contém informações sobre endereçamento e controle de nível de rede. A carga útil do NWK contém o quadro da subcamada do aplicativo.
4. Subcamada de suporte a aplicativos: fornece um conjunto de serviços por meio de duas entidades – entidade de suporte a aplicativos e entidade de gerenciamento de suporte a aplicativos, para as camadas de aplicativos e rede. Essas entidades são acessadas por meio de seus respectivos pontos de acesso ao Serviço (SAP)
5. camada de aplicativo: Esta é a camada mais alta da rede e é responsável por hospedar os objetos do aplicativo que contém aplicativos de usuário e objetos de dispositivo ZigBee (ZDOs). Um único dispositivo ZigBee pode conter até 240 objetos de aplicação que controlam e gerenciam as camadas de Protocolo. Cada objeto de aplicativo pode consistir em um perfil ou programa de aplicativo, desenvolvido pelo usuário ou pela Aliança ZigBee. O perfil do aplicativo é responsável pela transmissão e recepção de dados na rede. O tipo de dispositivos e a função de cada dispositivo são definidos em um perfil de aplicativo. Os objetos do dispositivo ZigBee atuam como uma interface entre objetos do aplicativo, perfis de dispositivo e a subcamada do aplicativo.

as topologias de rede do ZigBee

a rede ZigBee suporta muitos tipos de topologias, a popular sendo – estrela e peer to peer topologias. Cada topologia de rede consiste em três tipos de nós – Coordenador ZigBee, roteador ZigBee e dispositivo final ZigBee. O coordenador executa a tarefa de alocar endereço exclusivo para cada dispositivo na Rede, inicia e transfere mensagens na rede e seleciona um identificador exclusivo para a rede. Dispositivos ZigBee são de dois tipos –Completo Função Device (FFD) e Reduziu a Função Device (RFD)

Figura 2: ZigBee Topologias de Rede

em uma Topologia Em Estrela, o Coordenador é o dispositivo central que inicia e gerencia dispositivos dentro da rede. Cada coordenador seleciona um identificador único, que não é usado por nenhuma outra rede dentro de sua região de influência. Cada dispositivo final se comunica com o coordenador. Os dispositivos finais são geralmente RFDs que só podem se comunicar com o coordenador ou o FFD.

na topologia ponto a ponto, cada dispositivo final pode se comunicar entre si colocado em sua vizinhança. Os dispositivos são FFDs que podem se comunicar diretamente uns com os outros. No entanto, esse tipo de topologia pode conter um RFD que se comunica com apenas um dispositivo na rede. Uma topologia ponto a ponto pode ser uma topologia de malha ou uma topologia de árvore.

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comunicação usando ZigBee

a transferência de dados pode ser entre um coordenador e dispositivo ou ponto a ponto. A transferência de dados entre o coordenador e o dispositivo pode ser feita usando dois métodos – Beacon habilitado e não Beacon habilitado.

na rede habilitada para Beacon, o método de acesso ao canal livre de contenção é usado. Aqui, o coordenador aloca um intervalo de tempo específico para cada dispositivo, conhecido como intervalo de tempo garantido (GTS). Aqui todos os dispositivos na rede precisam ser sincronizados. Isso é garantido enviando um sinal de Farol do coordenador para cada dispositivo (nó), de modo que cada dispositivo sincronize seu relógio. No entanto, isso pode acabar reduzindo a vida útil da bateria dos dispositivos quando não estiver em nenhuma outra tarefa além de sincronizar seu relógio.

depois que o dispositivo é sincronizado, ele pode transmitir dados ao coordenador usando o método Carrier Sense Multiple Access com Collision Avoidance (CSMA-CA), em que o tipo de sinal de ocupação é determinado ou durante o período de alocação do GTS. Ao enviar uma solicitação, o coordenador envia de volta a confirmação. Para transferência de dados do coordenador para o dispositivo, uma indicação é enviada com a mensagem Beacon para o dispositivo. O dispositivo então recebe essa indicação e envia uma mensagem de solicitação de dados. O coordenador envia um aviso de recebimento desta solicitação de dados e transfere os dados correspondentes.

em redes sem Beacon, O coordenador não transmite nenhuma mensagem de Beacon. Em vez disso, cada dispositivo transmite dados usando o método CSMA-CA no mesmo canal de frequência. O dispositivo transmite os dados assim que o canal estiver claro. Para transferência de dados do coordenador para o dispositivo, o dispositivo primeiro envia uma mensagem de solicitação de dados para o coordenador e, em seguida, o último transmite a mensagem de dados com uma carga útil de comprimento nulo, na disponibilidade de dados. Para nenhum dado pendente, o coordenador envia uma confirmação indicando nenhum dado pendente.

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aplicações da tecnologia ZigBee

Automação Residencial: A tecnologia ZigBee prova ser a tecnologia mais confiável na realização da automação residencial. Aplicações diferentes como controlar e monitorar o consumo de energia, a gestão de água, o controle claro etc. foram facilitados por meio da automação usando a tecnologia ZigBee.

Figura 3: ZigBee Home Automation

Automação Industrial: os dispositivos RFID baseados em ZigBee ajudam a fornecer gerenciamento de acesso confiável nas indústrias. Outras aplicações nas indústrias incluem o controle de processo, a gestão de energia, O pessoais que seguem etc.

automação de saúde: um exemplo popular de automação de saúde é o monitoramento remoto de saúde. Uma pessoa usa um dispositivo ZigBee com um sensor de medição de parâmetros corporais que coleta as informações de saúde. Esta informação está transmitindo na rede ZigBee para a rede de Protocolo de Internet (IP) e depois para o pessoal de saúde (o médico ou o enfermeiro), que então prescreveria medicação adequada com base nas informações recebidas.

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além dos três acima, existem muitas aplicações da tecnologia ZigBee. Esta é uma breve introdução sobre a tecnologia ZigBee. Qualquer outra informação sobre esta tecnologia é bem-vinda na seção de comentários abaixo.

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