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Diseño, arquitectura y aplicación de la tecnología ZigBee
Presentamos la tecnología de red inalámbrica ZigBee
ZigBee está basado en IEEE 802.15.4 y Baja potencia, baja velocidad de datos para admitir estándares de redes inalámbricas, básicamente utilizado para la comunicación bidireccional entre sensores y sistemas de control. Es el mismo estándar de comunicación de corto alcance que Bluetooth y Wi-Fi y cubre un rango de 10 a 100 metros. La diferencia es que Bluetooth y Wi-Fi son estándares de comunicación de alta velocidad de datos que admiten la transferencia de estructuras complejas, como medios y software.
La tecnología ZigBee admite la transferencia de datos simples, como los de los sensores. Admite velocidades de datos bajas de alrededor de 250 kbps. Las frecuencias de funcionamiento son 868 MHz, 902-928 MHz y 2,4 GHz. La tecnología ZigBee se usa principalmente para aplicaciones que requieren baja potencia, bajo costo, bajas tasas de datos y batería de larga duración.
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Historia de la tecnología ZigBee
El estándar ZigBee fue desarrollado por ZigBee Alliance, que incluye muchas empresas importantes como Philips, Mitsubishi Electric, Epson, Atmel y Texas Instruments. La Alianza fue fundada en 2002 como una organización sin fines de lucro.
Arquitectura ZigBee
El protocolo de red ZigBee sigue el estándar IEEE 802.15.4 para capas físicas y MAC, con sus propias capas de red y aplicación.
Figura 1: arquitectura ZigBee
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A continuación se muestra una descripción de cada capa.
- Capa física: esta es la capa de protocolo más baja y es responsable de controlar y activar los transceptores de radio, así como también de la selección de frecuencia del canal y el monitoreo del canal. También es responsable de la comunicación con los dispositivos inalámbricos. La comunicación de datos o comandos se realiza mediante paquetes. Cada paquete PHY consta de un encabezado de sincronización (SHR) (responsable de la sincronización del receptor), un encabezado físico (PHR) (que contiene información sobre la longitud del marco) y una carga útil PHY (proporcionada por capas superiores como un marco y que contiene datos o comandos) . ).
- Control de Acceso al Medio o Capa MAC: Actúa como interfaz entre la capa física y la capa de red. Responsable de generar balizas y dispositivos de sincronización en una red habilitada para balizas. Las tramas MAC son tramas de baliza (utilizadas por el coordinador para enviar balizas), tramas de datos, tramas de reconocimiento o tramas de comando. Consta de un encabezado MAC (que contiene información de seguridad y direccionamiento), una carga útil MAC de tamaño variable (que contiene datos o comandos) y un pie de página MAC (que contiene una secuencia de verificación de trama de 16 bits para la validación de datos) .
- Capa de red: esta capa conecta la capa de aplicación con la capa MAC. Administrar la formación y el enrutamiento de la red. Establezca una nueva red y seleccione una topología de red. Una trama NWK consta de un encabezado NWK y una carga útil NWK. El encabezado contiene información para el control y el direccionamiento a nivel de red. La carga útil de NWK contiene marcos de subcapa de aplicación.
- Subcapa de soporte de aplicaciones: proporciona un conjunto de servicios a la capa de aplicación y la capa de red a través de dos entidades: Entidad de datos de soporte de aplicaciones y Entidad de gestión de soporte de aplicaciones. Se accede a estas entidades a través de sus respectivos Puntos de acceso al servicio (SAP).
- Capa de aplicación: esta es la capa superior de la red y es responsable de alojar objetos de aplicación que contienen aplicaciones de usuario y objetos de dispositivo ZigBee (ZDO). 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 o programa de aplicación desarrollado por el usuario o por ZigBee Alliance. Los perfiles de aplicación son responsables de enviar y recibir datos dentro de la red. Los tipos de dispositivos y las capacidades de cada dispositivo se definen en los perfiles de aplicación. Un objeto de dispositivo ZigBee sirve como interfaz entre objetos de aplicación, perfiles de dispositivo y subcapas de aplicación.
Topología de red ZigBee
ZigBee Network admite muchos tipos de topologías, pero las topologías populares son topologías en 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 en la red, inicia y transfiere mensajes dentro de la red y selecciona un identificador único para la red. Hay dos tipos de dispositivos ZigBee: dispositivos de función completa (FFD) y dispositivos de función reducida (RFD).
Figura 2: topología de red ZigBee
En una topología en estrella, el coordinador es el dispositivo central que inicia y administra los dispositivos en la red. Cada coordinador elige un identificador único que no es utilizado por ninguna otra red dentro de su esfera de influencia. Cada dispositivo final se comunica con el coordinador. Los dispositivos finales suelen ser RFD que solo pueden comunicarse con el coordinador o FFD.
En una topología peer-to-peer, cada dispositivo final puede comunicarse entre sí ubicados en su vecindad. Los dispositivos son FFD que pueden comunicarse directamente entre sí. Sin embargo, este tipo de topología puede incluir RFD que se comunican con un solo dispositivo en la red. Una topología punto a punto puede ser una topología de malla o una topología de árbol.
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comunicación usando ZigBee
La transferencia de datos puede ser entre el coordinador y el dispositivo o entre pares. La transferencia de datos entre el coordinador y los dispositivos se puede realizar mediante dos métodos: con baliza habilitada y sin baliza habilitada.
Beacon Enabled Networking utiliza un método de acceso al canal sin conflictos. Aquí, el coordinador asigna a cada dispositivo un intervalo de tiempo específico llamado Intervalo de tiempo garantizado (GTS). Todos los dispositivos de la red deben sincronizarse aquí. Esto se asegura enviando una señal de baliza desde el coordinador a cada dispositivo (nodo) para que cada dispositivo sincronice su reloj. Sin embargo, esto puede reducir la duración de la batería de su dispositivo si no está realizando ninguna otra tarea que no sea sincronizar el reloj.
Una vez que los dispositivos están sincronizados, pueden enviar datos al coordinador utilizando el método Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance (CSMA-CA) donde se determina el tipo de señal ocupada o durante los períodos de asignación de GTS. Después de enviar la solicitud, el coordinador devuelve un acuse de recibo. La transferencia de datos del coordinador al dispositivo envía instrucciones al dispositivo en un mensaje de baliza. El dispositivo entonces recibe esta indicación y envía un mensaje de solicitud de datos. El coordinador envía acuse de recibo de esta solicitud de datos y reenvía los datos correspondientes.
En redes sin baliza, el coordinador no envía mensajes de baliza. Más bien, cada dispositivo transmite datos utilizando el método CSMA-CA en el mismo canal de frecuencia. El dispositivo enviará datos tan pronto como se borre el canal. Al transferir datos del coordinador a un dispositivo, el dispositivo primero envía un mensaje de solicitud de datos al coordinador y el coordinador envía un mensaje de datos con una carga útil de longitud nula cuando los datos están disponibles. Si no hay datos pendientes, el coordinador envía un reconocimiento de que no hay datos pendientes.
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solicitud de la tecnología ZigBee
Automatización del hogar: la tecnología ZigBee ha demostrado ser la tecnología más confiable para permitir la automatización del hogar. Diversas aplicaciones, como el control y seguimiento del consumo de energía, la gestión del agua, el control de la iluminación, etc., se han simplificado mediante la automatización mediante la tecnología ZigBee.
Figura 3: Automatización del hogar ZigBee
Automatización industrial: los dispositivos RFID basados en ZigBee ayudan a proporcionar un control de acceso confiable en las industrias. Otras aplicaciones en la industria incluyen control de procesos, gestión de energía y seguimiento de personal.
Automatización de la atención médica: un ejemplo común de automatización de la atención médica es el monitoreo remoto de la salud. Una persona usa un dispositivo ZigBee con sensores de medición de parámetros corporales que recopilan información de salud. Esta información se envía a través de la red ZigBee a una red de Protocolo de Internet (IP) y luego al personal médico (médicos o enfermeras). El personal médico prescribirá la medicación adecuada en base a la información recibida.
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Además de las tres mencionadas anteriormente, existen muchas otras aplicaciones de la tecnología ZigBee. Esta es una breve introducción a la tecnología ZigBee. Cualquier otra información sobre esta tecnología es bienvenida en la sección de comentarios a continuación.
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