Monografia - Zig Bee, Notas de estudo de Engenharia Elétrica

Baixe Monografia - Zig Bee e outras Notas de estudo em PDF para Engenharia Elétrica, somente na Docsity!

ZigBee

Por:

Vasco Adriano Machado Ferreira, nº 18638

Realizado no âmbito da cadeira:

“Comunicações Móveis e Redes sem Fios”

• Resumo .......................................................................................................................................
• 1 Introdução................................................................................................................................
• 2 Evolução ..................................................................................................................................
• 3 Tecnologia ZigBee ..................................................................................................................
  • 3.1 Funcionamento .................................................................................................................
  • 3.2 Nós e topologias de rede...................................................................................................
    • 3.2.1 Formação da Rede ZigBee ........................................................................................
  • 3.3 Tipos de dispositivos ........................................................................................................
    • 3.3.1 Coordenador ZigBee .................................................................................................
    • 3.3.2 Router ZigBee ...........................................................................................................
    • 3.3.3 Dispositivo final ........................................................................................................
    • 3.3.4 Full Function Device .................................................................................................
    • 3.3.5 Reduce Function Device............................................................................................
  • 3.4 Arquitectura ......................................................................................................................
    • 3.4.1 Camada Física (PHY)................................................................................................
    • 3.4.2 Camada de Controlo de Acesso ao Meio (MAC)......................................................
    • 3.4.3 Camada de Rede (NWK)...........................................................................................
    • 3.4.4 Camada Aplicação.....................................................................................................
    • 3.4.5 Tipos definidos de tramas..........................................................................................
  • 3.5 Segurança........................................................................................................................
  • 3.6 Tipos de tráfego ..............................................................................................................
  • 3.7 Hardware e Software ......................................................................................................
  • 3.8 Estratégias de ligação dos dispositivos numa rede ZigBee. ...........................................
    • 3.8.1 Localização de Dispositivo......................................................................................
    • 3.8.2 Service Discovery....................................................................................................
• 4 Comparação de ZigBee com Bluetooth e WLAN .................................................................
  • 4.1 ZigBee vs Bluetooth .......................................................................................................
  • 4.2 ZigBee vs WLAN...........................................................................................................
• 5 Aplicações .............................................................................................................................
• 6 Uma análise ao ZigBee..........................................................................................................
• 7 Perspectiva de evolução futura ..............................................................................................
• Bibliografia...............................................................................................................................

1 Introdução

Um número crescente de utilizadores de redes de computadores tem optado por soluções baseadas em topologias sem fios ( wireless ), ao invés de redes com cabeamento convencional, especialmente quando se trata de ampliação ou melhoria de uma rede existente. Os avanços recentes das tecnologias sem fios possibilitaram o surgimento de várias alternativas e padrões de implementação, mas até recentemente a grande maioria tinha como premissa principal prover um conjunto de protocolos que garantissem a qualidade para a transmissão de voz ou de dados com altas taxas de transferências, o que tornava os equipamentos bastantes caros e poucos atraentes para outras aplicações mais simples. Ainda são poucos os padrões de redes sem fios para aplicações em redes locais utilizando sensores e outros dispositivos de controlo. O que existe portanto, são sistemas proprietários, desenvolvidos para atender redes específicas, como as redes de automação industrial, por exemplo, onde aplicações com sensores (de temperatura, humidade, gases, etc.) e dispositivos de controlo não necessitam de uma largura de banda elevada para funcionarem, mas necessitam de uma latência baixa e consumo de energia igualmente baixo para preservar uma vida útil das baterias. Nestes casos, os sistemas wireless foram projectados para atender às exigências específicas destas aplicações. Actualmente o foco das redes wireless comerciais localiza-se no contexto das redes das redes locais (WLAN’s - Wireless Local Area Network ), tanto em soluções proprietárias como nos padrões desenvolvidos pelo IEEE ( Institute of Electrical and Electronics Engineers ), por exemplo. Com a evolução natural das tecnologias das redes sem fios, estas passaram a atender não só as aplicações corporativas mais sofisticadas como também aquelas que envolvem pequenos volumes de dados que exigem baixas taxas de transmissão como, por exemplo, o controle de equipamentos electrónicos. Além disso, outras tecnologias sem fios têm sido utilizadas também com o objectivo de proporcionar a comunicação pessoal e o controlo de dispositivos diversos, denominadas por redes pessoais (WPAN’s - Wireless Personal Area Network ). Uma das tecnologias mais recentes dentro deste grupo de redes para aplicações pessoais e que permite a gestão e controlo remoto de dispositivos tais como, equipamentos domésticos (TV’s, DVD’s, etc.) e periféricos (teclados, ratos, impressoras, etc.), é o padrão ZigBee, também conhecido por HomeRF Lite e que corresponde ao IEEE 802.15.4, homologado em Maio de

2003. Este surge através de uma aliança de empresas de diferentes segmentos do mercado – a ZigBee Aliance. Este protocolo foi projectado para permitir comunicações sem fios confiáveis, com baixo consumo de energia e baixas taxas de transmissão para aplicações de monitoramento e controlo.

2 Evolução

O padrão ZigBee foi desenvolvido para se tornar uma alternativa de comunicações em redes que não necessitam de soluções mais complexas para o seu controlo, ou seja, torna os custos de aquisição, instalação de equipamentos, manutenção e mão-de-obra mais baratos. Trata- -se portanto de uma tecnologia relativamente simples, que utiliza um protocolo de pacotes de dados com características especificas, sendo projectado para oferecer flexibilidade quanto aos tipos de dispositivos que pode controlar. A ZigBee Alliance, que desenvolve o padrão ZigBee juntamente com o IEEE, é uma associação com mais de 200 empresas, que trabalham em conjunto para desenvolver um padrão capaz de possibilitar um controlo seguro, de baixo custo e de baixa potência em redes sem fios para o controlo de diversos equipamentos, incluindo soluções para automação industrial, aplicações em tele-medicina e entretimento (jogos). A relação entre IEEE 802.15.4-2003 e ZigBee é parecida à existente entre IEEE 802.11 e WiFi Alliance. A especificação 1.0 de ZigBee ficou aprovada em 14 de Dezembro de 2004 e fica disponível a membros do grupo de desenvolvimento (ZigBee Alliance). Num primeiro nível de subscrição, denominado por adopter , o custo é de 3500 dólares anuais e permite o acesso às especificações e permissão para a criação de produtos para a sua comercialização. Estas especificações estão disponíveis ao público para fins não comerciais na ZigBee Specification Download Request. A revisão actual de ZigBee 2006 ficou aprovada em Dezembro deste mesmo ano. Em 2006 o preço de um transmissor compatível com ZigBee custava 1 dólar e em conjunto de rádio, processador e memória rondava os 3 dólares. Em comparação o Bluetooth nos seus inícios (em 1998, antes do seu lançamento) tinha um custo previsto de 4 a 6 dólares em grandes volumes, actualmente, o preço de dispositivos de consumo comuns é de uns 3 dólares. A primeira versão da pilha denomina-se por ZigBee 2004_._ A segunda versão e actual denomina-se por ZigBee 2006 e substitui a estrutura MSG/KVP (usada no ZigBee 2004) por uma “ cluster library ”, tornando assim obsoleta a versão anterior. A ZigBee Alliance já começou a trabalhar na versão 2007 de modo a estender as capacidades das especificações do ZieggBe 2006, em concreto centrando-se em optimizar as funcionalidades a nível de rede, incluindo também alguns novos perfis da aplicação, como a leitura automática, automatização industrial e automatização de lugares baseado no principio do uso da “ cluster library ”.

3 Tecnologia ZigBee

3.1 Funcionamento

Os dispositivos baseados na tecnologia ZigBee funcionam na faixa ISM ( Industrial, Scientific and Medical radio band ), isto é, não requer licença para funcionamento. Estes operam nas faixas de 2,4 GHz (Global), 915 MHz (Estados Unidos) e 868 MHz (Europa) e com taxas de transferências de dados de 250 Kbps em 2,4 GHz, 40 Kbps em 915 MHz e 20 Kbps em 868 MHz. Padrão Frequências Nº de Canais Técnica de Modulação Taxa de Dados 2.4 – 2.4835 GHz 16 (11 a 26) DSSS, O-QPSK 250 Kbit/s 802.15.4 868 – 870 MHz 1 (0) DSSS, BPSK 20 Kbit/s 902 – 928 MHz 10 (1 a 10) DSSS, BPSK 40 Kbit/s

Tab. 1 – Faixas e velocidade de transmissão

Na banda de 2.4GHz usa a modulação do espectro expandido DS-SS ( Direct Sequence Spread Spectrum ). A uma velocidade de transmissão de 250Kbps e a uma potência de 1mW cobre aproximadamente uns 13 metros de transmissão. A tecnologia ZigBee trabalha sobre IEEE 802.15.4 que permite um ambiente perfeito para ambientes com baixa ralação sinal-ruido.

A figura seguinte mostra as características de transmissão dos sinais:

Fig. 2 – Características de transmissão (Fonte – www.rua.ua.es:8080 - InformeTecZigBee )

3.2 Nós e topologias de rede

Numa rede ZigBee pode haver até 254 nós, no entanto, de acordo com o agrupamento que é feito, pode-se criar até 255 conjuntos/clusters de nós com os quais podem chegar a ter 64770 nós nos quais existe a possibilidade de utilizar várias topologias de rede: estrela, malha ou em grupos de árvore.

Fig. 3 – Topologias de uma rede ZigBee (Fonte - Nathalie Maes – ZigBee) É permitido um encaminhamento de saltos múltiplos, também conhecido como multi- hop, que permite que estas redes abarquem uma grande superfície.

Nas redes ZigBee um dispositivo pode permanecer durante um longo tempo sem ter que comunicar. Além disso o tempo de acesso à rede é muito pequeno, tipicamente 30ms. Outra característica importante é o tamanho reduzido dos pacotes de dados que circulam na rede. A topologia Estrela é a mais simples das três, nesta temos apenas o coordenador e os dispositivos finais. A sua principal vantagem é a simplicidade em relação à implementação. No entanto, a dependência de um coordenador único é um aspecto negativo, além disso, torna o alcance da rede menor. A principal aplicação deste modelo é em ambientes com poucos obstáculos à transmissão do sinal. A topologia Árvore é formada por sub-redes que se comunicam através de routers. Nesta topologia, temos mais de um coordenador, cada um gerindo uma rede. Esse modelo é adequado para ligar redes distintas um pouco mais distantes e com obstáculos, uma vez que o alcance da rede é maior devido à presença de mais elementos coordenadores e routers. A topologia Malha permite que a rede ajuste automaticamente quando inicializa a entrada de novos dispositivos ou perda de dispositivos. Nesta situação existem múltiplos caminhos entre os diferentes nós e a rede é auto-suficiente para optimizar o tráfego de dados. Usando esta configuração podemos ter redes muito extensas, cobrindo largas áreas geográficas.

3.2.1 Formação da Rede ZigBee

• Início através de uma primitiva da camada de rede que é restrita ao coordenador ZigBee; É iniciada por uma primitiva da camada de rede restrita a um coordenador que não pertence a nenhuma outra rede ZigBee.
• Procura por um conjunto de canais; O coordenador começa a procurar canais e ordena-os por nível de energia, descartando os que têm níveis mais baixos.
• Procura em cada canal por dispositivos ou redes ZigBee; O coordenador procura dispositivos ou redes ZigBee em cada canal.
• Escolha do melhor canal para criar uma nova rede; O coordenador escolhe o melhor canal para criar uma rede, privilegiando canais onde não tenha encontrado redes já em funcionamento.
• Escolha de um identificador de rede; Após a escolha do canal, o coordenador escolhe um identificador de rede que deverá ser atribuído a todos os dispositivos que ingressarem na rede.
• Permissões para que outros dispositivos integrem a rede.

3.3 Tipos de dispositivos

Em ZigBee existem três tipos de dispositivos:

3.3.1 Coordenador ZigBee (ZigBee coordinator, ZC) – é o tipo de dispositivo mais completo. Pode actuar como coordenador de uma rede em árvore assim como também servir de ligação a outras redes. Existe exactamente um coordenador em cada rede, em que este é o nó que

3.4 Arquitectura

O padrão IEEE 802.15.4, definiu interfaces com baixas taxas de transmissão (inferiores a 250Kbps) e estabeleceu uma estrutura de rede que incorpora os conceitos de rede ad hoc , características de ligação em malha e em múltiplos saltos ( multi-hop ). Adicionalmente, novos algoritmos de segurança e perfis de aplicação foram definidos com o objectivo de garantir segurança e a perfeita interacção entre os diversos equipamentos.

Fig. 5 – Camadas de protocolos ZigBee (Fonte - electronica.org)

3.4.1 Camada Física (PHY)

A camada física (PHY - Physical ) foi projectada para acomodar as necessidades de interfaces de baixo custo, permitindo níveis elevados de integração. O uso da técnica de transmissão DS-SS ( Direct Sequence Sread Spectrum ) permite que os equipamentos sejam muito simples, possibilitando assim implementações mais baratas. Nesta técnica uma sequência pseudo aleatória de valores 1 e -1, numa frequência mais elevada, é multiplicada ao sinal original, causando espalhamento da energia do sinal numa banda mais larga. Utiliza-se BPSK nas duas menores gamas de frequências (868 MHz e 915 MHz), assim como QPSK ortogonal que transmite 2 bits por símbolo na banda de 2.4 GHz. A camada PHY é responsável pela transmissão e recepção do canal de rádio.

3.4.2 Camada de Controlo de Acesso ao Meio (MAC)

A camada de Controlo de Acesso ao Meio (MAC - Media Access Control ) foi projectada para permitir topologias múltiplas com baixa complexidade, onde a gestão de energia, por exemplo, não requer modos de operação complexos. O MAC também permite que um dispositivo com funcionalidade reduzida (RFD) opere na rede sem necessidade de grandes quantidades de memórias disponíveis, podendo controlar também um grande número de dispositivos sem a necessidade de colocá-los “em espera”, como acontece em determinadas tecnologias sem fios. A camada MAC é responsável por prover um mecanismo confiável de transmissão, pelo transporte de dados e sincronização.

3.4.3 Camada de Rede (NWK)

A camada de rede (NWK - Network ) foi projectada para possibilitar o crescimento da rede sem a necessidade de equipamentos de transmissão de potência mais elevada. Esta também pode funcionar com quantidades grandes de nós de rede e latências relativamente baixas. A camada de rede (NWK) utiliza um algoritmo que permite implementações da pilha de protocolos visando balancear os custos das unidades em aplicações específicas, o consumo das baterias, procurando obter soluções com o perfil específico de custo-desempenho para a aplicação. A camada NWK (rede) é responsável pela descoberta e manutenção de rotas entre os dispositivos envolvidos e também pela segurança dos dados.

3.4.4 Camada Aplicação

A camada Aplicação é constituída por três principais componentes: Suporte à aplicação, “ ZigBee Device Object ” e as funções definidas pela empresa que desenvolveu o dispositivo. Os serviços fornecidos no suporte à aplicação são o “ Descovery ” e “ Binding ”. O primeiro descobre que outros pontos estão activos na área de alcance daquele dispositivo. O segundo une dois ou mais dispositivos considerando as suas necessidades e serviços. ZigBee Device Object é onde está definido o papel do dispositivo na rede, isto é, se ele actua como coordenador, router ou dispositivo final. Além disso, há a definição de método de segurança usado na rede e o início das solicitações de “ Binding ”.

A pilha do padrão ZigBee tem requisitos muito simples podendo ser implementada em microcontroladores de 8 bits. A pilha completa não excede 32 Kbytes e a reduzida 6 Kbytes.

De um modo geral utiliza-se CSMA/CA ( Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance ) para evitar colisões durante a transmissão. Quando um nó deseja transmitir, este envia um sinal de aviso, por tempo suficiente para que todos os componentes da rede o recebam. Só então os dados são transmitidos. Se durante uma transmissão um sinal de aviso for detectado o emissor interrompe o envio da mensagem, reiniciando a tentativa de transmissão após um período aleatório.

3.4.5 Tipos definidos de tramas

Tramas de comando MAC (MAC command ) – para controlo dos nós clientes.

Tramas de dados – são usadas para todo o tipo de transferência de dados, Suportam 104 bytes e estão numeradas. A existência de uma sequência de framecheck permite assegurar uma transmissão fiável e sem erros.

Tramas de acknowledgment (ACK) – utilizadas para confirmar a recepção bem sucedida de um pacote. Os dispositivos utilizam o quiet time entre tramas para efectuar o acknowledgment.

Tramas de beacon – utilizadas pelos dispositivos Coordenador e Router para efectuar a transmissão de beacons.

3.7 Hardware e Software

O software foi projectado para ser executado em processadores e microcontroladores de baixo custo, com um desenvolvimento de transmissão muito optimizado para alcançar baixos custos com elevado volumes de produção. Sempre que possível são utilizados circuitos digitais evitando componentes analógicos.

Embora o hardware seja simples, o processo de certificação de um dispositivo aguenta uma validação completa das exigências do nível físico. Esta revisão intensiva tem vantagens múltiplas, desde que todos os módulos fabricados a partir de uma mesma máscara de semicondutor utilizem as mesmas características de rádio frequência. Por outro lado, um nível físico mal controlado poderia prejudicar não só ao próprio dispositivo, mas também o consumo de energia de todos os outros dispositivos na rede. Outros padrões podem compensar certos problemas, enquanto ZigBee trabalha com margens muito estreitas de consumo. Para isto, de acordo com os 802.15.4, os módulos passam para validações ISO 17025. A maioria dos fabricantes planeiam integrar (ou integram) o módulo e o microcontrolador num único chip.

3.8 Estratégias de ligação dos dispositivos numa rede ZigBee.

As redes ZigBee foram projectadas para conservar a potência nos nós “escravos”. Desta forma consegue-se um baixo consumo de potência. A estratégia consiste em que, durante algum tempo, um dispositivo “escravo” permaneça no modo “adormecido”, de tal forma que só “desperta” por uma fracção de segundos para confirmar que está “vivo” na rede de dispositivos na qual faz parte. Esta transição do modo “adormecido” ao modo “desperto” (modo no qual realmente transmite), dura uns 15ms e a enumeração de “escravos” dura à volta dos 30ms.

3.8.1 Localização de Dispositivos

Processo segundo o qual um dispositivo ZigBee pode descobrir outros dispositivos ZigBee enviando mensagens de pedido de identificação por broadcast ou unicast. Pode haver pedidos do endereço IEEE (já conhecido o NWK e por unicast ) ou NWK (por broadcast e transporta o endereço IEEE). No caso do dispositivo ser um coordenador ou router, para além do seu endereço, enviará também os endereços dos dispositivos a ele associados.

3.8.2 Service Discovery

É um processo onde os serviços disponíveis nos endpoints de um dispositivo são descobertos por dispositivos externos. São rastreados todos os endpoints (por unicast ) ou é usado o serviço de match (é enviada uma mensagem de difusão e só respondem os dispositivos em que os critérios coincidam), sendo usados todos os descritores do enddevicet. No caso de haver dispositivos em “ sleepmode ”, o seu coordenador ou router ZigBee poderá responder por eles. Existem os seguintes tipos de pedidos:

EndDevice Activo Este comando permite determinar os enddevice activos (a aplicação suporta um único profile ).

Match Simple Descriptor Pede a identificação de profile e, opcionalmente, a de clusters e a do enddevice do dispositivo com os critérios fornecidos coincidentes.

Detector Simples/ Nó/ Potência/ Complexo/ Utilizador Estes comandos pedem os descritores respectivos do enddevice /dispositivo específico. Os 2 primeiros podem ser broadcast ou unicast e os outros somente unicast.

4 Comparação de ZigBee com Bluetooth e WLAN

4.1 ZigBee vs Bluetooth

ZigBee e Bluetooth têm muito em comum. Os dois são do tipo de redes WPANs ( Wireless Personal Área Network ). Funcionam ambos na faixa ISM (não precisam de licença) de 2,4 GHz e consomem pouca energia. No entanto têm algumas diferenças:

¾ Uma rede ZigBee pode consistir num máximo de 64770 nós, frente aos 8 nós máximos numa rede Bluetooth. ¾ Menor consumo eléctrico que o já baixo do Bluetooth. Em termos exactos, ZigBee tem um consumo de 30mA transmitindo e de 3μA em repouso, em relação aos 40mA transmitindo e 200μA em repouso que o Bluetooth tem. Este menor consumo deve-se a que o sistema ZigBee passa a maior parte do tempo “adormecido”, enquanto que numa comunicação Bluetooth isto não acontece, pois está sempre a transmitir ou a receber. ¾ ZigBee tem uma velocidade de 250Kbps, enquanto que o Bluetooth tem 1Mbps. ¾ Devido as velocidades de cada um, um é mais apropriado que outro para certas necessidades (aplicações). Por exemplo, enquanto que o Bluetooth é usado em aplicações como Wireless USB, telemóveis e informações caseiras, a velocidades do ZigBee é insuficiente para estas tarefas, sendo esta orientada para usos como a Domótica, equipamentos dependentes da bateria, sensores médicos e jogos, nos quais a transferência de dados é menor. ¾ Existe uma versão que integra um sistema de radiofrequências característico do Bluetooth próximo da interface de transmissão de dados via infravermelhos desenvolvido pela IBM mediante um protocolo ADSI e MDSI.

ZigBee Bluetooth Padrão (MAC + PHY) IEEE 802.15.4^ IEEE 802.15. Taxa de transferência 250Kbps^ 1Mbps Corrente de transmissão 30mA^ 40mA Corrente em standby 3μA^ 200μA Tamanho da pilha do protocolo 28Kb^ 250Kb Técnica de modulação DSSS^ FHHS Bateria Até 2 anos^ Recargas frequentes Área de cobertura Mais de 70m^ Até 100m Tab. 3 – Principais diferenças entre ZigBee e Bluetooth

5 Aplicações

Os protocolos ZigBee estão definidos para um uso em aplicações que requerem baixas transmissões de dados e pouco consumo energético. O uso do ZigBee é recorrido quando se pretende aplicações de baixo custo e auto-organizativas (redes em malha em concreto). O ZigBee é usado no controlo industrial (segurança, controlo de acesso e iluminação), redes de sensores, jogos iterativos (periféricos para PC), medicina (monitorização de pacientes, acompanhamento de exercício físico), controlo remoto de produtos electrónicos, recolha de dados, exercer funções como na detecção de fumo ou intrusos e domótica. A rede no seu conjunto utiliza uma quantidade muito pequena de energia para que cada dispositivo individualmente, possa ter uma autonomia de vários anos antes de necessitar uma substituição no sistema de alimentação.

Fig. 6 – Algumas aplicações para ZigBee (Fonte - www.ubec.com.tw)

6 Uma análise ao ZigBee

As redes sem fios actuais, apesar de serem adequadas para uso ao ar livre ou em ambientes fechados, são particularmente interessantes em recintos delimitados, tais como residências, prédios de escritórios, hospitais, universidades, fábricas e armazéns. Entretanto, para muitas aplicações, a falta de uma infra-estrutura adequada ou de recursos para investimento devido aos altos custos envolvidos, oferecem dificuldades para sua implementação no controlo de algumas actividades quotidianas. Os custos dos acessos baseados em redes sem fios que utilizam o padrão IEEE 802.11, por exemplo, ainda são proibitivos para muitos utilizadores de redes e de sistemas de automação. A tecnologia ZigBee surge nesse cenário como uma alternativa viável que possibilita a utilização de sistemas de controlo sem fios para esse tipo de aplicação em dispositivos mais simples. ZigBee parece ser um modelo forte por ser eficiente e por ser fruto de um investimento conjunto de grandes empresas. A crescente busca por tecnologias sem fios mostra a tendência do futuro das redes. Nesse âmbito, modelos diferentes vêm para atender necessidades distintas. ZigBee baseia-se no envio de baixas taxas de dados (10 até 250kbps) e, por ter o propósito de enviar leituras de sensores que tipicamente tem dezenas de bytes, não é preciso uma banda extensa. Além disso, a baixa largura de banda do ZigBee ajuda-o a cumprir os seus principais objectivos: Baixo consumo de energia, custo reduzido e robustez.

7 Perspectiva de evolução futura

É esperado que os módulos ZigBee sejam os transmissores sem fios mais baratos da história, e também produzidos de uma forma massiva. Terão um custo reduzido (por voltas dos 2 euros), serão preparados com uma antena integrada, controlo da frequência e uma bateria pequena. A oferta será tão económica porque o módulo irá ser fabricado com o menos circuitos analógicos do que aqueles que são necessários.