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ZigBee WPAN system in a smart home



  1. Abstract

  • 2. Introducción

  • 3. Infraestructura del sistema ZIGBEE

  • 4. Protocolo Zigbee

  • 5. Topología del sistema Zigbee

  • 6. Aplicaciones ZigBee

  • 7. Domótica

  • 8. Conclusiones

  • 9. Referencias

  • Abstract

    Hoy en día las personas buscan un confort en su vivienda buscan la forma de domotizar su casa, se produce una incertidumbre de que sistema inalámbrico debe usarse para domotizar la casa. Esta investigación describe el sistema Zigbee dado que es un  sistema altamente fiable, rentable, bajo consumo de energía, establecimiento programable y rápido ayuda la comunicación interior de la casa.

    Keywords — Smart Home, Domótica, Standards.

    Introducción

    ZigBee es un estándar de comunicaciones inalámbricas diseñado por la ZigBee Alliance. Es un conjunto estandarizado usado para sectores público o privado sin ningún costo. Está basado en el estándar IEEE 802.15.4 "redes inalámbricas de área personal" y tiene como objetivo una comunicación segura con baja tasa de envío de datos y maximiza la vida útil de sus baterías.

    Es un sistema ideal para redes domóticas, específicamente diseñado para reemplazar la proliferación de sensores y actuadores individuales. Este sistema se creó para cubrir la necesidad del mercado a un bajo costo, bajo consumo, seguro y fiable. [1]

    Infraestructura del sistema ZIGBEE

    Estándar de ZigBee IEEE 802.15.4

    Es un estándar que define el nivel físico y el control de acceso a redes inalámbricas para transmitir datos a baja tasa. También tiene como propósito ofrecer una solución a los niveles superiores de la pila de protocolos que el estándar no cubre [7].

    Funcionalidad del sistema ZigBee

    Una red ZigBee se compone de dispositivos que se clasifican en dos tipos de dispositivos: de función completa (FFD) y dispositivos función reducida (RFD).

    1. Dispositivo de funcionalidad completa (FFD)

    Se lo conoce como nodo activo. Recibe mensajes en formato IEEE 802.15.4. Gracias a la memoria adicional y a la capacidad de computadora, puede funcionar como Coordinador o Router ZigBee, o también es un dispositivo de red que actúa de interfaces con los usuarios [1].

    2. Dispositivo de funcionalidad reducida (RFD)

    Se lo conoce como nodo pasivo. Incluye una capacidad y funcionalidad limitada el objetivo es reducir el costo y una gran simplicidad al circuito. Básicamente, son los sensores/actuadores de la red. [1].

    Arquitectura de Zigbee

    Zigbee se compone de dos capas:

    La primera capa de ZigBee es conocida como la capa de aplicación (APL). Esta capa se utiliza para modificar la entrada en datos digitales y los datos digitales en salida. Para la realización de diferentes tareas, múltiples aplicaciones se pueden ejecutar en un dispositivo ZigBee [2].

    2) La siguiente capa se conoce como la capa de red (NWK).La capa de red ZigBee es responsable para la formación de una red, la asignación de direcciones a los nodos de unirse a la red, el descubrimiento de enrutamiento, descubrimiento de vecinos, la topología de enrutamiento específico, estructura de la red y la seguridad [2].

    Banda de transmisión Zigbee

    Opera a tres velocidades de datos diferentes en sus bandas de transmisión específicos.

    250 kb/s at 2.4GHz/Worldwide.

    40 kb/s at 915MHz/North America.

    20 kb/s at 868 MHz/Europe. [3]

    Protocolo Zigbee

    El protocolo pertenece a la categoría de protocolos inalámbricos de mayor uso para recintos cerrados a los cuales se les necesita automatizar. Estos sistemas se basan en procesos micro-electromecánicos y comunicaciones inalámbricas por medio de sensores de bajo alcance [9].

    Sus principales características son 3:

    Redes con varios nodos.

    Bajo Consumo.

    Tasa de transmisión de datos relativamente baja.

    Debido a la carencia de redes inalámbricas para los protocolos domóticas se crea la alianza Zigbee, defiendo un estándar global para las redes inalámbricas de sensores. Zigbee define un conjunto de protocolos de alto nivel para redes inalámbricas de mínimo costo [9].

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    Figura 1. Protocolos de Zigbee [9].

    Topología del sistema Zigbee

    El sistema ZigBee utiliza tres tipos de topologías.

    En la topología de estrella

    El coordinador actúa como concentrador y ofrece un mecanismo centralizado para la comunicación [3].

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    Figura 2. Topología de forma Estrella [7].

    En la topología de malla

    Se descubren y rutas mantenido bajo demanda [3].

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    Figura 3. Topología de forma Malla [7].

    En una topología de clúster de un árbol

    Un ZC inicializa la totalidad red, y actúan como la raíz del árbol. Los nodos hijos no pueden conectarse a los dispositivos finales [3].

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    Figura 4. Topología de forma Árbol [7].

    La comunicación nodos / dispositivos

    Hay tres comunicaciones de dispositivos / nodos del sistema ZigBee.

    Coordinador de PAN / ZigBee (ZR)

    El ZR constituye la raíz del árbol de la red. Hay exactamente un coordinador ZigBee en cada red donde es capaz almacenar información acerca de la red, incluyendo la actuación como el repositorio de claves de seguridad [3].

    ZigBee Router (ZR)

    Un router puede actuar como un enrutador intermedio, pasando datos de otros dispositivos [3].

    ZigBee extremo del dispositivo (ZED)

    Contiene la funcionalidad de comunicarse con el nodo principal, no permite retransmitir datos de otros dispositivos. Esta relación permite que el nodo este dormido a una cantidad significativa de tiempo garantizando una larga duración de batería [3].

    Aplicaciones ZigBee

    Zigbee tiene una extensa variedad de aplicación por ser de acceso libre a cualquier fabricante dando apoyo a distinto sectores: Control Industrial, residencial para Smart, Sector público aplicando a los siguientes casos.

    Iluminación comercial.

    La seguridad.

    Interruptores de luz inalámbricos.

    Sistema de gestión del tráfico.

    El medio ambiente.

    Monitoreo de salud.

    Control de bajo consumo para industrias.

    Hogar automatizado.

    Emergencia al a respuesta a desastre entre otros [3] [1].

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    Figura 5. Entorno de la aplicación Zigbee [7] [9].

    Tipos de Tráfico de Datos ZigBee.

    Se dirige por dos tipos de tráfico típicos:

    Cuando el dato es periódico: La aplicación dicta la proporción, el sensor se activa, revisa los datos luego de haber revisado los datos se desactiva. [1]. Cuando el dato es intermitente: La aplicación, u otro estímulo, determina la proporción. El dispositivo necesita sólo conectarse a la red cuando la comunicación se hace necesaria. Con el objetivo de ahorrar energía [1].

    Cuando el dato es repetitivo: La proporción es a prioridad fija. Dependiendo de las hendeduras de tiempo repartidas, los dispositivos operan para las duraciones fijas [1].

    Domótica

    La domótica es una disciplina tecnológica que se aplica en lugares como los edificios de todo tipo, con el fin de aumentar la seguridad, el confort, los servicios multimedia, el uso del diseño bioclimático y el ahorro energéticoLa tecnología encuentra en el hogar un campo de posibilidades apasionantes, y la Domótica es una de ellas, es una disciplina técnica, que tiene una faceta social no menos importante. Como primera aproximación afirmaremos que la Domótica consiste en introducir infotecnología en los hogares para mejorar la calidad de vida de sus habitantes y ampliar sus posibilidades de comunicación, automatizando procesos domésticos e intercomunicando tanto estos procesos como los residentes del hogar entre sí y con el exterior. La infotecnología es pues la herramienta, las personas sus destinatarios, la satisfacción de determinadas necesidades suyas su objetivo [7] [11].

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    Fig1. Esquema de una instalación Domótica [11].

    A. Comunicaciones y Estándares

    La manera de como intercomunicar los dispositivos dentro del hogar inteligente son varias [7].

    Wi-Fi

    Bluetooth

    Zig Bee

    6LoWPAN

    Z-Wave

    Insteon

    EnOcean

    ONE-NET

    La finalidad de la domótica es que cubra con las necesidades del usuario, entre ellas se tiene: [11]

    Ahorrar energía, dinero y tiempo.

    Aumentar la seguridad.

    Mejorar las comunicaciones.

    Incrementar el confort.

    Ofrecer nuevos servicios [11].

    Elementos que son parte de un sistema domotico.

    Controladores.

    Medio de transmisión.

    Actuadores.

    Sensores.

    Elementos externos [11].

    Conclusiones

    El sistema Zigbee tiene un requerimiento bajo de transmisión de datos y consumo energético garantiza la comunicación de los dispositivos "sensores" inalámbricos entre si ofreciendo seguridad al usuario. Lo bueno de esta aplicación es de acceso libre no hay que pagar la licencia para usar el sistema en cualquier ámbito uno de ellos es la casa domótica porque las personas buscan la manera de vivir cómodamente en su casa. La investigación detalla el sistema ZigBee y una introducción a la domótica.

    Referencias

    [1]

    C. A. O. Huembes, «Monografias.com,» 10 08 2008. [En línea]. Available: http://www.monografias.com/usuario/perfiles/carlos_alberto_ortega_huembes/monografias. [Último acceso: 05 07 2016].

    [2]

    S. R. Gonzalez, «Monografias.com,» 23 07 2015. [En línea]. Available: /trabajos-pdf5/red-zigbee-aplicada-domotica/red-zigbee-aplicada-domotica. [Último acceso: 01 07 2016].

    [3]

    A. S. P. Bhumika, «Performance Evaluation of Zig-Bee 802.15.4 WPAN in Logical Subnet in OPnet Modeler,» de Circuito, poder y Computing Technologies (ICCPCT), 2015 Conferencia Internacional, India, 19-20 de marzo de el año 2015.

    [4]

    M. K. Bhumika, «Performance Evaluation of Zig-Bee 802.15.4 WPAN Designed in Satellite Subnet Using Opnet Modeler,» de 2015 Fifth International Conference on Advanced Computing & Communication Technologies, India, 21-22 Feb. 2015.

    [5]

    M. P. S. T. Vinicio Fernando Llanos Fernando, «Monografias.com,» 16 07 2015. [En línea]. Available: /usuario/perfiles/milton_patricio_sancho_taday/monografias. [Último acceso: 10 07 2016].

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    i. Ordoñez, «Monografias.com,» 29 01 2016. [En línea]. Available: /trabajos107/estandares-domotica/estandares-domotica. [Último acceso: 10 07 2016].

    [7]

    J. K. ,. G. S. Amritpal Kaur, «An efficient hybrid topology construction in Zigbee sensor network,» de Recent Advances and Innovations in Engineering (ICRAIE), 2014, India, 9-11 May 2014.

    [8]

    J. K. G. S. Amritpal Kaur, «Simulation and investigation of Zigbee sensor network with mobility support,» de Advance Computing Conference (IACC), 2014 IEEE International, India, 21-22 Feb. 2014.

    [9]

    C. A. O. Huembes, «Monografias.com,» 10 07 2008. [En línea]. Available: /trabajos-pdf/zigbee/zigbee. [Último acceso: 2016 06 29].

    [10]

    Z. Alliance, «www.zigbee.org,» The ZigBee Alliance, 1998. [En línea]. Available: http://www.zigbee.org/. [Último acceso: 2016 06 27].

    [11]

    J. Calloni, «Curso Básico de Domótica,» Librería y Editorial Alsina, Buenos Aires, 2011.

    [12]

    P. Campoverde, «monografias.com,» 28 07 2015. [En línea]. Available: /usuario/perfiles/patricio_campoverde/monografias. [Último acceso: 11 07 2016].

    [13]

    C. F. P. G. Edisson Francisco Coronel Villavicencio, «monografias.com,» 04 02 2016. [En línea]. Available: /trabajos-pdf5/domotica-actualidad/domotica-actualidad. [Último acceso: 11 07 2016].

    [14]

    F. D. P. P. Alexander Vicente Medina Carrion, «Monografias.com,» 25 02 2016. [En línea]. Available: /trabajos107/la-domotica-aplicaciones/la-domotica-aplicaciones. [Último acceso: 11 07 2016].

    [15]

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    [16]

    Q. C. C. Eduardo, «monografias.com,» 12 07 2012. [En línea]. Available: /usuario/perfiles/carlos_41/monografias. [Último acceso: 13 07 2016].

    BIOGRAFIA

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    Soy Gabriel Jesús Duran Zambrano, nací el 6 de Diciembre de 1994 en Santa Rosa, Ecuador. Termine la educación primaria en la escuela "Gerolomo Passini" y la secundaria en el Instituto "Instituto Superior Técnico El Oro" allí me gradué en electrónica de consumo. Estudio en la Universidad Politécnica Salesiana en Ingeniería Electrónica en Cuenca, Ecuador.

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    Mi nombre es Brian David Quinteros Andrade nací el 11/03/1996
    vivo en azogues estudie en el colegio Humberto vicuña novillo y estoy
    estudiando Ingeniería Eléctrica.

     

     

    Autor:

    Gabriel Jesús Duran Zambrano,

    Brian David Quinteros

    UNIVERSIDAD POLITÉCNICA SALESIANA

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