Zigbee: El nuevo estándar global para la domótica e inmótica (página 2)

Esta nueva aplicación, definida por la propia
ZigBee Alliance como el nuevo estándar global para la
automatización del hogar,
permite que las aplicaciones domóticas(4)
desarrolladas por los fabricantes sean completamente ínter
operables entre sí, garantizando así al cliente final fiabilidad,
control, seguridad y comodidad.

Además la ZigBee Alliance también deja
disponible para su acceso la ZigBee Cluster Library, ofreciendo
de este modo a los ingenieros y demás integradores, deseosos
de trabajar bajo este estándar mundial idóneo para los
servicios domóticos,
bloques de construcción para
aplicaciones con necesidades bajo el denominador común de la
automatización residencial, reduciendo de este modo las
labores de desarrollo y permitiendo
implementaciones más precisas.

Cronología

1998.  – Las redes de la familia de ZigBee se
conciben, al tiempo que se hizo claro
que    Wi-Fi y Bluetooth no serían
soluciones válidas para
todos los contextos. En concreto, se observó una
necesidad de redes ad hoc inalámbricas.

2003. -  El estándar IEEE 802.15.4 se
aprueba en mayo.

2003. – En el verano, Philips Semiconductors puso
fin a su inversión en redes de
mallas. Philips Lighting ha perpetuado la participación de
Philips, que sigue siendo un miembro prominente de la ZigBee
Alliance.

2004. – ZigBee Alliance anunció en octubre
una duplicación en su número de miembros en el
último año a más de 100 compañías en 22
países. En abril de 2005 había más de 150 miembros
corporativos, y más de 200 en diciembre del mismo
año.

2004. – Se aprueba la especificación Zigbee
el 14 de diciembre.

2005. – ZigBee 2004 se puso a disposición
del público sin fines comerciales el 13 de junio en San
Ramón,
California.

2006. – “El precio de mercado de un transceptor
compatible con ZigBee se acerca al dólar y el precio de un
conjunto de radio, procesador y memoria ronda los tres
dólares” (5).

2006. – En diciembre se publicó la actual
revisión de la especificación.

2007. – En Noviembre se publicó el perfil
HOME AUTOMATION de la especificación.

Definición

ZigBee es el nombre de la especificación de un
conjunto de protocolos de alto nivel de
comunicación
inalámbrica para su utilización con radios digitales de
bajo consumo, basada en el
estándar IEEE 802.15.4 de redes inalámbricas de
área personal (wireless personal area
network, WPAN). Su objetivo son las aplicaciones
para redes Wireless que requieran comunicaciones seguras y
fiables con baja tasa de envío de datos y maximización de la
vida útil de sus baterías.

Estándar IEEE 802.15.4

IEEE 802.15.4 es un estándar que define el nivel
físico y el control de acceso al medio de redes
inalámbricas de área personal con tasas bajas de
transmisión de datos    (low-rate wireless
personal area network, LR-WPAN). La actual revisión del
estándar se aprobó en 2006. El grupo de trabajo IEEE 802.15 es el
responsable de su desarrollo.

También es la base sobre la que se define la
especificación de ZigBee, cuyo propósito es ofrecer una
solución completa para este tipo de redes construyendo los
niveles superiores de la pila de protocolos que el estándar
no cubre.

Características

·             
ZigBee, también conocido como "HomeRF Lite", es una
tecnología
inalámbrica con velocidades comprendidas entre 20 kB/s y
250 kB/s.

·             
Los rangos de alcance son de 10 m a 75 m.

·             
Puede usar las bandas libres ISM (6) de 2,4 GHz
(Mundial), 868 MHz (Europa) y 915 MHz
(EEUU).

·             
Una red ZigBee puede estar formada
por hasta 255 nodos los cuales tienen la mayor parte del tiempo
el transceiver ZigBee dormido con objeto de consumir menos que
otras tecnologías inalámbricas.

·             
Un sensor equipado con un transceiver ZigBee pueda ser
alimentado con dos pilas AA durante al menos 6 meses
y hasta 2 años.

·             
La fabricación de un transmisor ZigBee consta de menos
circuitos analógicos de
los que se necesitan habitualmente.

·             
Diferentes tipos de topologías como estrella,
punto a punto, malla, árbol.

·             
Acceso de canal mediante CSMA/CA(7) (acceso
múltiple por detección de portadora con evasión de
colisiones).

·             
Escalabilidad de red — Un mejor soporte para las redes
más grandes, ofreciendo más opciones de gestión, flexibilidad y
desempeño.

·             
Fragmentación — Nueva capacidad para dividir mensajes
más largos y permitir la interacción con otros
protocolos y sistemas.

·             
Agilidad de frecuencia — Redes cambian los canales en
forma dinámica en caso que
ocurran interferencias.

·             
Gestión automatizada de direcciones de dispositivos –
El conjunto fue optimizado para grandes redes con gestión de
red agregada y herramientas de
configuración.

·             
Localización grupal — Ofrece una optimización
adicional de tráfico necesaria para las grandes
redes.

·             
Puesta de servicio inalámbrico —
El conjunto fue mejorado con capacidades seguras para poner en
marcha el servicio inalámbrico.

·             
Recolección centralizada de datos — El conjunto fue
sintonizado específicamente para optimizar el flujo de
información en las grandes
redes.

Ventajas

·             
Ideal para conexiones punto a punto y punto a
multipunto

·             
Diseñado para el direccionamiento de información
y el refrescamiento de la red.

·             
Opera en la banda libre de ISM 2.4 Ghz para conexiones
inalámbricas.

·             
Óptimo para redes de baja tasa de transferencia de
datos.

·             
Alojamiento de 16 bits a 64 bits de dirección
extendida.

·             
Reduce tiempos de espera en el envío y recepción
de paquetes.

·             
Detección de Energía (ED).

·             
Baja ciclo de trabajo – Proporciona larga duración de
la batería.

·             
Soporte para múltiples topologías de red:
Estática, dinámica,
estrella y malla.

·             
Hasta 65.000 nodos en una red.

·             
128-bit AES de cifrado – Provee conexiones seguras entre
dispositivos.

·             
Son más baratos y de construcción más
sencilla.

Desventajas

·             
La tasa de transferencia es muy baja.

·             
Solo manipula textos pequeños comparados con otras
tecnologías.

·             
Zigbee trabaja de manera que no puede ser compatible con
bluetooth en todos sus aspectos porque no llegan a tener las
mismas tasas de transferencia, ni la misma capacidad de soporte
para nodos.

·             
Tiene menor cobertura porque pertenece a redes
inalámbricas de tipo WPAN.

Estructura

Siguiendo el estándar del modelo de referencia OSI (8) (Open Systems
Interconnection), en el gráfico, aparece la estructura de la arquitectura en capas. Las
primeras dos capas, la física  y la de acceso al medio
MAC (9), son definidas por el estándar IEEE
802.15.4. Las capas superiores son definidas por la Alianza
ZigBee y corresponden a las capas de red y de aplicación las
cuales contienen los perfiles del uso, ajustes de la seguridad y
la mensajería.

Los cometidos principales de la capa de red son permitir
el correcto uso del subnivel MAC y ofrecer un interfaz adecuado
para su uso por parte del nivel inmediatamente superior. Sus
capacidades, incluyendo el ruteo, son las típicas de un
nivel de red clásico.

Por una parte, la entidad de datos crea y gestiona las
unidades de datos del nivel de red a partir del payload del nivel
de aplicación y realiza el ruteo en base a la topología de la red en la
que el dispositivo se encuentra. Por otra, las funciones de control del nivel
controlan la configuración de nuevos dispositivos y el
establecimiento de nuevas redes; puede decidir si un dispositivo
colindante pertenece a la red e identifica nuevos routers y
vecinos. El control puede detectar así mismo la presencia de
receptores, lo que posibilita la comunicación directa y la
sincronización a nivel MAC.

La trama general de operaciones (GOF) es una capa que
existe entre la de aplicaciones y el resto de capas. La GOF suele
cubrir varios elementos que son comunes a todos los dispositivos,
como el subdireccionamiento, los modos de direccionamientos y la
descripción de dispositivos,
como el tipo de dispositivo, potencia, modos de dormir y
coordinadores de cada uno. Utilizando un modelo, la GOF
especifica métodos, eventos, y formatos de datos que
son utilizados para constituir comandos y las respuestas a los
mismos.

La capa de aplicación es el más alto definido
por la especificación y, por tanto, la interfaz efectiva
entre el nodo ZigBee y sus usuarios. En él se ubican la
mayor parte de los componentes definidos por la
especificación: tanto los objetos de dispositivo ZigBee
(ZigBee device objects, ZDO) como sus procedimientos de control como
los objetos de aplicación que se encuentran
aquí.

Tipos de Dispositivos

Se definen tres tipos distintos de dispositivo ZigBee
según su papel en la red:

Coordinador ZigBee (ZigBee Coordinator, ZC): El
tipo de dispositivo más completo. Debe existir uno por red.
Sus funciones son las de encargarse de controlar la red y los
caminos que deben seguir los dispositivos para conectarse entre
ellos, requiere memoria y capacidad de computación.

Router ZigBee (ZigBee Router,
ZR):Interconecta dispositivos separados en la
topología de la red, además de ofrecer un nivel de
aplicación para la ejecución de código de
usuario.

Dispositivo final (ZigBee End Device, ZED):Posee
la funcionalidad necesaria para comunicarse con su nodo padre (el
coordinador o un router), pero no puede transmitir
información destinada a otros dispositivos. De esta forma,
este tipo de nodo puede estar dormido la mayor parte del tiempo,
aumentando la vida media de sus baterías. Un ZED tiene
requerimientos mínimos de memoria y es por tanto
significativamente más barato.

Funcionalidad

Basándose en su funcionalidad, puede plantearse una
segunda clasificación:

Dispositivo de funcionalidad completa
(FFD):También conocidos como nodo activo. Es capaz
de recibir mensajes en formato 802.15.4. Gracias a la memoria adicional y a la
capacidad de computar, puede funcionar como Coordinador o Router
ZigBee, o puede ser usado en dispositivos de red que actúen
de interfaces con los usuarios.

Dispositivo de funcionalidad reducida
(RFD):También conocido como nodo pasivo. Tiene
capacidad y funcionalidad limitadas con el objetivo de conseguir
un bajo coste y una gran simplicidad. Básicamente, son los
sensores/actuadores de la
red.

Un nodo ZigBee (tanto activo como pasivo) reduce su
consumo gracias a que puede permanecer dormido la mayor parte del
tiempo (incluso muchos días seguidos). Cuando se requiere su
uso, el nodo ZigBee es capaz de despertar en un tiempo
ínfimo, para volverse a dormir cuando deje de ser requerido.
Un nodo cualquiera despierta en aproximadamente 15 ms.
Además de este tiempo, se muestran otras medidas de tiempo
de funciones comunes:

·             
Nueva enumeración de los nodos esclavo (por parte del
coordinador): aproximadamente 30 ms.

·             
Acceso al canal entre un nodo activo y uno pasivo:
aproximadamente 15 ms.

Topología

La capa de red soporta múltiples configuraciones de
red incluyendo estrella, árbol, punto a punto y rejilla
(malla).

En la configuración en estrella, uno de los
dispositivos tipo FFD asume el rol de coordinador de red y es
responsable de inicializar y mantener los dispositivos en la red.
Todos los demás dispositivos zigbee, conocidos con el nombre
de dispositivos finales, hablan directamente con el
coordinador.

En la configuración de rejilla, el coordinador
ZigBee es responsable de inicializar la red y de elegir los
parámetros de la red, pero la red puede ser ampliada a
través del uso de routers ZigBee. El algoritmo de encaminamiento
utiliza un protocolo de pregunta-respuesta
(request-response) para eliminar las rutas que no sean
óptimas, La red final puede tener hasta 254 nodos.
Utilizando el direccionamiento local, se puede configurar una red
de más de 65000 nodos (216).

Para la topología punto a punto, existe un solo FFD
Coordinador. A diferencia con la topología estrella,
cualquier dispositivo puede comunicarse con otro siempre y cuando
estén en el mismo rango de alcance circundante. Las
aplicaciones orientadas para el monitoreo y control de procesos industriales, redes
de sensores inalámbricos, entre otros, son ampliamente
usados por estas redes. Proveen confiabilidad en el enrutamiento
de datos (multipath routing).

La topología de árbol es un caso especial de
topología  de conexión punto a punto, en la cual
muchos dispositivos son FFDs y los RFD pueden conectarse como un
nodo único al final de la red. Cualquiera de los FFDs
restantes pueden actuar como coordinadores y proveer servicios de
sincronización hacia otros dispositivos o
coordinadores.

Tipos de Tráfico de
Datos

ZigBee/IEEE 802.15.4  dirige tres tipos de
tráfico típicos:

1. Cuando el dato es periódico: La
aplicación dicta la proporción, el sensor se activa,
chequea los datos y luego desactiva. 

 2. Cuando el dato es intermitente: La
aplicación, u otro estímulo, determina la
proporción, como en el caso de los detectores de humo. El
dispositivo necesita sólo conectarse a la red cuando la
comunicación se hace necesaria. Este tipo habilita el
ahorro óptimo en la
energía. 

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

Estrategias de
conexión de los dispositivos en una red Zigbee

Las redes ZigBee han sido diseñadas para conservar
la potencia en los nodos esclavos. De esta forma se consigue el
bajo consumo de potencia. La estrategia consiste en que,
durante mucho tiempo, un dispositivo esclavo está en modo
dormido, de tal forma que solo se despierta por una fracción
de segundo para confirmar que está vivo en la red de
dispositivos de la que forma parte. Esta transición del modo
dormido al modo despierto (modo en el que realmente transmite),
dura unos 15ms, y la enumeración de "esclavos" dura
alrededor de 30ms.

En las redes Zigbee, se pueden usar dos tipos de
entornos o sistemas:

Con balizas

Es un mecanismo de control del consumo de potencia en la
red. Permite a todos los dispositivos saber cuándo pueden
transmitir. En este modelo, los dos caminos de la red tienen un
distribuidor que se encarga de controlar el canal y dirigir las
transmisiones. Las balizas que dan nombre a este tipo de entorno,
se usan para poder sincronizar todos los
dispositivos que conforman la red, identificando la red domótica, y describiendo
la estructura de la "supertrama". Los intervalos de las balizas
son asignados por el coordinador de red y pueden variar desde los
15ms hasta los 4 minutos.

Este modo es más recomendable cuando el coordinador
de red trabaja con una batería. Los dispositivos que
conforman la red, escuchan a dicho coordinador durante el
"balizamiento" (envío de mensajes a todos los dispositivos
-broadcast-, entre 0,015 y 252 segundos). Un dispositivo que
quiera intervenir, lo primero que tendrá que hacer es
registrarse para el coordinador, y es entonces cuando mira si hay
mensajes para el. En el caso de que no haya mensajes, este
dispositivo vuelve a "dormir", y se despierta de acuerdo a un
horario que ha establecido previamente el coordinador. En cuanto
el coordinador termina el "balizamiento", vuelve a
"dormirse".

Sin balizas

Se usa el acceso múltiple al sistema Zigbee en una red punto a
punto cercano. En este tipo, cada dispositivo es autónomo,
pudiendo iniciar una conversación, en la cual los otros
pueden interferir. A veces, puede ocurrir que el dispositivo
destino puede no oír la petición, o que el canal
esté ocupado.

Este sistema se usa típicamente en los sistemas de
seguridad, en los cuales sus dispositivos (sensores, detectores
de movimiento o de rotura de
cristales), duermen prácticamente todo el tiempo (el
99,999%). Para que se les tenga en cuenta, estos elementos se
"despiertan" de forma regular para anunciar que siguen en la red.
Cuando se produce un evento (en el sistema será cuando se
detecta algo), el sensor "despierta" instantáneamente y
transmite la alarma correspondiente. Es en ese momento cuando el
coordinador de red, recibe el mensaje enviado por el sensor, y
activa la alarma correspondiente. En este caso, el coordinador de
red se alimenta de la red principal durante todo el
tiempo.

Comunicación y
descubrimiento dedispositivos

Para que los dispositivos que forman una aplicación
puedan comunicarse, deben utilizar un protocolo de
aplicación compartido. Estas convenciones se agrupan en
perfiles. Las decisiones de asociación se deciden en base a
la coincidencia entre identificadores de clusters de entrada y salida,
que son únicos en el contexto de un perfil dado y se asocian
a un flujo de datos de entrada o salida en un dispositivo; las
tablas de asociaciones mantienen los pares de identificadores
fuente y destino.

En base a la información disponible, el
descubrimiento de dispositivos puede adecuarse utilizando varios
métodos distintos. Si se conoce la dirección de red, se
pide la dirección IEEE utilizando unicast (10).
Sino es así, se pide por broadcast (11), y la
dirección IEEE forma parte de la respuesta. Los dispositivos
hoja (end devices) responden con la dirección propia
solicitada, mientras que routers y coordinadores envían
también las direcciones de todos los dispositivos asociados
a ellos.

Este protocolo extendido permite indagar acerca de
dispositivos dentro de una red y sus servicios ofrecidos a nodos
externos a la misma. Los endpoints pueden informar acerca de
estos servicios cuando el protocolo de descubrimiento dirige
mensajes a ellos. También pueden utilizarse servicios de
emparejamiento oferta–demanda.

Los identificadores de cluster favorecen la
asociación entre entidades complementarias por medio de
tablas de asociación, mantenidas en los coordinadores ZigBee
ya que estas tablas siempre han de estar disponibles en una red
(los coordinadores son, de entre todos los nodos, los que con
mayor seguridad dispondrán de una alimentación continua). Los backups a
estas tablas, de ser necesarios para la aplicación, han de
realizarse en niveles superiores. Por otra parte, el
establecimiento de asociaciones necesita que se haya formado un
enlace de comunicación; tras ello, se decide si adjuntar un
nuevo nodo a la red en base a la aplicación y las políticas de
seguridad.

Nada más establecerse la asociación pueden
iniciarse las comunicaciones. El direccionamiento directo utiliza
la dirección de radio y el número de endpoint; por su
parte, el indirecto necesita toda la información relevante
(dirección, endpoint, cluster y atributo) y la envía al
coordinador de la red, que mantiene esta información por
él y traduce sus peticiones de comunicación. Este
direccionamiento indirecto es especialmente útil para
favorecer el uso de dispositivos muy sencillos y minimizar el
almacenamiento interno necesario.
Además de estos dos métodos, se puede hacer broadcast a
todos los endpoints de un dispositivo, y direccionamiento de
grupos para comunicarse con
grupos de endpoints de uno o varios dispositivos
distintos.

Seguridad

La seguridad de las transmisiones y de los datos son
puntos clave en la tecnología ZigBee. ZigBee utiliza el
modelo de seguridad de la subcapa MAC IEEE 802.15.4, la cual
especifica 4 servicios de seguridad.

Control de accesos: El dispositivo mantiene una
lista de los dispositivos comprobados en la red.

Datos Encriptados: Los cuales usan una
encriptación con un código de 128 bits.

Integración de tramas: Protegen los datos de
ser modificados por otros.

Secuencias de refresco: Comprueban que las tramas
no han sido reemplazadas por otras. El controlador de red
comprueba estas tramas de refresco y su valor, para ver si son las
esperadas.

Modelo básico de seguridad.

Las claves son la base de la arquitectura de seguridad
y, como tal, su protección es fundamental para la integridad
del sistema. Las claves nunca deben transportarse utilizando un
canal inseguro, si bien existe una excepción momentánea
que se da en la fase inicial de la unión de un dispositivo
desconfigurado a una red. La red ZigBee debe tener particular
cuidado, pues una red ad hoc (12) puede ser accesible
físicamente a cualquier dispositivo externo y el entorno de
trabajo no se puede conocer de antemano. Las aplicaciones que se
ejecutan en concurrencia utilizando el mismo transceptor deben,
así mismo, confiar entre sí, ya que por motivos de
coste no se asume la existencia de un cortafuegos entre las
distintas entidades del nivel de aplicación.

Los distintos niveles definidos dentro de la pila de
protocolos no están separados criptográficamente, por
lo se necesitan políticas de acceso, que se asumen correctas
en su diseño. Este modelo de
confianza abierta (open trust) posibilita la compartición de
claves disminuyendo el coste de forma significativa. No obstante,
el nivel que genera una trama es siempre el responsable de su
seguridad. Todos los datos de las tramas del nivel de red han de
estar cifradas, ya que podría haber dispositivos maliciosos,
de forma que el tráfico no autorizado se previene de
raíz. De nuevo, la excepción es la transmisión de
la clave de red a un dispositivo nuevo, lo que dota a toda la red
de un nivel de seguridad único. También se posible
utilizar criptografía en enlaces
punto a punto.

Arquitectura de seguridad.

ZigBee utiliza claves de 128 bits en sus mecanismos de
seguridad. Una clave puede asociarse a una red (utilizable por
los niveles de ZigBee y el subnivel MAC) o a un enlace. Las
claves de enlace se establecen en base a una clave maestra que
controla la correspondencia entre claves de enlace. Como
mínimo la clave maestra inicial debe obtenerse por medios seguros (transporte o
preinstalación), ya que la seguridad de toda la red depende
de ella en última instancia. Los distintos servicios
usarán variaciones unidireccionales (one-way) de la clave de
enlace para evitar riesgos de
seguridad.

Es claro que la distribución de claves es
una de las funciones de seguridad más importantes. Una red
segura encarga a un dispositivo especial la distribución de
claves: el denominado centro de confianza (trust center). En un
caso ideal los dispositivos llevarán precargados de
fábrica la dirección del centro de confianza y la clave
maestra inicial. Si se permiten vulnerabilidades
momentáneas, se puede realizar el transporte como se ha
descrito. Las aplicaciones que no requieran un nivel
especialmente alto de seguridad utilizarán una clave enviada
por el centro de confianza a través del canal inseguro
transitorio.

Por tanto, el centro de confianza controla la clave de
red y la seguridad punto a punto. Un dispositivo sólo
aceptará conexiones que se originen con una clave enviada
por el centro de confianza, salvo en el caso de la clave maestra
inicial. La arquitectura de seguridad está distribuida entre
los distintos niveles de la siguiente manera:

El subnivel MAC puede llevar a cabo comunicaciones
fiables de un solo salto. En general, utiliza el nivel de
seguridad indicado por los niveles superiores.

El nivel de red gestiona el ruteo, procesando los
mensajes recibidos y pudiendo hacer broadcast de peticiones. Las
tramas salientes usarán la clave de enlace correspondiente
al ruteo realizado, si está disponible; en otro caso, se
usará la clave de red.

El nivel de aplicación ofrece servicios de
establecimiento de claves al ZDO y las aplicaciones, y es
responsable de la difusión de los cambios que se produzcan
en sus dispositivos a la red. Estos cambios podrían estar
provocados por los propios dispositivos (un cambio de estado sencillo) o en el
centro de confianza, que puede ordenar la eliminación de un
dispositivo de la red, por ejemplo. También encamina
peticiones de los dispositivos al centro de seguridad y propaga a
todos los dispositivos las renovaciones de la clave de red
realizadas por el centro. El ZDO mantiene las políticas de
seguridad del dispositivo.

Técnicas de
Modulación

Zigbee opera en dos bandas de frecuencia:

·             
2.4 GHz con tasa máxima de transferencia de 250 Kbps,
para este caso, modula en O-QPSK (Modulación con
desplazamiento de fase en cuadratura con desplazamiento
temporal).

·             
868-928 MHz para tasa de datos entre 20 y 40 Kbps, para
este otro, modula en BPSK (Modulación con
desplazamiento de fase binaria).

Modulación OQPSK (Offset Quadrature
Phase Shift Keying)

La modulación OQPSK consiste en realizar una
transición de fase en cada intervalo de
señalización de bits, por portadora en
cuadratura.

Modulación BPSK (Binary Phase Shift
Keying)

En esta modulación se tiene como resultados
posibles dos fases de salida para la portadora con una sola
frecuencia. Una fase de salida representa un 1 lógico y la
otra un 0 lógico. Conforme la señal digital de entrada
cambia de estado, la fase de la portadora de salida se desplaza
entre dos ángulos que están 180° fuera de
fase.

ZigBee y su espectro compartido con
WLAN

·             
Un canal entre 868MHz y 868.6MHz, Ch1 hasta
Ch10.

·             
Diez canales entre 902.0MHz y 928.0MHz, Ch1 hasta
Ch10.

·             
Dieciséis canales entre 2.4GHz y 2.4835GHz, Ch11 hasta
Ch26.

El estándar ZigBee especifica una sensibilidad en
el receptor de -85dBm en la banda de los 2.4GHz. Y un
sensibilidad de -92dBm en la banda 865/915MHz.

Aplicaciones

Los protocolos ZigBee están definidos para su uso
en aplicaciones embebidas con requerimientos muy bajos de
transmisión de datos y consumo energético. Se pretende
su uso en aplicaciones de propósito general con
características auto organizativas y bajo coste (redes en
malla, en concreto). Puede utilizarse para realizar control
industrial, albergar sensores empotrados, recolectar datos
médicos, ejercer labores de detección de humo o
intrusos o domótica. La red en su conjunto utilizará
una cantidad muy pequeña de energía de forma que cada
dispositivo individual pueda tener una autonomía de hasta 5
años antes de necesitar un recambio en su sistema de
alimentación.

Futuro del Zigbee

Se espera que los módulos ZigBee sean los
transmisores inalámbricos más baratos de la historia, y además producidos de forma
masiva. Tendrán un coste aproximado de alrededor de los 6
euros, y dispondrán de una antena integrada, control de
frecuencia y una pequeña batería. Ofrecerán una
solución tan económica porque la radio se puede fabricar con
muchos menos circuitos analógicos de los que se necesitan
habitualmente.

Conclusiones

Durante el desarrollo de esta investigación se ampliaron
los conocimientos acerca de las tecnologías
inalámbricas existentes y con mayor futuro dentro de las
comunicaciones en especial Zigbee. Es interesante conocer
más de cerca el tipo de aplicaciones reales a las que
próximamente nos vamos a dedicar en nuestra vida laboral. Esta investigación
fue dedicada a los usos más importantes y las aplicaciones
recientes, por lo tanto nos pareció interesante la investigación ya que
nos ayudó a comprender mejores aspectos técnicos que no
sabíamos que existían de la tecnología
inalámbrica Zigbee.

Zigbee a pesar que tiene muchas ventajas en sus
aplicaciones no es muy utilizada debido a que no está muy
introducido al mercado actual aunque ya tiene muchos años de
existir, también porque no tiene compatibilidad con
tecnologías actuales como bluetooth por ejemplo.

La primera impresión causo un acercamiento más
profundo a éste tipo de tecnologías, fue positivo de
acuerdo al objetivo marcado que era el de conocer desde este
momento el tipo de redes existentes y su funcionamiento. Se puede
concluir que el trabajo fue realizado sin
contratiempos y se espera que en un futuro se logre aprender
más a fondo cada una de las aplicaciones electrónicas
citadas en el texto.

Recomendaciones

·             
Zigbee está diseñado específicamente para
ser la solución a problemas inalámbricos
siendo una unidad pequeña capaz de proveer monitoreo remoto
inalámbrico a sensores y a unidades  simples de entrada
como controles de luces.

·             
ZigBee Alliance propone a Zigbee como el nuevo
estándar global para la automatización del hogar,
porque permite que las aplicaciones domóticas desarrolladas
por los fabricantes sean completamente interoperables entre
sí, garantizando así al cliente final fiabilidad,
control, seguridad y comodidad.

·             
ZigBee es un estándar abierto, permitiendo que
terceros mejoren la interoperabilidad entre dispositivos y las
características generales del estándar.

·             
Zigbee es una tecnología WPAN que tiene la habilidad
de formar una red de malla entre nodos permitiendo que el corto
alcance entre nodos individuales sea expandido y multiplicado,
cubriendo un área mayor.

·             
Esta nueva aplicación fue creada para cubrir la
necesidad del mercado de un sistema a bajo coste, un
estándar para redes Wireless de pequeños paquetes de
información, bajo consumo, seguro y fiable.

Referencias

(1)     Marca
Registrada por ZigBee Alliance.

(2)     IEEE
corresponde a las siglas de The Institute of Electrical and
Electronics Engineers, el Instituto de Ingenieros Eléctricos
y Electrónicos, una asociación técnico-profesional
mundial cuyo trabajo es promover la creatividad, el desarrollo y
la integración, compartir y
aplicar los avances en las tecnologías de la
información, electrónica y ciencias en general para
beneficio de la humanidad y de los mismos
profesionales.    –  http://es.wikipedia.org/wiki/Computer_Society

(3)     Bluetooth es
una especificación industrial para Redes Inalámbricas
de Área Personal (WPANs) que posibilita la transmisión
de voz y datos entre diferentes dispositivos mediante un enlace
por radiofrecuencia segura y globalmente libre (2,4
GHz.).

http://es.wikipedia.org/wiki/Bluetooth

(4)     El término
domótica proviene de la unión de las palabras domus
(que significa casa en latín) y tica (de automática,
palabra en griego, 'que funciona por sí sola'). Es el
conjunto de sistemas capaces de automatizar una vivienda,
aportando servicios de gestión energética, seguridad,
bienestar y comunicación, y que pueden estar integrados por
medio de redes interiores y exteriores de
comunicación.

http://es.wikipedia.org/wiki/Dom%C3%B3tica

(5)     Adams, Jon; Bob Heile
(2005-10).
Busy as a
ZigBee. [IEEE].
Compare with Other Technologies.
Bluetooth
SIG.

(6)     ISM
(Industrial, Scientific and Medical) son bandas reservadas
internacionalmente para uso no comercial de radiofrecuencia
electromagnética en areas industrial, científica y
médica.
-           
http://es.wikipedia.org/wiki/Banda_ISM

(7)     Es un protocolo
de control de redes de bajo nivel que permite que múltiples
estaciones utilicen un mismo medio de transmisión. Cada
equipo anuncia opcionalmente su intención de transmitir
antes de hacerlo para evitar colisiones entre los paquetes de
datos. En lugar de transmitir se espera un tiempo aleatorio
adicional corto y si, tras ese corto intervalo el medio sigue
libre, se procede a la transmisión reduciendo la probabilidad de colisiones en
el canal.

http://es.wikipedia.org/wiki/Carrier_sense_multiple_access_with_collision_avoid 
ance

(8)     El modelo de
referencia de Interconexión de Sistemas Abiertos (OSI, Open
System Interconnection) lanzado en 1984 fue el modelo de red
descriptivo creado por ISO; esto es, un marco de
referencia para la definición de arquitecturas de
interconexión de sistemas de comunicaciones.

http://es.wikipedia.org/wiki/Capa_de_aplicaci%C3%B3n#Capa_de_aplicaci.C3.B3n_.28Capa_7.29

(9)     Define la
subcapa de control de acceso al medio según el Modelo de
Referencia OSI.

http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Control_de_Acceso_al_Medio&redirect=no

(10) Es un envío de información desde un
único emisor a un único receptor.

http://es.wikipedia.org/wiki/Unicast

(11)      
Broadcast, en castellano difusión, es un
modo de transmisión de información donde un nodo emisor
envía información a una multitud de nodos receptores de
manera simultánea, sin necesidad de reproducir la misma
transmisión nodo por nodo.

        
http://es.wikipedia.org/wiki/Broadcast_(Sobre_IP)

(12)       En
redes de comunicación, dicha expresión hace referencia
a una red (especialmente inalámbrica) en la que no hay un
nodo central, sino que todos los ordenadores están en
igualdad de condiciones. Ad
hoc es el modo más sencillo para el armado de una red.
Sólo se necesita contar con 2 placas o tarjetas de red inalámbricas
(de la misma tecnología).    - 
http://es.wikipedia.org/wiki/Ad_hoc

Bibliografía (Web grafía)

• ZigBee Alliance Web site
• El Zumbido de las Abejas, ZIGBEE
• 
  http://www.osiriszig.com/content.aspx?co=15&t=21&c=2
• Zigbee
• 
  http://www.casadomo.com/noticiasDetalle.aspx?c=28&id=2200
• ZigBee
• http://es.wikipedia.org/wiki/ZigBee
• ZigBee (especificación)
• http://es.wikipedia.org/wiki/ZigBee_(especificaci%C3%B3n)
• Comparing WLAN and ZigBee for embedded
  applications
• 
  http://rfdesign.com/next_generation_wireless/who-needs-zigbee/
• Architecture (Arquitectura)
• 
  http://www.tutorial-reports.com/wireless/zigbee/zigbee-architecture.php
• ZigBee Characteristics (Características
  Zigbee)
• 
  http://www.tutorial-reports.com/wireless/zigbee/zigbee-characterstics.php
• Network Model (Modelo de Red)
• 
  http://www.tutorial-reports.com/wireless/zigbee/zigbee-network-model.php
• Traffic Types (Tipos de Tráfico)
• 
  http://www.tutorial-reports.com/wireless/zigbee/zigbee-traffic-types.php
• ZigbeeCongresoNov2006_UFT (PDF) – Experimento
  Realizado
• 
  http://hispabyte.net/foro/index.php?action=dlattach;topic=19490.0;attach=578
• BlueTooth_Zigbee (PDF)
• 
  http://www.acis.org.co/memorias/JornadasTelematica/IIJNT/BlueTooth_Zigbee.pdf

Anexos

Experimento Realizado

Elementos Utilizados:

-   Dispositivo Linksys IEEE 802.11g Acces
Point (AP).

– Dos Laptops Dell Latitude D600 con una Maxstream
XBee-PRO USB RF módems (ZigBee)
usando antenas de omnidireccionales de
15cm o tarjetas interfaces Bluetooth y
otra laptop similar con su respectiva tarjeta interface IEEE
802.11g

El AP y el servidor fueron conectados a un
Switch Fast Ethernet, mientras la laptop con
la interfaz IEEE 802.11.g se colocó en una mesa de 80cm de
alto a 10.5m del AP, colocado a una altura de 2.5m en un
poste.

Tráfico

El tráfico fué generado usando el software “LANTrafficV2” con un
packet payload de 1460 bytes y un inter-packet delay de 1ms. Para
todas las pruebas 60.000 paquetes fueron
transferidos entre el IEEE 802.11g cliente y el servidor (PC
Server)

Se activó el modo de protección RTS/CTS
Handshaking en el AP Linksys _ Cuando un dispositivo quiere
comunicar datos, envía un Request to Send al nodo destino, y
espera por el Clear to Send message antes de transmitir cualquier
dato.

¿Para qué se utiliza?  Así se evita
la colisión de datos entre dispositivo ¿Desventaja?
Disminuye el throughput performance (desempeño
de procesamiento de
datos).

Resultado del desempeño de procesamiento

(Performance throughput of IEEE 802.11g cuando opera en
los Ch16 and Ch11)

Experimento 1

IEEE 802.11g usando el Canal 11 y Zigbee usando el Canal
11

En este experimento, los dispositivos bajo el
estándar IEEE 802.11g operan en el canal 11 frec 2462MHz,
mientras que el canal en los módems ZigBee opera en el canal
11 bajo la frec 2405MHz.

Tanto el Cliente IEEE 802.11g y los dos dispositivos
ZigBee fueron colocados como muestra la figura.

Resultado Experimento 1

IEEE 802.11g usando el Canal 11 y Zigbee usando el Canal
11

No hubo interferencia en el desempeño del cliente
IEEE 802.11g ni en el dispositivo ZigBee.

Luego, bajo las mismas condiciones del entorno, se hizo
un reemplazo con dispositivos Bluetooth, hubo un gran efecto en
el desempeño del cliente, en un promedio de caída de un
19% obteniéndose 7.9Mbps.

Experimento 2

IEEE 802.11g usando el Canal 6 y Zigbee usando el Canal
17

En este experimento, los canales de operación
fueron elegidos donde el espectro iba a coincidir con cada
dispositivo.

-Ch6 opera a 2437MHz – IEEE 802.11g AP

-Ch17 opera a 2435MHz – ZigBee device.

De acá se tomaron tres casos:

Caso 1: Tanto Cliente como ZigBee en el mismo
cubículo. (Idem Exp 1)

Caso 2: ZigBee device colocado en cubículo
R1 y otro en L1 (6m de separación entre ellos aprox.).
Cliente 802.11g en el cubículo de referencia.

Caso 3: Como el caso anterior, pero colocando los
ZigBee devices en R2 y L2 respectivamente (12m separación
aprox.).

Resultados Experimento 2

IEEE 802.11g usando el Canal 6 y Zigbee usando el Canal
17

No hubo cambios
significativos

Resultados Experimento 2

Ahora se reemplazará los dispositivos ZigBee por
Bluetooth.

Como era de esperarse, Bluetooth afecta enormemente el
performance del IEEE 802.11g Cliente y Viceversa.

Bluetooth también se ve afectado por la presencia
de IEEE 802.11g en sus proximidades de operación.

Experimento 3

Efecto en la señal Uplink desde el IEEE 802.11g AP
hacia el IEEE 802.11g Cliente

Disponer los dispositivos ZigBee y Bluetooth en las
proximidades del AP en vez del Cliente. – De ésta manera se
busca afectar el Uplink entre el WLAN AP y su Cliente.

Cliente en el cubículo de referencia, los
dispositivos interferentes colocados en diversas posiciones
alineados al AP en una mesa de 50cm de alto.

Experimento 4

IEEE 802.11g Weak Signal

Para simular una señal débil proveniente del
AP, se coloca a una distancia lejana al cliente. Colocándolo
(AP) detrás de un obstáculo que disminuyó
bruscamente la intensidad de la señal. El indicador del
software registró un nivel de -80dBm. Los dispositivos
ZigBee fueron colocados alrededor del mismo cubículo de
referencia, con el AP operando en Ch6 y el ZigBee en el
Ch17.

Autor:

Carlos Alberto Ortega Huembes

Deyanira del Socorro Roque

Leslie Eduardo Úbeda
Sequeira

leslieubeda[arroba]yahoo.com

Docente:   Ing. Israel M. Zamora N.

Managua, Nicaragua

28 de julio de 2008

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA

(UNI)

Trabajo de Técnicas de Alta
Frecuencia

TAF

Facultad de Electrotecnia y Computación, Universidad Nacional de Ingeniería
(UNI)

PO Box 5595, Managua, Nicaragua