Zigbee

Questões

1) Introdução

• Apresentar os conceitos básicos sobre a tecnologia

ZigBee é uma tecnologia global desenvolvida para atender aos requisitos específicos, como baixo custo e consumo de energia, presente em redes de sensores sem fio. O padrão se beneficia da especificação para rádio frequência IEEE 802.15.4 e opera em bandas que não requerem licença no mundo todo para transmissão de dados nas frequências de 2.400 a 2.484GHz, 902 a 928MHz e 868.0 a 868.6MHz. A especificação 802.15.4 foi desenvolvida pelo Instituto de Engenheiros de Elétrica e Eletrônica (IEEE). A especificação é um protocolo de rádio pacote que atende as necessidades de equipamentos de baixo custo alimentados por bateria. O protocolo permite a comunicação entre os dispositivos alimentados por baterias, que ao contrário das convencionais, têm autonomia para durar anos. O protocolo ZigBee possui todos os benefícios da especificação 802.15.4 adicionado de funcionalidades de conectividade de rede.

• Descrever os principais fornecedores/desenvolvedores

Ele é definido pela ZigBee Alliance: uma aliança de empresas de diferentes segmentos do mercado, como por exemplo: Motorola, Philips, Bosh, Analog Device, Freescale etc; 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).

• Apontar cronologia de evolução

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). 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, atualmente, 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”.

• Destacar pontos relevantes

• Longa duração das baterias • Baixo custo • Pequenos circuitos • Características apresentadas pela topologia em malha o E que possa suportar o custo de:  Baixa taxa de transferência

2) Funcionamento

• Explicar os princípios básicos de funcionamento

O ZigBee permite comunicações robustas e opera na freqüência ISM (Industrial, Scientific and Medical), sendo na Europa de 868 MHz (1 canal), 915 MHz (10 canais) nos Estados Unidos e 2,4 GHz (16 canais) em outras partes do mundo, e não requer licença para funcionamento. As Redes ZigBee oferecem uma excelente imunidade contra interferências, e a capacidade de hospedar milhares de dispositivos numa Rede (até que 65.000 por canal), com taxas de transferências de dados variando entre 20Kbps a 250Kbps. O Protocolo ZigBee é destinado a aplicações industriais, portanto, o fator velocidade não é crítico numa implementação ZigBee. Os módulos RF padrão ZigBee foram criados para economizar o máximo de energia. Com isso, é possível criar dispositivos sensores remotos alimentados com pilhas ou baterias comuns, que durarão meses ou mesmo anos sem precisarem ser substituídas. Isso porque, os módulos ZigBee quando não estão transmitindo/recebendo dados, entram num estado de dormência ou em "Sleep", consumindo o mínimo de energia.

• Mostrar o fluxo de uma transmissão/recepção

Uma estrutura importante para 802.15.4 é o reconhecimento (ACK) do quadro. Ele fornece feedback do receptor para o remetente, confirmando que o pacote foi recebido sem erro. O dispositivo leva vantagem de "tempo de silêncio " entre os quadros especificados para enviar um pacote de curto imediatamente após a transmissão de pacotes de dados. Um quadro de comando MAC fornece o mecanismo para controle e configuração remota de nós clientes. Um gerente de rede centralizada usa MAC para configurar quadros de clientes individuais "comando não importa quão grande rede. Finalmente, o quadro beacon acorda dispositivos de cliente, que ouça o seu endereço de e voltar a dormir se não recebê-la. Beacons são importantes para a malha de redes e árvore-cluster para manter todos os nós sincronizados sem a necessidade de consumir esses nós energia preciosa da bateria ouvindo por longos períodos de tempo.

• Desenhar topologia/arquitetura

Estrela

É uma das topologias de Rede ZigBee mais simples de serem implantadas, é composta de um nó Coordenador, e quantos nós End Device forem precisos. Este tipo de Rede deve ser instalada em locais com poucos obstáculos à transmissão e recepção dos sinais, como por exemplo, em uma sala sem muitas paredes ou locais abertos.

Figura : Representação de uma rede em estrela

Malha

A topologia em malha, também conhecida como peer-to-peer ou mesh, também tem apenas um coordenador PAN. Nessa topologia todos os dispositivos podem se comunicar entre si desde que estejam dentro dos alcances dos dois. Essa topologia pode ser considerada uma rede ad hoc, com capacidade de se auto-organizar e de se auto-estruturar: self-organizing e self-healing. Essa configuração permite também múltiplos caminhos ligando um dispositivo aos outros dispositivos da rede, de forma a permitir uma maior robustez na rede.

Figura : Representação de uma rede em malha

Árvore

Essa topologia pode ser exemplificada como um aglomerado de redes com topologia malha, ligados por um coordenador PAN, que ficará responsável pela rede. O coordenador PAN formará o primeiro cluster se estabelecendo como um coordenador do aglomerado (CLH - Cluster Head), estipulando um identificador para esse cluster (CID - Cluster Identifier), através da escolha de um identificador PAN (PID) ocioso. O dispositivo fará o broadcast do beacon frame, anunciando a existência da rede. Algum dispositivo que tenha recebido o beacon frame pode requisitar sua entrada na rede, no CLH em questão. Se o coordenador PAN permitir a entrada do novo dispositivo ele será adicionado como um novo dispositivo filho em sua listagem de vizinhos. Os dispositivos recém adicionados irão se estabelecer, e assim como seus “pais” enviarão beacon frames buscando novos candidatos a se juntarem a rede. O coordenador PAN pode instruir um dispositivo a se tornar o CLH de um novo aglomerado adjacente ao primeiro. A principal vantagem dessa estrutura em árvore é aumentar a área de cobertura, pagando o custo de aumentar o atraso da mensagem.

Figura: Representação de uma rede em árvore

• Detalhar elementos que fazem parte de todo o processo

• Apontar os protocolos e tipos de acesso envolvidos

Camadas de Protocolos A publicação do padrão IEEE 802.15.4, definiu interfaces com baixas taxas de transmissão (menores que 250Kbps) e estabeleceu uma estrutura de rede que incorpora os conceitos de redes ad hoc, características de conexão em malha e em multi-hop (múltiplos saltos). Adicionalmente, novos algoritmos de segurança e perfis de aplicação foram definidos objetivando garantir a segurança e a perfeita interação entre os diversos equipamentos.

Figura - Camadas de protocolos ZigBee

A camada física (PHY) foi projetada para acomodar as necessidades de interfaces de baixo custo, permitindo níveis elevados de integração. O uso da técnica de transmissão de Seqüência Direta (DSS) permite que os equipamentos sejam muito simples, possibilitando implementações mais baratas.

A camada do Media Access Control (MAC) foi projetada para permitir topologias múltiplas com baixa complexidade, onde o gerenciamento 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 a necessidade de grandes quantidades de memória disponíveis, podendo controlar também um grande número de dispositivos sem a necessidade de colocá-los "em espera", como ocorre em algumas tecnologias sem fio.

A camada de rede foi projetada para possibilitar o crescimento da rede sem a necessidade de equipamentos de transmissão de potência mais elevada. A camada de rede também pode operar quantidades grandes de nós de rede com latências relativamente baixas.

A camada NWK utiliza um algoritmo que permite implementações da pilha de protocolos visando balancear os custos das unidades em aplicações específicas, o consumo das baterias, buscando produzir soluções com o perfil específico de custo-desempenho para a aplicação.

Exemplo diferença Zigbee e Bluetooth

3) Estágio atual

• Atualizar quanto ao momento que vive a tecnologia

Por ser uma tecnologia nova, a sua fase é de implementaçao no mercado ainda, pois ela saiu do campo academico a pouco tempo, por volta de 2006. E uma tecnologia promissora e com uma gama de aplicaçoes muito grande.

• Apontar eventuais problemas (tráfego, frequência, limitações, capacidade)

Apresenta baixas taxas de transmissao, utiliza faixa de frequencia aberta que pode gerar interferencias e ruidos

• Exemplificar com matérias de revistas, livros e internet

http://info.abril.com.br/noticias/blogs/semfio/redes/73960/

4) Características técnicas

Uma rede ZigBee pode consistir num máximo de 64770 nós, frente aos 8 nós máximos numa rede Bluetooth.

• Mostrar o espectro de frequência utilizado

Diferentes frequências de operação e taxa de dados: 868 MHz e 20Kbps; 915 MHz e 40Kbps; 2.4 GHz e 250 Kbps;

• Explicar sobre o tipo de modulação

Esse método propõe que sejam evitadas as colisões, de forma que os dispositivos esperam por um canal livre para transmitir. Dessa forma, quando um dispositivo deseja transmitir, ele primeiro deve "ouvir" o canal por um período pré-determinado de tempo. Caso o canal seja interpretado como livre o dispositivo pode transmitir. Caso o canal esteja ocupado, esse dispositivo irá fazer um backoff de um período de tempo, e reiniciar o processo após esse tempo.

• Apresentar os tipos de acesso. Ex: TDMA, FDMA , CDMA , etc

• DSSS (Direct Sequence Sread Spectrum), espalhamento espectral por seqüência direta. Nesta técnica uma seqüência pseudo aleatória de valores 1 e -1, numa freqüência mais elevada, é multiplicada ao sinal original, causando espalhamento da energia do sinal numa banda mais larga.
• CSMA / CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance). Quando um nó deseja fazer transmissão ele 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.
  

• Potência

O poder máximo da saída dos rádios é geralmente 0 dBm (1 mW).

• Alcance

Valor teórioco ate 1600 metros, mas para aspectos praticos ate 900 metros

• Consumo

5) Protocolos

• Apresentar os protocolos usados na comunicação entre os elementos

• Detalhar o formato dos protocolos

• Apontar as normas que regem este protocolo (RFC, por exemplo)

Padrão 802.15.4

• Definir o órgão que coordena esta normatização

IEE, e zigbee alliance

• Identificar endereço de consulta à norma

http://www.zigbee.org/Specifications/ZigBee/Overview.aspx http://standards.ieee.org/getieee802/download/802.15.4d-2009.pdf

6) Serviços

• Descrever serviços básicos disponíveis. Ex: mensagem, dados, mobilidade IP

Dados periódicos, provenientes de sensores; Dados intermitentes, provenientes de interruptores e chaves; Dados provenientes de dispositivos repetitivos de baixa latência como, por exemplo, um mouse.

• Apresentar interação com Internet

nao

• Apontar serviços avançados disponíveis: Ex: LBS, segurança,

A segurança na camada MAC da tecnologia ZigBee protege os frames MAC transmitidos em um único salto na rede. Para saltos múltiplos, a segurança é feita nas camadas superiores (NWK e Aplicações). A segurança MAC utiliza o algoritmo AES (Advanced Encryption Standard) para criptografar e validar o dado que é enviado. A validação ou garantia de integridade do dado é feita por MIC (Message Integrity Code). Caso seja necessário utilizar segurança, um bit do cabeçalho MAC será setado. Com isso, é anexado ao frame o Cabeçalho Auxiliar de Segurança que determina o tipo de proteção utilizado (Security Control), o Contador de Frames (Frame Counter) que garante a sequência e autenticação dos dados e guarda referência da chave (Key Identifier) de 128 bits a ser utilizada para determinado nó.

• Citar outros serviços ou possíveis aplicações futuras.

• Exemplo pratico de um sistema em funcionamento

Controle Remoto - Controle liga/desliga de 10 pinos do XBee/XBee-Pro