TECNOLOGIA INALAMBRICA ZIGBEE

MARCELA PAEZ PEÑAJUAN ANDRES CASTIBLANCO

BRYAN RINCON

EDWAR JACINTO GOMEZ

UNIVERSIDAD PEDAGOGICA NACIONALDEPARTAMENTO DE TECNOLOGIASISTEMAS DE COMUNICAION III

TABLA DE CONTENIDO

1. QUE ES ZIGBEE? 2. TIPOS DE DISPOSITIVOS

2.1 TIPOS DE DISPOSITIVOS IEEE 802.15.4 2.2 Tipos de Dispositivos Zigbee

3. CARACTERISTICAS4. ARQUITECTURA

4.1 Capa física PHY (Physical Layer). 4.2 Capa de Enlace de Datos o MAC4.3 Capa de Red4.4 Capa de Soporte a la Aplicación o de Operaciones Generales 4.5 Capa de Aplicación.

5. EMPAQUETAMIENTO Y DIRECCIONAMIENTO5.1 Estructura de la Trama MAC5.2 Estructura de la trama de Datos5.3 Estructura de la Trama ACK5.4 Estructura de la Trama Baliza

6. TOPOLOGIAS6.1 Topología en Malla6.2 Topología en Árbol (Cluster Tree)6.3 Topología en Estrella

7. APLICACIONES8. CONCLUSIONES9. BIBLIOGRAFIA.

1. QUE ES ZIGBEE?

Ésta investigación aborda la tecnología inalámbrica ZigBee, basada en el estándar 802.15.4 que por su poca introducción al mercado no es muy conocida a pesar de que no es muy reciente (primera aprobación 2004). Esta tecnología comunica una serie de dispositivos haciendo que trabajen más eficiente entre sí.  Básicamente consta de un transmisor y un receptor que usa baja potencia para trabajar y tiene como objetivo las aplicaciones que requieren comunicaciones seguras con baja tasa de envío de datos y maximización de la vida útil de sus baterías. Es ideal para conexiones con diversos tipos de topología, lo que a su vez lo hace más seguro, barato y que no haya ninguna dificultad a la hora de su construcción porque es muy sencilla. ZigBee es un sistema ideal para redes domóticas, específicamente diseñado para reemplazar la proliferación de sensores/actuadores individuales.

El estándar ZigBee utiliza las especificaciones del estándar IEEE 802.15.4 referentes a la capa de acceso al medio (MAC) y la capa física (PHY). El estándar define tres bandas de frecuencia de operación: 2.4 GHz, 915 MHz y 868 MHz. Cada banda de frecuencia ofrece un determinado número de canales, la banda deFrecuencia de 2.4 GHz ofrece 16 canales (11-26), 915 MHz ofrece 10 canales (1- 10) y 868 MHz ofrece un canal (0).La tasa de transmisión de bits de este estándar depende de la frecuencia de operación..La máxima longitud de una trama IEEE 802.15.4 es de 127 bytes.BANDA FRECUENCIA DE LA

BANDATASA DE BIT

868 Mhz 868-868.6 Mhz 20Kb/S915 MHz 902-928 MHz 40 kb/s2.4 GHz 2.4-2.4835 GHz 250 kb/s

2. TIPOS DE DISPOSITIVOS

2.1 Tipos de Dispositivos IEEE 802.15.4

IEEE 802.15.4 define dos tipos de dispositivos. TIPO DE DISPOSITIVO

SERVIVIOS FUENTE DE ENERGIA

CONFIGURACION DEL RECEPTOR

Dispositivo de funciones

Mayoría o todos Alimentado por red

Encendido en modo pasivo

completas (FFD)Dispositivo de Funciones Reducidas(RFD)

Limitados Batería Apagado en modo pasivo

2.2 Tipos de Dispositivos ZigbeeSe enumeran tres tipos de dispositivos del estándar ZigBee, los cuales están en función de los dispositivos IEEE.DISPOSITIVOS DEL ESTANDAR ZIGBEE

TIPO DE DISPOSITIVO IEEE

FUNCION

Coordinador FFD Forma la red, distribuye las direcciones de red, mantiene la tabla de dispositivos de la red.

Ruteador FFD Extiende el rango de la Red físicamente. Permite que más nodos se unan a la Red. Puede también ejecutar monitoreo y/o control de funciones.

Final RFD Ejecuta monitoreo o control de funciones.

3. CARACTERISTICAS 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 energía, de ahí la longevidad de sus baterías Acceso de canal mediante CSMA/CA (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.

4. ARQUITECTURA

MODELO DE REFERENCIA ISO/OSILos estándares de comunicaciones de la IEEE 802 definen únicamente dos capas fundamentales del Sistema Abierto de Interconexiones OSI (Open System Interconnection) de la Organización Internacional de Normalización ISO (International Standard Organization), las cuales son:

4.1 Capa física PHY (Physical Layer). 4.2 Capa de Enlace de Datos o MAC

Las otras capas no se especifican en el estándar y son normalmente especificadas por el consorcio industrial formado por compañías interesadas en la fabricación y uso del estándar en particular.

En el caso de la IEEE 802.15.4, la Alianza ZigBee es una organización que dirige el desarrollo de las capas superiores, por medio de la definición del perfil de aplicación. Estos perfiles hacen uso de un modelo de referencia simplificado de cinco capas de la ISO/OSI. Figura 1

Figura 1. Modelo ISO-OSI y modelo del estándar IEEE 802

Para finalmente obtener esta estructura donde se puede ver las capas que

maneja el estándar 802.15.4 y las capas superiores que se le atribuyen a la zigbee Alliance.

4.1 Capa FísicaLa capa física (PHY) provee la interfaz con el medio físico donde ocurre la comunicación. La capa PHY es el primer componente del modelo ISO/OSI y se encarga de:

Control (activación, desactivación) de transmisor-receptor y actuadores.

Detección de energía (dependiendo del transmisor-receptor). Calidad del enlace. Asignación de canales. Selección de canales. Medición de variables. Transmisión y recepción de los paquetes de mensajes a través del

medio

4.1.1 Canales de Operación.Se especifica un total de 27 canales por medio de las tres bandas de frecuencia (figura 1). Los canales se enumeran desde 0 a 26 y se muestran en la Figura 2.

Figura 2. Estructura de canales zigbee

4.2 Capa de Enlace de Datos o MAC.La capa de enlace de datos del modelo ISO/OSI comprende la subcapa MAC (Medium Access Control), juntamente con la subcapa de Control de Enlace Lógico LLC (Logical Link Control). La capa MAC proporciona control

de acceso hacia el canal y confiabilidad en la entrega de datos. El estándar IEEE 802.15.4 usa el algoritmo de Acceso múltiple con un mecanismo que evita las colisiones de datos, CSMA/CA (Carrier Sense, Multiple Access/Collision Avoidance), el cual chequea la disponibilidad del canal antes de transmitir y así evitar colisiones con otros transmisores. También proporciona la ayuda para desarrollar tres tipos de topologías inalámbricas las cuales son: Topología en Estrella, Topología en Árbol (Cluster Tree), Topología en Malla.

La subcapa MAC se encarga de diversas funciones como son; Generación de tramas de acuse de recibo (acknowledgment frames), Asociación / disociación Control de seguridad.

4.3 Capa de RedLa capa de red (NWK) tiene como objetivo principal permitir el correcto uso del subnivel MAC y ofrecer una interfaz adecuada para su uso por parte de la capa de aplicación. En esta capa se brindan los métodos necesarios para: iniciar la red, unirse a la red, enrutar paquetes dirigidos a otros nodos en la red, proporcionar los medios para garantizar la entrega del paquete al destinatario final, filtrar paquetes recibidos, cifrarlos y autentificarlos. Cuando esta capa se encuentra cumpliendo la función de unir o separar dispositivos a través del controlador de red, implementa seguridad, y encamina tramas a sus respectivos destinos; además, la capa de red del controlador de red es responsable de crear una nueva red y asignar direcciones a los dispositivos de la misma.

4.4 Capa de Soporte a la Aplicación o de Operaciones Generales La siguiente capa es la de soporte a la aplicación que es el responsable de mantener el rol que el nodo juega en la red, filtrar paquetes a nivel de aplicación, mantener la relación de grupos y dispositivos con los que la aplicación interactúa y simplificar el envío de datos a los diferentes nodos de la red. La capa de Red y de soporte a la aplicación son definidas por la ZigBee Alliance.

4.5 Capa de Aplicación.En el nivel conceptual más alto se encuentra la capa de aplicación que no es otra cosa que la aplicación misma y de la que se encargan los fabricantes. Es en esta capa donde se encuentran los ZDO (ZigBee Device Objects) que se encargan de definir el papel del dispositivo en la red, si el actuará como coordinador, Ruteador o dispositivo final; la subcapa APS y los objetos de aplicación definidos por cada uno de los fabricantes.

5. EMPAQUETAMIENTO Y DIRECCIONAMIENTO

En ZigBee, el empaquetamiento se realiza en cuatro tipos diferentes de paquetes básicos, los cuales son: MAC, ACK, DATOS, baliza.

5.1 Estructura de la Trama MACLa estructura MAC del estándar IEEE 802.15.4 está diseñada de modo que refleje la simplicidad y flexibilidad del protocolo. La trama MAC, se utiliza para el control remoto y la configuración de dispositivos/nodos. Una red centralizada utiliza este tipo de paquetes para configurar la red a distancia.La trama MAC consta de tres partes: Cabecera de la trama (frame header): La cabecera MAC consta de un

campo de control de trama y un campo de direccionamiento. El campo de control de trama, especifica el tipo de trama, uso de seguridad y el formato y contenido del campo de dirección. El campo de direccionamiento contiene direcciones de origen o destino especificadas en el campo de control de trama.

Carga útil de la trama (frame payload): La carga útil de la trama contiene información sobre el tipo de trama y éste puede ser dividido en forma lógica para su uso para las capas superiores.

Pie de la trama (frame footer): El pie es en este caso el campo FCS (Frame Check Sequence) y sirve para verificar la integridad de las tramas MAC.

5.2 Estructura de la trama de DatosLa trama de datos es usada por la subcapa MAC para transmitir datos. Este tiene una carga de datos de hasta 104 bytes. La trama esta numerada para asegurar que todos los paquetes llegan a su destino. Un campo nos asegura que el paquete se ha recibido sin errores. Esta estructura aumenta la fiabilidad en condiciones complicadas de transmisión.

5.3 Estructura de la Trama ACK

También llamada paquete de reconocimiento, es dónde se realiza una realimentación desde el receptor al emisor, de esta manera se confirma que el paquete se ha recibido sin errores. Se puede incluir un tiempo de silencio entre tramas, para enviar un pequeño paquete después de la transmisión de cada paquete.

5.4 Estructura de la Trama BalizaEl paquete baliza se encarga de “despertar” los dispositivos que “escuchan” y luego vuelven a “dormirse” si no reciben nada más. Estos paquetes son importantes para mantener todos los dispositivos y los nodos sincronizados, sin tener que gastar una gran cantidad de batería estando todo el tiempo encendidos.

6. TOPOLOGIAS

6.1 Topología en EstrellaLa configuración de red en estrella consta de un coordinador (master) y uno o más dispositivos finales (nodos). En una red en estrella, todos los dispositivos finales se comunican únicamente con el coordinador. Si un dispositivo final necesita transferir datos a otro dispositivo final, este envía sus datos al coordinador. El coordinador selecciona y reenvía los datos al nodo destinatario.

6.2 Topología en Árbol (Cluster Tree)

En esta configuración, los dispositivos finales pueden unirse unos con otros por medio de coordinadores o ruteadores. Los ruteadores ofrecen dos funciones. Uno es el incremento del número de nodos que puedan estar en la red. La otra es la ampliación física del rango de alcance de la red. Con el ingreso de un ruteador, un dispositivo final no necesita estar a un rango determinado de radio del coordinador. Todos los mensajes en la topología en árbol se enrutarían a lo largo del árbol.

6.3 Topología en MallaUna red en malla es similar a la red ramas de árbol, excepto que los FFDs pueden comunicarse directamente con otros FFDs, lo que no ocurre en la topología anterior. La ventaja de esta topología es que puede reducirse la latencia e incrementarse la confiabilidad.

7. APLICACIONESZigBee se aplica al mercado en el que no se requiere que las tasas de transmisión sean altas, las cuales comprenden una amplia variedad de aplicaciones, las mismas están determinadas por unas 300 compañías que conforman la alianza ZigBee; un gran número de ellas se encuentra desarrollando productos que van desde electrodomésticos hasta teléfonos celulares, impulsando el área que les interesa respectivamente.Al usar esta tecnología no se tiene problemas en la instalación del cableado debido a que es una tecnología inalámbrica (por ejemplo en los

interruptores), teniendo la facilidad de cambiarlos de lugar sin problema alguno. Otra de las aplicaciones que ha tomado fuerza, es la de los sistemas de medición avanzada, medidores de agua, luz y gas que forman parte de una red con otros dispositivos como displays ubicados dentro de las casas, que pueden monitorear el consumo de energía, también pueden interactuar con electrodomésticos o cualquier otro sistema eléctrico como bombas de agua o calefacción, con la finalidad de aprovechar mejor la energía.

8. CONCLUSIONES

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.

9. BIBLIOGRAFIA

Página de Matriz Electrónica S.L.: Rabbit Semiconductor, INC lanza el kit de aplicación ZigBee/802.15.4 para el control inalámbrico embebido, económico y de bajo costo.

Página de Domótica.net: El zumbido de las abejas, ZigBee http://www.domotica.net/2716.html.

Página de Wikipedia: ZigBee http://es.wikipedia.org/wiki/ZigBee Página de Wikipedia: ZigBee http://es.wikipedia.org/wiki/ZigBee / IEEE

802_15_4 Página http://www.foxitsoftware.com El Estándar Inalámbrico ZigBee Valverde Rebaza Jorge Carlos

Universidad Nacional de Trujillo Trujillo – Perú – 2007 Pagina http://www.zigbee.org/ -