Universidad Católica de Cuenca

Sede Azogues

Unidad Académica Ingeniera en Sistemas,

Eléctrica y Electrónica

5 Año Facultad de Ingeniería Electrónica

COMUNICACIONES II

Freddy O. Rodríguez L.

11/10/2013

I. OBJETIVOS.

Investigar sobre ZigBee.

Analizar sus ventajas como desventajas. Diseñar un proyecto básico aplicado en Azogues.

II. MARCO TEORICO.

a) Introducción.

ZigBee ha sido desarrollado para satisfacer la creciente demanda de capacidad de red inalámbrica entre varios dispositivos de baja potencia, con pequeños transmisores en cada dispositivo, lo que permite la comunicación entre dispositivos a un ordenador central.

Los encargados de desarrollar el estándar necesario para llevar a cabo este sistema, es un grupo de trabajo llamado Alianza ZigBee (ZigBee Alliance) el cual está formado por varias industrias, sin fines de lucro, la mayoría de ellas fabricantes de semiconductores. La alianza de empresas está trabajando conjuntamente con IEEE para asegurar una integración, completa y operativa. Esta alianza en las cuales destacan empresas como Invensys, Mitsubishi, Philips y Motorota trabajan para crear un sistema estándar de comunicaciones, vía radio y bidireccional, para usarlo dentro de dispositivos de automatización hogareña (domótica), de edificios (inmótica), control industrial, periféricos de PC, sensores médicos, etc.

Fig.1 Logo Zigbee

Especificamente ZigBee es el nombre de la especificación de un conjunto de protocolos de alto nivel de comunicación inalámbrica para su utilización con radiodifusión digital 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 que requieren comunicaciones seguras con baja tasa de envío de datos y maximización de la vida útil de sus baterías, además de tratar de solucionar los problemas de interoperabilidad y costos de los protocolos propietarios en las aplicaciones de domótica (home automation).

b) Comparacion con Bluetooth.

Haciendo referencia a la diferencia de velocidades, Bluetooth se usa para aplicaciones con mayor carga de información para transmitir, como por ejemplo para teléfonos móviles e informática de hogar, tiene como objetivo acabar con el cableado entre los dispositivos que están muy cerca entre sí, por ejemplo, entre el teléfono móvil y un ordenador portátil o de escritorio o una impresora y una PC.

La velocidad de ZigBee se hace insuficiente para estas tareas, desviándolo a usos tales como la domótica, productos dependientes de baterías, artículos de juguetería y sensores médicos, en los cuales la transferencia de datos es menor. Éste último caso de utilización de ZigBee garantiza que será un medio idóneo para nuestro proyecto que se basa en la transmisión de datos a partir de medidas capturadas por parte de un conjunto de sensores.

c) Tabla comparativa:

Tabla 1. Comparacion con Bluetooth

d) Tipos de dispositivos en ZigBee:

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.

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.

Como ejemplo de aplicación en Domótica, en una habitación de la casa tendríamos diversos Dispositivos Finales (como un interruptor y una lámpara) y una red de interconexión realizada con Routers ZigBee y gobernada por el Coordinador.

e) 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 interfaz con los usuarios.

Dispositivo de funcionalidad reducida (RFD): También conocido como nodo pasivo. Tiene capacidad y funcionalidad limitadas (especificada en el estándar) 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.

f) Topologías de red soportadas por ZigBee:

En la topología en estrella, la cual se muestra en la siguiente Figura, todos los dispositivos en la red sólo pueden comunicarse con el coordinador PAN. Un caso típico en la formación de una red en estrella es que un dispositivo FDD programado para ser un coordinador PAN se activa y comienza a establecer su red. Lo primero que hace el coordinador PAN es seleccionar un identificador único el cual no es utilizado por cualquier otra red dentro del radio de cobertura de ese dispositivo, en otras palabras, se asegura que el identificador no sea utilizado por cualquier otra red cercana.

Topología de estrella:

Fig.2 Topología EstrellaEn una topología de punto a punto, cada dispositivo puede comunicarse directamente con cualquier otro dispositivo, si estos se encuentran lo suficientemente cerca como para establecer un vínculo de comunicación con éxito. Cualquier dispositivo FFD en una red de punto a punto puede tomar el papel de coordinador PAN, una forma de decidir cual dispositivo sera el coordinador PAN es tomar el primer dispositivo FFD que empiece una comunicación como coordinador PAN. En una red de punto a punto, todos los dispositivos que participan en la transmisión de mensajes son del tipo FFD, ya que los RFD nos son capaces del envío de mensajes, sin embargo los RFD pueden ser parte de la red y comunicarse sólo con un dispositivo en particular (un coordinador o un router) en la red.

Topología de malla:

Fig.3 Topología Malla

Una red punto a punto puede tomar diferente formas mediante la definición de las restricciones de los dispositivos que pueden comunicarse entre sí. Si no hay

ninguna restricción, la red punto a punto es conocida como una topología de malla. Otra forma de red punto a punto que ZigBee soporta es una topología de árbol. En este caso, un coordinador de ZigBee (coordinador del PAN), establece la red inicial. Los routers ZigBee son los encargados de formar las ramas y transmitir los mensajes. Los dispositivos finales ZigBee (ZigBee end devices) actúan como hojas del árbol y no participan en el enrutamiento de mensajes.

En la siguiente figura se muestra un ejemplo de cómo transmitir un mensaje puede ayudar a ampliar el alcance de la red e incluso esquivar las barreras que se presenten en el camino. Por ejemplo, el dispositivo A tiene que enviar un mensaje al dispositivo B, pero hay una barrera entre ellos que es difícil de penetrar para la señal. La topología de Árbol ayuda a transmitir el mensaje alrededor de la barrera y poder llegar dispositivo B.

Esto se conoce como salto múltiple (multihopping) debido a que un mensaje realiza saltos de un nodo a otro hasta llegar a su destino.

Topologia de árbol:

Fig.4 Topología Arbol

III. 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.

IV. 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.

V. 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.

VI. Proyecto usando ZigBee en la ciudad de Azogues.

Con los conocimientos obtenidos durante la investigación, una propuesta para realizar un proyecto con ZigBee optaría por la automatización del edificio de la Corte Suprema de Justicia en la ciudad de Azogues. Ya que esta en pleno proceso de remodelación ya con esta tecnología se puede hacer lo siguiente:

La ZigBee Alliance se unió a BACnet, el líder mundial de automatización de edificios y protocolo de red para la automatización de edificios, para apoyar plenamente BACnet a través de redes ZigBee Building Automation. Pronto será posible ampliar fácilmente sus sistemas de construcción basados en BACnet cable a nuevas áreas mediante el uso de productos ZigBee Building Automation inalámbricos.

Modernización del sistema - soluciones inalámbricas son ideales para espacios existentes, ya que eliminan la necesidad de eliminar los pisos, paredes o techos para acceder a productos de control.Las personas o procesos ya no tienen que trasladarse mientras que las actualizaciones están en marcha, lo que permite el acceso continuo a los laboratorios, almacenamiento sensibles, centros de salud y áreas de procesos críticos.

Reconfiguración del espacio - planos abiertos, áreas de usos múltiples o espacios temporales pueden ahora ser automatizadas. Conexiones inalámbricas y sensores se pueden mover fácilmente para adaptarse a las necesidades de los inquilinos o eventos de una sola vez. Salas de conferencias y exposiciones, almacenes y auditorios son sólo algunos ejemplos de espacios que hayan sido reestructurados con frecuencia para diferentes propósitos.

Restricciones estructurales - Edificios o zonas con hormigón, mármol y bloques de hormigón se pueden controlar sin cables. Espacios con atrios, techos altos, detalles históricos y otros elementos arquitectónicos únicos se pueden controlar de forma inalámbrica y sin necesidad de cableado costoso o preocuparse de dañar elementos arquitectónicos únicos.

Ambientes Sensibles - Las instalaciones tales como hospitales, museos, laboratorios y centros de datos a menudo materias casa que requieren de aire acondicionado muy preciso y estable, y son ideales para el control inalámbrico. Con la instalación no invasiva, productos de control inalámbricas hacen posible que estas áreas para rendir al máximo de su capacidad.

Además obtenemos los siguientes beneficios.

INTEROPERABLE

Se integra dispositivos de control y seguimiento para la iluminación, la seguridad, la ocupación, la detección de movimiento y comodidad

Permite a los sistemas de gestión de edificios existentes para ampliar para incluir sensores inalámbricos

La interoperabilidad entre una variedad de la construcción de dispositivos de automatización de los sistemas de gestión de edificios, independientemente del fabricante

ASEQUIBLE

Reduce los costes de ciclo de vida - Los espacios interiores que son reconfiguradas frecuentemente como oficina comercial o al por menor

pueden lograr ahorros significativos durante el ciclo de vida de la instalación, ya que se evitan los costos de recableado

Reduce el costo de adaptación al eliminar la necesidad de costosas nuevo cableado y las modificaciones a los edificios

Reduce el coste de integración en los sistemas existentes a través de la utilización de puertas de enlace ZigBee

Estándar abierto compatible con el mercado competitivo de productos múltiples que reduce el costo a través de los componentes compartidos

BACnet clúster túnel permite una perfecta integración en sistemas de gestión de edificios existentes

Fácil de instalar que las redes de cable

Soporte para productos OEM preconfigurados, "atornillar y encenderse" soluciones

Sin cables para tirar, lo que significa menos interrupciones a los arrendatarios de las instalaciones y ocupantes

Los costes se reducen aún más, eliminando costosas carreras de conductos / cables

MEJOR CONFORT INQUILINO

Los sensores se pueden mover fácilmente dentro de una zona de control para mejorar la detección de la temperatura, C02, los niveles de luz y humedad

Los sensores pueden ser añadidos fácilmente para proporcionar lecturas promedio de varios puntos dentro de las zonas para un mejor control y control de ocupación inquilino

CONFIABLE

Ningún punto único de fallo

Utiliza tecnología de "malla" que proporciona rutas redundantes de comunicación

No existe un alambre que se puede cortar y potencialmente causar una pérdida de una parte importante de la red

GRAN SOLUCIÓN PARA ENTORNOS sensitve

Las instalaciones tales como hospitales, museos, laboratorios, centros de datos a menudo los materiales de la casa que requieren acondicionamiento preciso y estable y monitoreo remoto

Estos espacios también se pueden controlar utilizando productos inalámbricos, sin la intrusión o interrupción.

Lograr un control preciso del medio ambiente y proporcionar gestión de datos al mismo tiempo

TECNOLOGÍA DE VANGUARDIA

Utiliza las tecnologías inalámbricas más recientes disponibles en la actualidad.

Permite a los propietarios de edificios para diferenciarse de la competencia.

INALÁMBRICO es una solución ecológica y sostenible

Reduce fundamentalmente sistemas eléctricos tubería requerida y / o de puntos LEED en las nuevas construcciones y los edificios existentes

Reduce el uso de materiales de fabricación costosas e intensivas en energía como el cobre

Reduce el uso de plásticos para el aislamiento de cableado

Proporciona dramáticos ahorros materiales. Por cada 10 millones de switches inalámbricos y sensores, ahorra:

50.000 millas de cable

3.000 toneladas de cobre

7.100 toneladas de PVC

CONCLUSIONES.

En la actualidad existen una gran cantidad de estándares que permiten todo

tipo de aplicaciones en el ámbito de las comunicaciones inalámbricas, las

mismas que permiten grandes tasas de transferencias de audio, video,

datos, etc. Sin embargo, estos estándares no son adecuados para

situaciones en las que se requiere de un bajo consumo de energía, para

ello se ha creado ZigBee.

La principal aplicación de ZigBee son los sistemas para redes domóticas,

pues ha sido creado para cubrir las necesidades del mercado en este

campo, sin embargo, ZigBee tiene amplias capacidades de desarrollo que

le permite ser utilizado en múltiples aplicaciones.

A pesar de lo prometedor que es ZigBee desde el lanzamiento de la última

especificación de ZigBee no se han formulado avances significativos lo que

ha llevado a que muchos piensen que ZigBee sólo quedará en teoría y que

todas las expectativas que habían para él queden en nada o en muy poco;

es por eso que muchos incluso han previsto la aparición de una nueva

tecnología, como por ejemplo Nokia, que junto con algunos proveedores de

tecnología han lanzado Wibree, que viene a ser una versión reducida de

Bluetooth, más barata, orientada a pequeños dispositivos con autonomía de

varios años.

VII. BIBLIOGRAFIA.

http://www.zigbee.org/Standards/ZigBeeBuildingAutomation/Overview.aspx

http://www.zigbee.org/Standards/ZigBeeBuildingAutomation/Features.aspx

http://www.zigbee.org/Home.aspx

www.seccperu.org/files/ ZigBee .pdf

http://www.taringa.net/posts/ciencia-educacion/11101078/Si-no-conoces-nada-de-Zigbee-

mejor-entra.html