| Zigbee | |
|---|---|
| Nivel (según el modelo OSI ) | a partir del canal (DLC) |
| Creado en | 2003 |
| Propósito del protocolo | Comunicación inalámbrica entre dispositivos de bajo consumo, con posibilidad de construir una topología de red mesh |
| Especificación | IEEE 802.15.4 |
| Desarrollador | Alianza Zigbee |
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Zigbee es una especificación de protocolos de red de nivel superior : el nivel de aplicación APS ( subcapa de soporte de aplicaciones ) y el nivel de red NWK, que utiliza servicios de nivel inferior: la capa de control de acceso a medios MAC y la capa física PHY , regulada por IEEE 802.15. 4 estándar . Zigbee e IEEE 802.15.4 describen redes de área personal inalámbricas (WPAN). La especificación Zigbee se enfoca en aplicaciones que requieren transmisión de datos segura garantizada a velocidades relativamente bajas y la posibilidad de operación a largo plazo de dispositivos de red desde fuentes de energía autónomas (baterías).
La característica principal de la tecnología Zigbee es que, con un bajo consumo de energía , admite no solo topologías de red simples (“ punto a punto ”, “ árbol ” y “ estrella ”), sino también una malla autoorganizada y autorreparable. (malla) topología con retransmisión y enrutamiento de mensajes. Además, la especificación Zigbee incluye la capacidad de seleccionar un algoritmo de enrutamiento según los requisitos de la aplicación y las condiciones de la red, un mecanismo de estandarización de aplicaciones: perfiles de aplicación, una biblioteca de clústeres estándar, puntos finales, enlaces, un mecanismo de seguridad flexible y también proporciona facilidad de implementación. , mantenimiento y actualizaciones.
Las principales áreas de aplicación de la tecnología Zigbee son las redes inalámbricas de sensores , la domótica ("Smart Home" y "Intelligent Building"), los equipos médicos, los sistemas de control y seguimiento industrial , así como la electrónica de consumo y los "periféricos" de los ordenadores personales.
La capacidad de autoorganización y autorreparación, la topología de malla, la seguridad, la alta inmunidad al ruido, el bajo consumo de energía y la ausencia de resolución de frecuencia hacen de la red Zigbee una base adecuada para una infraestructura inalámbrica de sistema de posicionamiento en tiempo real ( RTLS ).
Zigbee es un estándar para un conjunto de protocolos de comunicación de alto nivel que utiliza pequeños transceptores digitales de baja potencia basados en el estándar IEEE 802.15.4-2006 para redes de área personal inalámbricas, como auriculares inalámbricos conectados a teléfonos móviles a través de ondas de radio de onda corta. La tecnología viene definida por la especificación Zigbee, diseñada con la intención de ser más sencilla y económica que otras redes de área personal como Bluetooth . Zigbee está diseñado para aplicaciones de RF donde la vida útil prolongada de la batería y la seguridad de la red son esenciales.
Zigbee Alliance es el organismo que hace cumplir y publica los estándares Zigbee [1] y también publica perfiles de aplicaciones, lo que permite a los OEM crear productos interoperables. Lista actual de perfiles de aplicaciones publicados o en producción:
La colaboración entre IEEE 802.15.4 y Zigbee es similar a la de IEEE 802.11 y Wi-Fi Alliance . La especificación Zigbee 1.0 fue ratificada el 14 de diciembre de 2004 y está disponible para los miembros de la alianza Zigbee. El 30 de octubre de 2007, se publicó la especificación Zigbee 2007. El primer perfil de aplicación, Zigbee "Home Automation", se anunció el 2 de noviembre de 2007. Zigbee opera en bandas de radio industriales, científicas y médicas (banda ISM): 868 MHz en Europa, 915 MHz en EE. UU. y Australia, y 2,4 GHz en la mayoría de los países del mundo (en la mayoría de las jurisdicciones del mundo). Como regla general, se venden chips Zigbee, que son microcontroladores y radio combinados con tamaños de memoria Flash de 60 K a 128 K de fabricantes como Jennic JN5148, Freescale MC13213, Ember EM250, Texas Instruments CC2430, Samsung Electro-Mechanics ZBS240 y Atmel. ATmega128RFA1. El módulo de radio también se puede utilizar por separado con cualquier procesador y microcontrolador. Por lo general, los fabricantes de radio también ofrecen una pila de software Zigbee, aunque hay otras pilas independientes disponibles.
Debido a que Zigbee puede activarse (es decir, pasar de dormir a despertar) en 15 milisegundos o menos, la latencia de respuesta del dispositivo puede ser muy baja, especialmente en comparación con Bluetooth, donde la latencia de dormir a despertar generalmente alcanza los tres segundos. [2] Dado que Zigbee está en modo de suspensión la mayor parte del tiempo, el consumo de energía puede ser muy bajo, lo que resulta en una batería de larga duración.
La primera versión de la pila ahora se conoce como Zigbee 2004. La segunda versión de la pila se llama Zigbee 2006 y básicamente reemplaza el marco MSG/KVP utilizado en Zigbee 2004 junto con la "biblioteca de clúster". La pila de 2004 ahora está más o menos obsoleta. La implementación de Zigbee 2007 está actualmente vigente y contiene dos perfiles de pila, Stack Profile #1 (que simplemente se llama Zigbee) para uso doméstico y de pequeñas empresas, y Stack Profile #2 (que se llama Zigbee Pro). Zigbee Pro ofrece más funciones, como transmisión, enrutamiento de muchos a uno y fuerte seguridad de clave simétrica (SKKE), mientras que Zigbee (Perfil de pila n. ° 1) ocupa menos RAM y espacio Flash. Ambos perfiles le permiten implementar una red de malla completa y trabajar con todos los perfiles de aplicación de Zigbee.
Zigbee 2007 es totalmente compatible con los dispositivos Zigbee 2006. Un dispositivo Zigbee 2007 puede conectarse y funcionar con una red Zigbee 2006, y viceversa. Debido a las diferencias en las opciones de enrutamiento, los dispositivos Zigbee Pro solo pueden ser dispositivos finales de red Zigbee 2006 (ZED) y viceversa, los dispositivos Zigbee 2006 y Zigbee 2007 solo pueden ser dispositivos finales en una red Zigbee Pro. Al mismo tiempo, las aplicaciones que se ejecutan en dispositivos funcionan igual, independientemente de la implementación del perfil de pila.
Los protocolos Zigbee están diseñados para su uso en aplicaciones integradas que requieren bajas velocidades de datos y bajo consumo de energía. El propósito de la tecnología Zigbee es crear una red autoorganizada de bajo costo con una topología de malla diseñada para resolver una amplia gama de problemas. La red se puede utilizar en control industrial, sensores integrados, recopilación de datos médicos, alarmas de intrusión o humo, automatización de edificios y viviendas, etc. La red resultante consume muy poca energía: los dispositivos individuales, según la certificación Zigbee, permiten que las baterías de energía funcionen dos años [3] .
Áreas de aplicación típicas [4] :
Hay tres tipos diferentes de dispositivos Zigbee.
Los protocolos se basan en el algoritmo recientemente desarrollado AODV (Protocolo de enrutamiento dinámico para redes móviles ad-hoc (MANET) y otras redes inalámbricas) y NeuRFon, diseñado para formar redes ad-hoc (red inalámbrica descentralizada formada por suscriptores aleatorios) o nodos. En la mayoría de los casos, la red es un grupo de grupos. También puede tomar la forma de una red o un clúster solitario.
Actualmente, el protocolo Zigbee admite redes con o sin notificación de presencia (beacons). En redes con balizas deshabilitadas (donde el orden de las balizas es 15), se utiliza acceso múltiple por detección de portadora con prevención de colisiones ( CSMA/CA ). En este tipo de red, los enrutadores Zigbee suelen mantener sus receptores encendidos todo el tiempo, lo que requiere energía adicional. Sin embargo, esto permite la creación de redes heterogéneas, donde algunos dispositivos reciben datos constantemente, mientras que otros transmiten datos solo cuando es necesario. Un ejemplo típico de una red de este tipo es el control de luz inalámbrico: un nodo Zigbee conectado a una lámpara puede recibir una señal todo el tiempo porque (como la lámpara) está conectado a la red eléctrica mientras que el interruptor alimentado por batería permanece en modo de suspensión hasta que se apaga. el interruptor no cambió de estado. Cuando cambia el estado, el interruptor entra en modo activo, envía un comando a la lámpara, espera la confirmación y vuelve a dormir. En tales redes, el nodo de la lámpara debe ser al menos un enrutador Zigbee (ZR), si no un coordinador, un nodo de conmutación, generalmente un dispositivo final Zigbee (ZED).
En las redes de balizas, los nodos de red especiales, los enrutadores Zigbee, transmiten balizas periódicas para confirmar su presencia en otros nodos de la red. Los nodos pueden estar inactivos entre balizas, lo que reduce su ciclo de trabajo y aumenta la duración de la batería. Los intervalos de baliza pueden variar de 15,36 ms a 15,36 ms * 2 14 = 251,65824 s para 250 kbit/s, de 24 ms a 24 ms * 2 14 = 393,216 s para 40 kbit/s y de 48 ms a 48 ms * 2 14 = 786,432 s para 20 kbit/s. Sin embargo, el bajo ciclo de trabajo de las operaciones (señales) junto con los largos intervalos de baliza requiere una temporización precisa, lo que puede entrar en conflicto con el requisito de bajo costo del producto.
En general, los protocolos Zigbee reducen el tiempo de encendido de los transmisores de radio y reducen el consumo de energía. En las redes de balizas, los nodos solo necesitan estar activos mientras la baliza está transmitiendo. En las redes sin balizas, el consumo de energía es decididamente asimétrico, con algunos dispositivos siempre activos mientras que otros pasan la mayor parte del tiempo en modo de suspensión. Los dispositivos Zigbee deben cumplir con la red de área personal inalámbrica IEEE 802.15.4-2003 (excluyendo el perfil de "administración de energía" 2.0). El estándar define las capas inferiores del protocolo: la capa física (PHY) y la parte de control de acceso (MAC) del enlace a la capa de datos (DLL). Este estándar especifica el funcionamiento en la banda ISM de 2,4 GHz (frecuencia mundial sin licencia), 915 MHz (América) y 868 MHz (Europa). A 2,4 GHz, hay 16 canales Zigbee, cada canal requiere un ancho de banda de 5 MHz. La frecuencia fundamental para cada canal se puede calcular como FC = (2405 + 5 * (ch − 11)) MHz, donde ch = 11, 12, ..., 26.
Las radios utilizan modulación directa de banda ancha de espectro ensanchado, que está controlada por la tasa de bits en el modulador. La modulación por desplazamiento de fase binaria se utiliza en las bandas de 868 y 915 MHz, y la modulación por desplazamiento de fase en cuadratura desplazada, que transmite 2 bits por símbolo, se utiliza en la banda de 2,4 GHz. En su forma más pura, cuando se transmite por aire, la velocidad de datos es de 250 kbps para cada canal en la banda de 2,4 GHz, 40 kbps para cada canal en la banda de 915 MHz y 20 kbps para la banda de 868 MHz. La distancia de transmisión es de 10 a 75 metros y más de 1500 metros para Zigbee pro, aunque depende mucho del equipo individual. La potencia de salida máxima de la radio es básicamente 0dBm (1mW).
Modo básico de acceso al canal "control de frecuencia de la portadora, acceso múltiple/evitación de colisiones de tramas" ( CSMA/CA - protocolo de red probabilística del nivel del canal (MAC)). Es decir, antes de que los nodos comiencen a transmitir a lo largo de la ruta de intercambio de información humana, verifican brevemente que ninguno de ellos esté transmitiendo antes de comenzar el trabajo general. Hay tres excepciones notables a la operación de CSMA. Las balizas se envían dentro del intervalo de tiempo especificado y no se utiliza CSMA. Las confirmaciones de mensajes tampoco utilizan CSMA. Finalmente, los dispositivos en redes orientadas a balizas que tienen requisitos de bajo sigilo en tiempo real también pueden usar intervalos de tiempo garantizados, que por definición no usan CSMA.
Fundada en 2002 como un grupo de empresas que estandariza, mantiene y publica los estándares ZigBee [5] [6] .
El nombre Zigbee es una marca registrada de este grupo y no es el único estándar técnico. La organización publica el perfil de la aplicación, permite que muchos fabricantes de equipos originales (OEM) creen productos compatibles. La relación entre el estándar IEEE 802.15.4 y Zigbee [7] es similar a la que existe entre el estándar IEEE 802.11 y Wi-Fi Alliance .
El 3 de marzo de 2009, RF4CE (Radiofrecuencia para productos electrónicos de consumo) acordó trabajar con Zigbee Alliance para distribuir conjuntamente una especificación estandarizada para el control remoto de RF. El Zigbee RF4CE ha sido diseñado para un uso generalizado en productos de audio y video controlados de forma remota, como televisores y decodificadores. Esto promete muchas ventajas con respecto a las soluciones de control remoto existentes, incluidas mayores comunicaciones, mayor confiabilidad operativa, mayor capacidad y flexibilidad, compatibilidad y evitación de la barrera de la línea de visión [8] .
El software está diseñado para simplificar el proceso de construcción de microprocesadores pequeños y económicos. Los diseños de radio utilizados en Zigbee están cuidadosamente optimizados para lograr un precio bajo entre la gran cantidad de productos de esta línea. Hay varias etapas analógicas donde posiblemente se utilicen circuitos digitales.
Si bien los transmisores de radio en sí mismos son económicos, el proceso de calificación de Zigbee incluye una verificación completa de los requisitos de la capa física. Este ajuste fino detallado de la capa física tiene numerosas ventajas, ya que todos los módulos de radio derivados de este conjunto de elementos semiconductores tendrán las mismas características de RF. Por otro lado, si la capa física no está certificada, un mal funcionamiento puede reducir la duración de la batería en otros dispositivos incluidos en la red Zigbee. Donde otros protocolos pueden ocultar una baja sensibilidad u otros problemas ocultos, lo que resulta en una respuesta reducida distorsionada, las radios Zigbee tienen severas limitaciones de ingeniería con respecto a la fuente de alimentación y el ancho de banda. Por lo tanto, las radios son probadas por laboratorios certificados con las pautas del párrafo 6 de la norma 802.15.4-2006. Hay soluciones que combinan un microcontrolador y un transmisor de radio en un solo paquete, por ejemplo, los microcontroladores de la serie STM32W de STMicroelectronics .
La especificación Zigbee está disponible para el público en general bajo uso no comercial [9] . El nivel de entrada de membresía de la alianza Zigbee, llamado Adopter, brinda acceso a especificaciones aún por publicar y autoriza la creación de productos para el uso comercial de la especificación. El registro en el curso del uso de la especificación Zigbee requiere que el desarrollador comercial se una a la alianza Zigbee. "Ninguna parte de esta especificación puede usarse para fabricar productos o vender sin ser miembro de la alianza Zigbee". Existen conflictos de tarifas anuales con la Licencia pública general de GNU . De acuerdo con el párrafo 2-b: “Debe estar seguro de que cualquier trabajo que distribuya o publique, si todo o parte de ese trabajo contiene el programa o se deriva del programa o cualquier parte de él, todo ese trabajo debe ser licenciado en su totalidad. sin transferencia a terceros, según los términos de esta licencia. Dado que la licencia GPL no distingue entre uso comercial y no comercial, no es posible licenciar la pila Zigbee bajo la GPL o combinar la ejecución de Zigbee con el código con licencia GPL. El requisito de que un desarrollador se una a la alianza Zigbee también entra en conflicto con otras licencias de software libre [10] .
El uso de redes Zigbee en la Federación de Rusia en el rango de frecuencia de 2400–2483,5 MHz no requiere la obtención de permisos de frecuencia y aprobaciones adicionales [11] (Decisión del Comité Estatal de Radiofrecuencias del Ministerio de Información y Comunicaciones de Rusia de fecha 07.05 .2007 No. 07-20-03-001), las decisiones del Comité Estatal de Radiofrecuencias se actualizan constantemente, la decisión del 07.05.2007 No. 07-20-03-001 ha sufrido varios cambios durante mucho tiempo, pero el significado permanece casi lo mismo [12] .
El nombre de la marca proviene del comportamiento de las abejas después de regresar a la colmena.
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