Sistema Zigbee
Zigbee
ZigBee es el nombre de la especificación de un conjunto de protocolos de alto nivel de comunicación inalámbrica digital de bajo consumo, basada en el estándar IEEE 802,154 de redes inalámbricas de área personal (wireless personal area network, WPAN). Su objetivo son las aplicaciones que requieren comunicaciones de datos y maximización de la vida útil de sus baterías. Es un sistema robusto y eficiente donde se integran sensores, actuadores y concentradores, que satisface las necesidades de fiabilidad, autonomía, sencillez y ahorro energético.
En principio, el ámbito donde se prevé que esta tecnología cobre más fuerza es en la domótica; la razón de ello son diversas características que lo diferencian de otras tecnologías:
- Su bajo consumo.
- Su topología de red en malla.
- Su fácil integración (se pueden fabricar nodos con muy poca electrónica y a bajo
- coste).
- Sencillez de instalación.
- Fácilmente ampliable y escalable por su naturaleza inalámbrica.
Historia Zigbee
Las redes ZigBee se conciben hacia 1998, al tiempo que se vio que Wi-Fi y Bluetooth no serían soluciones válidas para todos los contextos.
- El estándar IEEE 802.15.4 se aprobó en mayo de 2003.
- La especificación se aprobó el 14 de diciembre de 2004.
- ZigBee Alliance a finales de 2005 contaba ya con más de 200 empresas.
- ZigBee se puso a disposición del público el 13 de junio de 2005.
- En diciembre de 2006 se publicó la actual revisión de la especificación.
- En noviembre de 2007 se publicó el perfil HOME AUTOMATION de la especificación.
Sistema Zigbee
ZigBee utiliza la banda ISM de 868 MHz en Europa, 915 en Estados Unidos y 2,4 GHz en todo el mundo. Sin embargo, a la hora de diseñar dispositivos, las empresas optan prácticamente siempre por la banda de 2,4 GHz, por ser libre en todo el mundo. El desarrollo de la tecnología se centra en la sencillez y el bajo coste frente a otras redes inalámbricas semejantes de la familia WPAN, como por ejemplo Bluetooth. El nodo ZigBee más completo requiere en teoría cerca del 10% del hardware de un nodo Bluetooth o Wi-Fi típico; esta cifra baja al 2% para los nodos más sencillos.
Una de las características de la red es que utiliza una cantidad muy pequeña de energía de forma que cada dispositivo individual pueda tener una autonomía de hasta 5 años. ZigBee tiene un consumo de 30 mA transmitiendo y de 3 uA en reposo. Este menor consumo se debe a que los elementos que componen un sistema ZigBee se quedan la mayor parte del tiempo dormidos.
Un nodo ZigBee (tanto activo como pasivo) reduce su consumo gracias a que puede permanecer dormido la mayor parte del tiempo (incluso días seguidos). Cuando se requiere su uso, el nodo ZigBee es capaz de despertar en un tiempo ínfimo, aproximadamente 15 ms, para volverse a dormir cuando deje de ser requerido. Der otra parte el sistema tiene una velocidad de hasta 250 kbps, suficiente para tareas destinadas a usos tales como la Domótica.
Las características principales del sistema son:
- Bajo consumo: los dispositivos consumen la energía mínima e imprescindible para las funciones asignadas. La lógica implementada hace que los dispositivos se «duerman» y «activen» en los momentos necesarios, además de «hablar» durante el tiempo necesario para transmitir la información garantizando así la eficiencia energética.
- Reducido tamaño: sus pequeñas dimensiones permiten la compatibilidad con la mayoría de instalaciones eléctricas, no necesitando la realización de obra. En gran número de instalaciones los dispositivos de control se colocarán en las cajas de registros o de mecanismos.
- Alto nivel de integración: dispone de diversidad de interfaces de comunicaciones (RS-232, USB, Ethernet e infrarrojos) que permiten una amplia capacidad de integración con otros sistemas y protocolos.
- Soporta red mallada (MESH): cada dispositivo puede ser enrutador-repetidor de la información de sus vecinos, con lo que el alcance de cada dispositivo se multiplica con el número de saltos realizados. La fiabilidad y seguridad del sistema aumenta debido a la diversidad de caminos posibles para realizar la comunicación de la información.
- Sencillez de instalación: no se necesita de conocimientos técnicos importantes para realizar su instalación. La asociación de los dispositivos se realiza de forma automática en el momento en que son encendidos.
- Fácilmente ampliable y escalable: se pueden ir añadiendo dispositivos al sistema a medida que las necesidades vayan creciendo debido a su naturaleza inalámbrica.
- Velocidades comprendidas entre 20 y 250 kbps.
- Rangos de alcance entre 10 a 100 m.
- Redes y nodos: una red ZigBee puede estar formada por hasta 65.535 nodos en subredes de 255 nodos.
- Diferentes tipos de topologías: estrella, punto a punto, malla, árbol.
- Agilidad de frecuencia: las redes cambian los canales en forma dinámica en caso de que se produzcan interferencias.
Topologías de red Zigbee
ZigBee permite tres topologías de red:
- Topología en estrella: el coordinador se sitúa en el centro.
- Topología en árbol: el coordinador será la raíz del árbol.
- Topología de malla: al menos uno de los nodos tendrá más de dos conexiones.
La topología más interesante de ZigBee es la topología de malla. Ésta permite que si un nodo del camino falla, pueda seguir la comunicación entre todos los demás nodos debido a que se rehacen todos los caminos. La gestión de los caminos es tarea del coordinador.
Clasificación de los dispositivos
Se definen tres tipos distintos de dispositivo ZigBee según su papel en la red:
- Coordinador ZigBee (ZigBee Coordinator, ZC). Es el dispositivo más completo y existe uno por red. Sus funciones son 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 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 principal (coordinador o router), pero no puede transmitir información destinada a otros dispositivos. 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. El ejemplo típico es un interruptor inalámbrico: un nodo en la lámpara puede estar recibiendo continuamente ya que está conectado a la red; por el contrario, el interruptor estaría dormido hasta que el mecanismo se activa.
Basándose en su funcionalidad, puede plantearse una segunda clasificación:
- Dispositivo de funcionalidad completa (FFD). También conocidos como nodo activo. Gracias a la memoria adicional y a la capacidad de procesar, 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 (RED). También conocido como nodo pasivo. Tiene capacidad y funcionalidad limitadas; son los sensores o actuadores de la red.
Protocolo
Los dispositivos ZigBee deben respetar el estándar de WPAN de baja tasa de transmisión IEEE 802.15.4-2003. Los protocolos se basan en investigaciones recientes sobre algoritmos de red para la construcción de redes ad-hoc de baja velocidad. La mayoría de redes grandes están pensadas para formar un cluster de clusters. También puede estructurarse en forma de malla o como un solo cluster. Los perfiles actuales de los protocolos soportan redes que utilicen o no balizado.
Tipos de entornos o sistemas
En las redes ZigBee, se pueden usar dos tipos de entornos:
Redes 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. Acceden al canal por medio de CSMA/CA. Los routers suelen estar activos todo el tiempo, por lo que requieren una alimentación estable en general. Esto permite redes heterogéneas en las que algunos dispositivos pueden estar transmitiendo todo el tiempo, mientras que otros sólo transmiten ante la presencia de estímulos externos.
Este sistema es el utilizado en los sistemas de seguridad, en los que sus dispositivos (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 (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.
Red con balizas. En este modelo, la red tiene 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. Los routers las generan periódicamente para confirmar su presencia a otros nodos. En las redes con balizas los nodos sólo necesitan estar despiertos mientras se transmiten las balizas (además de cuando se les asigna tiempo para transmitir).
Aplicaciones
Dentro de las aplicaciones domóticas, ZigBee presenta una amplia gama para la automatización de la mayoría de funciones del hogar.
Todo es gestionado por un mando a distancia y a través de pulsadores locales. Es una solución adecuada para el control de la iluminación (encendido, apagado y regulación) y la motorización de persiana de la estancia, de modo sencillo y cómodo, de forma independiente o agrupada para poder generar ambientes o escenas.
Todos los módulos, transmisores y receptores, mantienen su comunicación haciendo uso de la RF (radiofrecuencia) a 868,3 MHz, realizando sus transmisiones con un alto grado de codificación, lo que lo convierte en un sistema robusto frente a interferencias. Posteriormente se pueden ir añadiendo más aplicaciones en función de las necesidades soluciones tales como seguridad intrusión, seguridad técnica o aplicaciones de control multimedia.
Ventajas y desventajas
Ventajas
- Sistema descentralizado: es un sistema donde no se requiere una centralización de los dispositivos, ni a nivel físico, ni a nivel lógico.
- Fácil instalación: algunas de las aplicaciones las puede realizar el propio usuario.
- Flexible y modular: se puede realizar una pequeña instalación y después irla ampliando en función de las necesidades sin incurrir en obras ni en grandes costes. Se puede instalar tanto en vivienda nueva como en vivienda ya construida.
- Requisitos mínimos: para algunas aplicaciones, alimentación 220 y línea de telefónica o red de datos. La mayoría de los dispositivos ZigBee utilizan pequeñas baterías.
- Solución económica: los productos son asequibles a cualquier bolsillo.
- Sencillo de instalar y utilizar.
Desventajas
- La tasa de transferencia de datos es baja, sólo permite la transmisión de datos sencillos. No permite el envío de formatos tipo imágenes.
- Limitación en el uso: no es aconsejable su uso en aplicaciones donde se requiera un gran ancho de banda y transmisión ininterrumpida de datos.
- Dependencia del uso de baterías para el funcionamiento de la mayoría de dispositivos.
- Limitaciones en el alcance de la cobertura sin repetidores.