ZigBee

Conectando de forma inteligente e eficiente

Vamos lá

Introdução

O ZigBee é um protocolo de conexão sem fio de dispositivos separados por uma curta distância relativa, muito usado em ocasiões as quais é preciso grande economia de energia (ou seja, dispositivos movidos a bateria), baixa latência, baixa transmissão de dados e baixo custo. O ZigBee usa sinais de rádio de baixas energias para conectar os dispositivos em malha, permitindo que todos eles sejam conectados entre si e através de vários caminhos, o que possibilita um compartilhamento de informações entre todos os nós em tempo real e de confiança. O protocolo ZigBee opera sobre as camadas de rede e de aplicação nos dispositivos que o implementam.

História

A história do ZigBee começa com a criação da ZigBee Alliance em 1997, uma associação de 8 empresas com o objetivo de projetar um protocolo de rede sem fio que fosse padrão em todos os dispositivos aos quais estivesse presente, possuindo capacidade de usar pouquíssima energia e sendo de alta confiabilidade e segurança. Surgiu a necessidade da criação do ZigBee porque as tecnologias até então usadas eram o Wi-Fi e o Bluetooth, que não satisfaziam ao mesmo tempo a necessidade de certas implementações de ter alta economia de energia e protocolos simples, ao mesmo tempo que uma maior distância e quantidade de conexões, aliado a uma baixa quantidade de dados transferidos ao longo da rede. Caso fosse usado o Wi-Fi, o consumo de energia seria muito grande, já que os protocolos são complexos e é uma tecnologia cara. Em contrapartida, o Bluetooth também gasta muita energia e é limitado a um pequeno número de aparelhos. Apesar de ambos possuírem uma taxa de transferência de dados muito maior que o ZigBee, os dispositivos discutidos seriam muito prejudicados pelas desvantagens do Wi-Fi e do Bluetooth, além de não se beneficiarem tanto de uma taxa de transferência de dados desnecessariamente elevada.

Arquitetura

As principais características do protocolo ZigBee incluem seu baixo custo de instalação e seu baixo consumo de energia, permitindo que muitos dispositivos sejam alimentados por pilhas. Sua escalabilidade é notável, aceitando até 65535 dispositivos conectados a um único dispositivo coordenador, graças ao espaço de endereçamento de 64 bits. Além disso, o ZigBee é reconhecido por sua facilidade de instalação e pela eficácia de sua comunicação com outros sistemas.

O padrão IEEE 802.15.4

Os padrões IEEE 802.15 foram criados pelo Institutos de Engenheiros Eletricistas e Eletônicos para fornecer as especificações das duas camadas mais baixas de redes de área pessoal sem fio (WPANs). Para o protocolo ZigBee, é utilizado o padrão IEEE 802.15.4, definido principalmente pelas baixas taxas de transmissão de dados e pela otimização no consumo de energia.

Divisão da Arquitetura

O protocolo ZigBee é dividido em 5 camadas:

Camada Física (PHY)

A Camada Física (PHY) é responsável, primordialmente, pelo envio e recebimento dos dados do meio externo. Para isso, faz uso de 27 canais divididos entre 3 bandas de frequência. Utiliza a Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS), uma técnica de modulação que espalha os dados em uma banda de frequência mais ampla, diminuindo a chance de interferências no sinal.


Regiões do Mundo Banda de Frequência Número de Canais Técnica de Modulação Taxa de Transmissão de Dados
Europa 868-870 MHz 1 BPSK 20 kb/s
Estados Unidos 902-928 MHz 10 BPSK 40 kb/s
Resto do Mundo 2,4 - 2,4835 GHz 16 O-QPSK 250 kb/s

Camada MAC

A Camada de Acesso (MAC) faz a interface entre a PHY e as camadas superiores, preparando os dados que serão transmitidos e interpretando os dados que são recebidos. Também faz o gerenciamento dos Beacons e do Guaranteed Time Slot (GTS), dependendo do modo de operação do dispositivo. O GTS funciona garantindo um determinado espaço de tempo, definido pelo dispositivo coordenador, para que cada um dos nós de uma rede saibam quando podem transmitir dados Existem dois modos de operação do dispositivo para transmissão de dados no protocolo ZigBee. No modo beacon, o coordenador da rede envia sinais periódicos, os beacons, os quais os outros dispositivos devem receber e, se necessário, enviar dados ao coordenador no seu slot de tempo designado, fazendo uso de um protocolo para evitar colisões na transmissão dos dados, o Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance (CSMA-CA). O CSMA-CA consiste no envio, por um nó, de um sinal de aviso por tempo suficiente para que todos os nós da rede o recebam, e, então, envia os dados. Se, durante o envio do sinal de aviso, um outro sinal de aviso for recebido, o nó interrompe sua tentativa, retomando-a após um período de tempo aleatório. Quando não estão esperando um beacon, os dispositivos podem entrar em “descanso”, economizando energia. Já no modo non-beacon, os dispositivos necessitam estar sempre ligados e, quando necessitam enviar dados para o controlador, aplicam o CSMA-CA para evitar colisões com outros dados e realizam o envio.

Camada de Rede

A Camada de Rede é responsável, no protocolo ZigBee, por inicializar a rede, configurar novos dispositivos, realizar cálculo do melhor caminho para um roteador e fornecer segurança para a rede.

Camada de Aplicação

Na Camada de Aplicação, é feita a interface entre a rede e o usuário. É aqui que são definidas a função lógica de um dispositivo e qual papel estará desempenhando, além das configurações específicas definidas pelo usuário.

⦁ Dispositivos na rede ZigBEE

Os dispositivos que compõem uma rede ZigBee podem ser classificados em dois tipos: os Full Function Device, ou FFD, e os Reduced Function Device, ou RFD. Os FFDs podem operar em quaisquer das três funções lógicas do padrão IEEE 802.15.4: coordenador, roteador e dispositivo final. Já os RFDs só operam em uma única função lógica, além de não serem capazes de se comunicarem com outros RFDs, apenas com FFDs, sendo empregados como pontos finais da rede e utilizando menos recursos e energia para funcionarem.


  • O coordenador

    Essa função lógica é o nó central de uma rede de área pessoal (PAN), sendo frequentemente alimentado diretamente na rede elétrica, e não por baterias. São sempre FFDs, e possuem como principal função criar uma nova PAN. Cada rede possui um único coordenador.


  • O roteador

    Os dispositivos no modo roteador também são FFDs e são usados em algumas topologias (formas de organizar a rede) para dar maior robustez à rede, recebendo e encaminhando os pacotes de dados de transitam na rede. Possuem uma tabela de roteamento, que pode ser atualizada em caso de queda de algum dos nós da rede, e são capazes de encontrar o menor caminho até o seu destino.


  • O dispositivo final

    São os nós finais das PAN. Por serem RFDs, se comunicam diretamente e apenas com um único outro nó, que deve ser um roteador ou coordenador. São frequentemente sensores, interruptores ou outros dispositivos mais simples, que gastam pouca energia e enviam uma quantidade baixa de dados.


Topologias de Rede

Existem várias maneiras de se instalar uma rede ZigBee, que variam dependendo de sua aplicação e de quais dispositivos pertencem a ela.


  • Topologia Estrela

    Possui um coordenador central ligado a todos os outros dispositivos, que se comunicam apenas com o coordenador.


  • Topologia em Malha

    Nessa topologia, os dispositivos podem se comunicar com qualquer outro que esteja em deu alcance, não apenas com o coordenador. Pode haver múltiplos caminhos entre os dispositivos da rede, permitindo a continuidade do funcionamento caso haja alguma falha em um dos nós.


  • Topologia em Árvore

    Podendo ser descrita como um aglomerado de malhas, a topologia em árvore consiste em conjuntos de dispositivos ligados a um nó central coordenador. É capaz de incluir um número maior de dispositivos ao aumentar a área de cobertura, mas sacrifica velocidade de comunicação entre dispositivos mais distantes.

ZigBee: construindo conexões confiáveis para um futuro inteligente.

Aplicações

Casas inteligentes

Na projeção de casas inteligentes, alguns aparelhos que enviam e recebem um volume baixo de dados, como lâmpadas, termostatos e sistemas de segurança, podem ser interligados através de uma rede ZigBee, permitindo a comunicação entre eles com baixo consumo energético.

Hospitais e a área da saúde

Uma rede ZigBee pode ser usada em hospitais e casas de repouso para monitorar pacientes remotamente, seja periodicamente, em pacientes não críticos, seja em tempo real, em pacientes em estado crítico, emitindo alertas para a equipe médica caso haja alguma emergência e auxiliando no diagnóstico ao construir uma linha do tempo com os dados captados em um determinado período.

Automação industrial

A interligação entre sensores e controladores industriais, em, por exemplo, uma fábrica, pode ser feita por meio de uma rede ZigBee. Isso pode aumentar a produtividade das indústrias, quanto melhorar a segurança, permitindo a identificação de falhas em equipamentos críticos antes da ocorrência de um acidente.


Conclusão

De modo geral, o protocolo ZigBee ocupa um nicho importante no universo das redes de área pessoal sem fio (WPANs), se destacando por permitir uma integração entre um grande número de dispositivos mais simples e que transferem uma baixa quantidade de dados. Contudo, comparado a protocolos como o Bluetooth, ainda é muito menos utilizado e documentado. Porém com as recentes inovações e a popularização dos dispositivos inteligentes em casas, prédios e indústrias, por exemplo, o cenário está aberto para uma disseminação maior do protocolo.

Bibliografia

Perguntas aos Leitores!

Quais seriam as vantagens e desvantagens de uma rede ZigBee em relação a uma rede Bluetooth?

Uma rede ZigBee possui menor consumo energético, aceita mais dispositivos e possui menor latência, porém possui taxas de transferência menores.

Quais as três funções lógicas possíveis de dispositivos em uma rede ZigBee?

Coordenador, roteador e dispositivo final.

Quais as três topologias possíveis de uma rede ZigBee?

Estrela, árvore e malha.

Quantas e quais são as camadas de rede do protocolo ZigBee?

São 5 camadas: física, de acesso, de rede/segurança, de suporte à aplicação e de aplicação/perfil.

Quais são dois tipos de dispositivos que existem em uma rede ZigBee? Qual a diferença entre eles?

Existem os Full Function Devices (FFDs), que são capazes de desempenhar todas as três funções lógicas, e os Reduced Function Devices (RFDs), que são mais simples e só desempenham uma dessas funções.

Alunos

André Freitas Pacífico

Estudante de Engenharia de Computação e Informação

Caio Peixoto Galdino

Estudante de Engenharia de Computação e Informação

Natan Azevedo Gomes

Estudante de Engenharia de Computação e Informação