RED29004-2014-2-Seminario-Zigbee

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Introdução

O seguinte trabalho aborda brevemente conceitos de rede sem fio, dando ênfase para a tecnologia ZigBee. O padrão ZigBee possibilita comunicação sem fio entre dispositivos eletrônicos, e é utilizada pelo baixo custo de implantação e consumo de energia. Essa tecnologia se baseia no modelo OZI(Open Systems Interconnection) de rede segundo os padrões IEEE 802.15.4. Também abordamos algumas aplicações da tecnologia, por exemplo para automação residencial, sem contar as tecnologias onde se pode encontrar a tecnologia ZigBee e como funcionam seu protocolos de comunicação, os pacotes de dados e suas transmissões e todas as camadas com que ele trabalha.

Motivação

O sensoriamento e controle em diversos setores vem crescendo no mesmo ritmo das redes sem fio. Existem diversas tecnologias de rede sem fio e padrões definidos para atender as características dessas redes. Um desses padrões que recentemente vem ganhado destaque é o padrão Zigbee. Esse trabalho foi motivado devido a sua presença dentro desse contexto. O desenvolvimento da tecnologia, que também é relacionado com o crescimento da participação da TI em novos setores, impulsiona o setor com a demanda de novos produtos e profissionais qualificados para o desenvolvimento desses produtos.

Organização do Documento

A organização do documento foi feita de modo a apresentar inicialmente o contexto em que a tecnologia Zigbee está inserida, abordando em seguida características dessa tecnologia. As seções abordam os tipos de topologia da rede, a divisão em camadas, a estrutura das mensagens do protocolo e exemplos de uso. Também é abordado brevemente o módulo Xbee e sua configuração, que implementa o padrão Zigbee. Finalmente nas conclusões são colocadas as expectativas em função do uso dessa tecnologia nos diversos setores e a influência do desenvolvimento dessa tecnologia no mercado de trabalho.

Fundamentação Teórica

ZigBee é um padrão que foi definido por uma aliança de empresas de diferentes segmentos do mercado, chamada "ZigBee Alliance". Este protocolo foi projetado para permitir comunicação sem fio confiável, com baixo consumo de energia e baixas taxas de transmissão. Para implementar as camadas MAC (Medium Access Control) e PHY (Physical Layer) o ZigBee utiliza a definição IEEE 802.15.4, que opera em bandas de frequência livres. Esta tecnologia também pode ser utilizada para roteamento de dados, por exemplo, com vários módulos que funcionam com a tecnologia ZigBee podemos ampliar a área de alcance de um ponto a outro pra transferência desses dados.

Chips ZigBee são tipicamente integrado com rádios e com microcontroladores que têm entre 60-256 KB de memória flash . ZigBee opera nos (ISM) bandas de rádio industriais , científicas e médicas :

  • Automação e Controle Predial (Segurança, Controle de Acesso e Iluminação);
  • Controle Industrial (gerenciamento de ativos, controle de processos, etc.);
  • Periféricos para PC (Teclado, mouse e joystick);
  • Controle remoto de produtos eletrônicos;
  • Automação residencial e comercial;
  • Saúde Pessoal (Monitoração de pacientes, Acompanhamento de Exercício Físico).

Quanto as faixas de frequência de atuação:

  • 2.4 GHz na maioria das jurisdições em todo o mundo ;
  • 784 MHz na China ;
  • 868 MHz na Europa;
  • 915 MHz nos EUA e na Austrália;

As taxas de dados pode variar de 20 kbit / s ( 868 MHz ) da banda de 250 kbit / s ( 2,4 GHz ) .

Tecnologias de Redes sem fio

As Redes de Sensores Sem Fio (RSSF) fazem parte de uma tecnologia em expansão. Essa tecnologia vêm proporcionando uma mudança na estrutura de comunicação em diversos setores em todo o mundo. A capacidade de monitorar e controlar o ambiente, aliada a um baixo consumo de energia, permite a aplicação da tecnologia em diversos setores da sociedade. Assim, o uso de sensores sem fio com o objetivo de monitorar e controlar um determinado ambiente é uma forte tendência para os próximos anos.

Topologias de Redes sem fio

Dependendo das especificações da rede, existem várias topologias que podem ser empregadas com o fim de cumprirem as exigências do projeto. É a topologia de redes que descreve como as redes de computadores estão interligadas, tanto do ponto de vista físico, como o lógico. A topologia física representa como as redes estão conectadas (layout físico) e o meio de conexão dos dispositivos de redes. Já a topologia lógica refere-se à forma com que os nós se comunicam através dos meios de transmissão. Existem muitos tipos de topologia, mas vamos entrar em detalhes de apenas quatro ipos de topologias de redes(Figura 1):estrela, malha, árvore, ou mesmo uma topologia combinada(combinação entres as três anteriormente citadas).


ARVORE MALHA ESTRELA.jpg
Figura 1: Ideia de construção das topologias de rede(estrela, malha e árvore).


Estrela:Na topologia em estrela existe um dispositivo central que controla toda a rede, gerenciando a comunicação entre as estações.

Malha:Já na topologia em malha todos os dispositivos podem ajudar a gerir a rede, ou seja, há mais de uma conexão entre os dispositivos.

Árvore:Enquanto que na topologia de árvore é um equivalente a várias redes estrelas interligadas entre si através de seus nós centrais

Padrões de Redes sem fio

Norma IEEE 802

A norma IEEE 802 tem como objetivo fornecer as especificações para a camada física e de controle de acesso ao meio de uma rede. A norma é aplicada aos mais variados tipos de rede dos quais podemos citar os seguintes:
802.3- Ethernet 
802.11- Redes locais sem fios (WLAN).
802.15- Redes de área pessoal sem fios (WPAN).

Redes WPAN 802.15

A norma WPAN 802.15 define o padrão de rede de área pessoal sem fios, onde se prevê a ligação entre dispositivos distanciados até 300 metros. O padrão 802.15 existe para garantir as especificações de redes pessoais com baixa potência e custo reduzido. A norma 802.15.4 define uma rede de complexidade muito reduzida que funciona com baixa taxa de transmissão. Esta característica permite um consumo energético, reduzido permitindo que a bateria dure meses ou anos. O padrão IEEE 802.15.4 é a base para as especificações do protocolo ZigBee, estendendo ainda mais o padrão através do desenvolvimento de camadas superiores que não são definidas pelo 802.15.4.

Padrão ZigBee

O padrão Zigbee surgiu a partir do ano de 1998 quando a Motorola iniciou seus estudos em um tipo de rede de baixo consumo, levando em seguida a especificação do padrão IEEE 802.15.4, o qual define as camadas MAC e PHY do IEE 802.15.4. Posteriormente, com a definição das camadas que serviriam de base para o padrão Zigbee, algumas empresas uniram-se para pesquisar e desenvolver as camadas de rede, segurança e aplicação baseadas no padrão IEEE 802.15.4 a qual denominou-se Zigbee Aliancce. Após um período de pesquisas e desenvolvimento, foi apresentado em dezembro de 2004 o padrão Zigbee. O padrão IEEE 802.15.4 e o Zigbee surgiram com o intuito de suprir a falta de uma solução voltada às redes de sensores sem fio aplicadas às áreas indústria e residencial (Campos 2006).

Tecnologia ZigBee(XBee)

O termo ZigBee designa um conjunto de especificações para a comunicação sem-fio entre dispositivos eletrônicos, e é utilizada pelo baixo custo de implantação e consumo. O protocolo ZigBee foi criado para conectar pequenas unidades de coleta de dados e controle através de sinais de radiofrequência. A tecnologia utilizada é comparável às redes Wi-Fi e Bluetooth porém possui menor consumo, com um alcance reduzido. A comunicação entre dois pontos pode ser feita repetindo sucessivamente a mensagem pelas unidades existentes na rede até atingir o destino final. Todos os pontos da rede podem funcionar como retransmissores de informação.

A arquitetura do protocolo ZigBee é composta por camadas, havendo uma estrutura hierárquica. Cada entidade de serviço fornece uma interface para a camada superior. Apesar de o protocolo ZigBee se basear no modelo OSI (Open Systems Interconnection)que tem sete camadas, a arquitetura do protocolo ZigBee define apenas as camadas necessárias para atingir um conjunto de funcionalidades desejadas(Figura 2).

As duas camadas inferiores, a camada física (PHY) e a camada de controle de acesso ao meio (MAC), foram definidas pelas normas do protocolo IEEE 802.15.4. As restantes camadas de rede foram concebidas especificamente para o protocolo ZigBee. Tais camadas são a camada de rede (NWK-Network) e o Framework para a camada de aplicação (AP). Nesta camada estão incluídas a subcamada de suporte(APS), o objeto de dispositivo ZigBee (ZDO - ZigBee Device Object) e os objetos de aplicação (Aplication Objects).


CAMADAS ZIGBEE FS.jpg


Figura 2:Representação da colocação das camadas do protocolo ZigBee


Camada Física

A camada física segue o protocolo 802.15.4 sendo responsável por permitir a transmissão das unidades de dados. Esta transmissão é feita com base em ondas rádio.

O padrão IEE 802.15.4 especifica as seguintes características para a camada física:

  • Existência de 3 bandas de frequência contidas em 27 canais.
  • Define as modulações distribuídas nas 3 bandas de frequência.
  • Permite o endereçamento automático dos dispositivos.
  • Possibilidade de confirmação de mensagens.



BandasZB.PNG
Figura 3: Faixa de frequência com a respectiva atribuição de canais.



A camada física (PHY) provê uma interface entre a subcamada MAC e o canal do rádio, e oferece uma série de serviços e mecanismos de controle de nível físico essenciais para as camadas superiores da arquitetura. O serviço mais fundamental da camada física é a transmissão e a recepção de bits – os quais compõem uma PPDU (PHY Protocol Data Unit) – sobre um meio físico específico. A camada física implementa também a troca de dados com a sub-camada MAC.

Camada MAC

Essa camada tem a principal função de controlar o acesso aos canais RF. A camada MAC é responsável por todo o acesso à camada física para a transmissão e recepção de dados. Seus serviços permitem controlar o acesso ao meio utilizando mecanismos de prevenção onde serão estabelecidas comunicações com a camada física. Além disso é efetuado o sincronismo enviando periodicamente tramas Beacon, criando uma relação de vizinhança com os dispositivos adjacentes. Também possibilita a associação e dissociação de dispositivos e configuração de segurança.
A figura abaixo mostra os tipos de quadros das camadas MAC e PHY. Cada tipo de quadro foi concebido para objetivos específicos do protocolo.


ASSOCIACAO dE DIP.png
Figura 4: Características dos quadros MAC e PHY.

Camada NWK

A camada NWK (ZigBee), que é a primeira camada definida pela norma ZigBee, tem como responsabilidade a descoberta de novos dispositivos que possam passar a integrar a rede, armazenando as informações relativas aos mesmos, a atribuição dos endereços aos dispositivos membros da rede (apenas dos ZigBee Coordinators) e a monitoração das entradas e saídas de dispositivos da rede. É através desta camada que é feita a configuração de novos dispositivos e nela estão também definidos os mecanismos de descoberta de rotas e encaminhamento de informação (routing). Esta camada de rede é necessária para fornecer funcionalidades que garantam o correto funcionamento do MAC do IEEE 802.15.4 e também para fornecer um serviço adequado para fazer a interface com a camada de aplicação.


RoutingZB.png
Figura 5: Forma de roteamento da rede.

Camada de Aplicação

Esta camada tem a função de garantir uma gestão correta e um suporte fiável para as diversas aplicações.


A camada de aplicação ZigBee contém a sub-camada Application Support Sublayer (APS), o ZigBee Device Object (ZDO) e a Application Framework (AF). A Application Framework é responsável pela formatação das mensagens, multiplexação dos ZigBees que estão na borda da rede, e também pela segurança das aplicações. O ZigBee Device Object é responsável pela gestão e manutenção das especificações do perfil de funcionamento do dispositivo. Dentro destas especificações temos os tipos de dispositivos, as mensagens de aplicação e também a fragmentação de mensagens.

É na camada de aplicação que é feito o gateway entre redes de diferentes padrões, exigindo um maior processamento das informações nessa camada(Figura 6).

GatewayZB.png
Figura 6: Caminho percorrido pelos dados entre as camadas do Zigbee e Ipv6.

Estrutura das Mensagens ZigBee

A estrutura dos pacotes de dados da camada de aplicação é formada por campos que contém um byte delimitador de início de mensagem, dois bytes que definem o tamanho do pacote, um frame de dados e um byte com o checksum. Essa é uma estrutura genérica, dependendo do tipo de mensagem essa estrutura pode variar como pode ser visto na figura abaixo.

UARTDataFramePayload.PNG
Figura 7: Estrutura genérica de um pacote.


ExemplosFrames.PNG
Figura 8: Tipos de pacotes.

Tipos de Mensagens

O protocolo Zigbee define diferentes tipos de mensagens que são usadas para a comunicação entre os dispositivos da rede. As mensagens incluem pedidos de status, solicitação de transmissão, status de transmissão, comandos remotos entre outras. Abaixo é mostrada a tabela contendo os tipos de mensagens do protocolo.


Tabela API.PNG
Figura 9: Tipos de mensagens.

Usos do Protocolo ZigBee

O Protocolo ZigBee é destinado a aplicações embarcadas que exigem baixas taxas de dados e baixo consumo de energia. Onde os dispositivos devem ter alta autonomia, funcionando por meses sem renovação da fonte de energia. As áreas de aplicação típicas incluem:

Entretenimento doméstico e controle - Domótica, iluminação inteligente, controle de temperatura avançada, segurança, controle industrial, sensoriamento, coleta de dados médicos, alerta de eventos, automação predial. O padrão Zigbee é usado para aplicações para a Internet das Coisas, já que envolve o uso de tecnologias diversas como redes de sensores sem fio, com o objetivo de interagir com dispositivos conectados de qualquer local onde possua um ponto de acesso a internet.

Guilherme Morávia Soares de Matos, Doutor e Mestre em Tratamento da Informação Espacial, afirma que a arquitetura de aplicações de IoT envolve tecnologias como redes de sensores sem fio, protocolos ZigBee e IEEE 802.15.4 tecnologias que possibilitam a interação entre o mundo real e o mundo digital. Matos diz ainda que o uso de tais tecnologias irá promover uma crescente integração operacional com a TI devido ao emprego de sensores e controladores e a utilização de modelos de sistemas e processos típicos da TI tradicionais em sistemas de automação industrial.

Módulos XBee

Os módulos XBee são compostos, basicamente, por um microcontrolador e um transceptor. O microcontrolador contém o firmware com a implementação do protocolo ZigBee e a especificação do comportamento do dispositivo (Coordenador, Roteador ou Dispositivo Final).
MODULO XBEE IMAG.jpg
Figura 10: Módulo XBee.

Configurações do módulo XBee

Dentre os parâmetros configuráveis, destacam-se: nome do nó, endereço de destino, velocidade de comunicação (baud rate), comportamento dos pinos de entrada e saída, ID da rede, entre outros.

Cada dispositivo possui dois endereços, o MY (16 bits) e o Número Serial (64 bits). O MY é o endereço de rede, variável, e é distribuído automaticamente pelo coordenador assim que o nó entra na rede. Uma analogia interessante é associar o endereço MY com o endereço IP nas redes TCP/IP com DHCP, em que cada máquina recebe um endereço automaticamente. Já o Número Serial é único e invariável para cada dispositivo fabricado (semelhante ao endereço MAC das placas de rede Ethernet).

No parâmetro Channel ID, podemos escolher o canal de comunicação utilizado. Os parâmetros XBee Retries (RR) e o Node Discover Time (NT), correspondem, respectivamente, ao número de tentativas máximo que o módulo faz para enviar um dado e ao tempo máximo que o módulo procura por outros nós na rede em que se insere.

Os parâmetros na pasta Sleep Modes referen-se a opções de consumo energético. Nestes parâmetros são definidos os modos de Sleep do XBee de modo a minimizar o consumo energético. Além disso, pode-se ainda configurar o tempo durante o qual o módulo fica ativo antes de entrar no modo de Sleep selecionado.

Desvantagens do padrão Zigbee

Devido a banda de frequência ser concorrente com o padrão IEEE 802.11, podem existir interferências caso as duas redes(ZigBee e wifi) operem na mesma região, necessitando de um projeto bem concebido para evitar transtornos inerentes a essas interferências.


CanaisConcorrentesZB.PNG
Figura 11: Concorrência entre ZigBee e wifi.

Conclusão

Devido as especificações do padrão Zigbee e também ao crescente uso de tecnologias que envolvem redes sem fio, é previsível um aumento significativo no uso do padrão em diferentes setores. A forte tendência da IOT(Internet of Things) e a entrada da tecnologia de sensoriamento e controle em diferentes setores, tende a impulsionar o desenvolvimento de diferentes produtos que atendam as necessidades de diferentes setores. Assim, a presença da TI(Tecnologia da Informação) e o uso do padrão Zigbee tende a crescer nos próximos anos, fomentando a qualificação de profissionais para atender a demanda do mercado. Apesar das desvantagens do padrão referentes a baixa taxa de transmissão em comparação com tecnologias como bluetooth, o padrão vem ganhando espaço nas aplicações onde a baixa taxa de transmissão não inviabiliza a rede, porém essa característica de baixa taxa de transmissão é fundamental para a rede usufruir das vantagens do padrão referentes ao consumo reduzido de energia. A tecnologia definida pela especificação ZigBee destina-se a ser mais simples do que algumas redes sem fios pessoais ( WPANs ), tais como Bluetooth ou Wi - Fi .

Referências Bibliográficas

  • Monsignore, Ferdinando. Sensoriamento de ambiente utilizando o padrão Zigbee. Dissertação Escola de Engenharia da USP. 2007.