RED29004-2014-2-Seminario-Zigbee

1 Introdução

O seguinte trabalho aborda brevemente conceitos de topologias 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 potência. 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.

2 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 de cada rede. Um desses padrões que recentemente vem ganhado destaque é o padrão Zigbee. Esse trabalho foi motivado devido a sua presença denro desse contexto. O desenvolvimento da tecnologia também é relacionado com o crescimento da participação da TI em novos setores, impulsionando o mercado de sensoriamento e controle

3 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.

3.1 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. As redes podem utilizar topologias em estrela, malha, árvore, ou mesmo uma topologia combinada.

Figura 1: Modelo de topologias simples de rede.

Na topologia em estrela existe um dispositivo central que controla toda a rede. Já na topologia em malha todos os dispositivos podem ajudar a gerir a rede. Enquanto que na topologia de árvore utiliza-se uma estratégia de encaminhamento hierárquico, comunicando o coordenador com os módulos de encaminhamento (routers) e estes com os dispositivos finais. Com a utilização dos routers que encaminham a informação é possível expandir a rede.

3.2 Padrões de Redes sem fio

3.2.1 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).

3.2.2 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 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.

3.2.3 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 Zigbee. 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).

4 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 de potência. 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:Camadas do protocolo

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) e o Framework para a camada de aplicação (AP). Nesta camada estão incluídas a subcamada de suporte aplicacional (APS), o objeto de dispositivo ZigBee (ZDO - ZigBee Device Object) e os objetos de aplicação (Aplication Objects).

4.1 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 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.
• Possibilidade de configurar diversos níveis de segurança.
• Permite o endereçamento automático dos dispositivos.
• Possibilidade de confirmação de mensagens.

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.

4.2 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, colisão onde serão estabelecidas comunicações com a camada física. Alem 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.

Figura 4: Quadros MAC e PHY.

4.3 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.

Figura 5: Forma de roteamento da rede.

4.4 Camada de Aplicação

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

Figura 6: Gateway ZigBee Ipv6.

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 ZigBee Endpoint, 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.

4.5 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.

Figura 7: Estrutura genérica de um pacote.

Figura 8: Tipos de pacotes.

4.6 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.

Figura 9: Tipos de mensagens.

4.7 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, filmes e músicas. Redes de Sensores Sem Fio - 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.

4.8 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).

Figura 10: Módulo XBee.

4.8.1 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.

4.9 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 wireless) operem na mesma região, necessitando de um projeto bem concebido para evitar transtornos inerentes a essas interferências.

Figura 11: Concorrência entre ZigBee e wifi.

5 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 e a entrada da tecnologia de sensoriamento e controle em diferentes setores, impulsionará o desenvolvimento de diferentes produtos que atendam as necessidades dos diferentes setores. Assim, a presença da TI e o uso do padrão Zigbee tende a crescer nos próximos anos, fomentando a qualificação de profissionais para atender a demanda do mercado.

6 Referências Bibliográficas

• De Matos, Guilherme Morávia Soares. Desenvolvendo aplicações para o mundo físico. Revista Fonte - TI para a Gestão Pública. Dezembro 2013. http://www.prodemge.mg.gov.br/revista-fonte Acesso em 15/10/2014.

• Zigbee - Uma Abordagem Prática. Mário Saleiro e Emanuel Ey. Universidade do Algarve. http://lusorobotica.com/ficheiros/Introducao_ao_Zigbee_-_por_msaleiro.pdf. Acesso em 20/09/2014.

• Zigbee - http://www.gta.ufrj.br/grad/10_1/zigbee/padrao.html. Acesso em 03/10/2014.

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

• Digi, Manual dos Módulos Xbee. http://ftp1.digi.com/support/documentation/90000976_V.pdf. Acesso em 18/10/2014.

• IPV6.br, Redes ZigBee e sua integração à Internet e redes IPv6. http://ipv6.br/zigbee-usa-agora-6lowpan-sua-proxima-lampada-tera-ipv6/, acesso em 18/10/2014.