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ZIGBEE E XBEE

As Redes de Sensores Sem Fio constituem uma tecnologia emergente, que vêm proporcionando um crescimento significativo das perspectivas industriais e científicas 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 rede

Dependendo dos requisitos pretendidos para a rede, existem várias topologias com o fim de acomodarem as exigências impostas. As redes podem utilizar topologias em estrela, malha, árvore, ou mesmo uma topologia combinada.

Na topologia em estrela existe um dispositivo central que controla toda a rede. Numa rede em malha todos os dispositivos podem ajudar a gerir a rede. Na topologia em arvore 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.

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 sem fios. A norma é aplicada aos mais variados tipos de rede dos quais se destacam as 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 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.

Protocolo ZigBee

O termo ZigBee designa um conjunto de especificações para a comunicação sem-fio entre dispositivos eletrônicos, com ênfase na baixa potência de operação, na baixa taxa de transmissão de dados e no baixo custo de implantação.

O protocolo ZigBee foi concebido para interligar pequenas unidades de coleta de dados e controle recorrendo a sinais de radiofreqüência. A tecnologia utilizada é comparável às redes Wi-Fi e Bluetooth e diferencia-se destas por desenvolver 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.

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).

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.

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, 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.

Camada NWK

Quanto à camada NWK (ZigBee), que é, hierarquicamente, 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.

Camada de Aplicação

A camada de aplicação ZigBee contém a sub-camada Application Support Sublayer (APS), o ZigBee Device Object (ZDO) e a Application Framework (AF). Esta camada tem a função de garantir uma gestão correta e um suporte fiável para as diversas aplicações. 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.

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.

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).

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.