RED29004-2014-2-Seminario-Zigbee

Tecnologias de rede(ZIGBEE E XBEE)

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.

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.

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, posteriormente foram definidos o padrão IEEE 802.15.4, o qual define as camadas MAC e PHY do Zigbee 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).

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

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.

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 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.

Topologias de rede

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. 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.

Estrutura das Mensagens ZigBee

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.