Cos'è la tecnologia ZigBee e come funziona?

Che cos'è ZigBee?

ZigBee è un protocollo di communicazione wireless ampiamente utilizzato nell'Internet delle cose (IoT) e nel Machine-to-machine (M2M). Lo scopo principale della creazione di una tecnologia wireless a bassa velocità è quello di ottenere dispositivi end-to-end a basso consumo. Lo standard wireless ZigBee si basa sullo standard IEEE 802.15.4 per le reti personali. Funziona in modalità spettro non licenziato delle bande 2,4 GHz, 900 MHz e 868 MHz. Oltre ad avere una bassa velocità, i dispositivi ZigBee hanno un consumo energetico ridotto, che li porta ad avere una lunga durata della batteria. È qui che i dispositivi ZigBee presentano i loro vantaggi rispetto a tecnologie wireless simili a corto raggio come Bluetooth e Wi-Fi. I dispositivi Wi-Fi e Bluetooth hanno una durata della batteria molto superiore a quella dei dispositivi ZigBee. Il raggio d'azione dei dispositivi ZigBee è compreso tra 10 e 100 m. La proposta di ZigBee è stata avanzata da un'alleanza nota come ZigBee Alliance, fondata nel 2002. Nel 2005 è stato annunciato ZigBee 1.0, una rete personale wireless (WPAN). Per quanto riguarda la sicurezza, ZigBee ha i suoi vantaggi rispetto ai suoi concorrenti come il Wi-Fi. Grazie a tutte queste promettenti caratteristiche, ZigBee è ampiamente utilizzato in molti settori e applicazioni e sta guadagnando enorme popolarità sul mercato.

Rete ZigBee

Prima di immergersi negli elementi essenziali della rete ZigBee, è opportuno identificare diversi tipi di nodi ZigBee. Ogni rete ZigBee ha almeno un coordinatore, alcuni router e molti dispositivi finali. Un coordinatore ha le seguenti caratteristiche:

• Non dovrebbe essere inattivo in nessuna situazione.
• Inizializza la rete selezionando il canale e l'ID PAN.
• Instrada i dati nella rete e consente ai router e ai dispositivi finali di unirsi alla rete.

Un router ha le seguenti caratteristiche:

• È obbligatorio che un router si unisca alla rete prima di trasmettere e ricevere dati.
• Instrada i dati nella rete
• Non dovrebbe essere inattivo

Un dispositivo finale presenta le seguenti caratteristiche:

• Può entrare in modalità sleep quando non trasmette dati.
• Può inviare e ricevere dati solo attraverso il suo genitore

Dopo aver identificato i componenti principali di una rete ZigBee, si discuteranno le varie topologie di rete in una rete ZigBee. Una rete ZigBee può essere realizzata utilizzando la topologia a stella, dove un coordinatore ZigBee è un controllo centrale. Questo nodo centrale raccoglie tutte le informazioni da tutti i nodi sensore collegati. La topologia ad albero è un'altra famosa topologia di rete ZigBee. Questa topologia segue la struttura ad albero, rami e foglie. Una rete ZigBee può essere realizzata anche con una topologia Mesh. Tuttavia, poiché solo i dispositivi finali sono in grado di dormire, le reti ZigBee non possono essere reali. Reti a maglie. Per questo motivo, per realizzare le reti Mesh viene utilizzato un protocollo noto come "DigiMesh".

Architettura ZigBee

L'architettura ZigBee è composta da cinque livelli principali. Essi sono (dal basso verso l'alto):

1. Livello fisico

Questo livello è definito dallo standard IEE 802.15.4 WPAN. La sua responsabilità principale è quella di controllare il ricetrasmettitore radio e di inviare commands e informazioni come pacchetti di dati tra i vari dispositivi.

2. Livello MAC (Medium Access Control)

Questo livello agisce come livello intermedio tra il livello di rete e il livello fisico. Il livello MAC è definito anche nello standard IEE 802.15.4 WPAN. È anche responsabile del trasferimento dei beacon frame per la sincronizzazione.

3. Livello di rete

Questo livello è definito nelle specifiche ZigBee. Gestisce tutte le operazioni di rete. Comprende:

• Impostazione della rete
• Collegamento e scollegamento del dispositivo finale
• Instradamento
• Configurazione del dispositivo

4. Sottostrato di supporto alle applicazioni

Questo livello fornisce servizi ai dispositivi finali per interagire con il livello di rete. Questi servizi sono forniti da Application Support Data Entity e Application Support Management Entity.

5. Livello di applicazione

È il livello finale e più alto dell'architettura ZigBee. Contiene le applicazioni utente e gli oggetti ZigBee Device Objects (ZDO). Gli ZDO sono responsabili della fornitura di un'interfaccia tra gli oggetti applicativi e il sottolivello Application Support nei dispositivi ZigBee. È inoltre responsabile del binding di nuovi dispositivi e della rimozione di quelli esistenti dalla rete.

Quando considerare ZigBee?

Prima di individuare i motivi per cui ZigBee sarebbe un ottimo candidato per la vostra applicazione di progettazione. Innanzitutto, consideriamo alcune delle specifiche ZigBee disponibili sul mercato. Esistono tre specifiche ZigBee principali, ovvero:

• ZigBee Pro: Fornisce una communicazione a basso consumo da dispositivo a dispositivo. Offre inoltre la nuova funzione di "Green Power", in cui i dispositivi autoalimentati sono incoraggiati dalla raccolta di energia.
• ZigBee RF4CE: si tratta di una specifica ZigBee semplice, in cui l'utente non ha bisogno della complessa funzionalità di rete Mesh dello standard ZigBee.
• ZigBee IP: questa specifica fornisce reti mesh wireless complete basate su IPv6.

ZigBee è ideale per le applicazioni che richiedono un basso consumo energetico, con un numero enorme di dispositivi interconnessi tra loro. ZigBee non è ideale per le applicazioni che richiedono un'elevata velocità di trasmissione dei dati ed è più adatto a distanze comprese tra 1 e 100 metri. È inoltre adatto per le applicazioni che richiedono un'elevata affidabilità. L'alta affidabilità si ottiene con la rete ZigBee Mesh. Un'altra caratteristica interessante della rete ZigBee Mesh è la sua capacità di auto-riparazione. Questa capacità di auto-guarigione può aiutare la rete a ripararsi automaticamente in base ai cambiamenti dell'ambiente. ZigBee è anche dotato di crittografia AES-128-CCM over-the-air per proteggere la communicazione.

Vantaggi e svantaggi di ZigBee

Confrontiamo ZigBee con le altre soluzioni WPAN IoT e M2M più ricercate del settore.

Applicazioni di ZigBee

ZigBee è utilizzato in diversi settori verticali e industriali del mondo moderno grazie al consumo energetico ridotto e alla crescente popolarità. ZigBee sta diventando sempre più popolare, in quanto ZigBee Alliance cresce di giorno in giorno rendendo interoperabili tra loro diversi dispositivi. Alcune delle principali aree applicative in cui ZigBee viene impiegato sono:

• Apparecchi intelligenti: Comprendono elettrodomestici intelligenti e dispositivi intelligenti per il monitoraggio della salute. Sono limitati a un determinato spazio personale in cui è necessario monitorare e controllare i dispositivi.
• Sistemi di illuminazione intelligente: Questi sistemi gestiscono le variazioni di illuminazione in un determinato spazio controllando la penetrazione della luce a distanza o utilizzando applicazioni interne.
• Sistemi di gestione intelligente dell'energia: Questi includono contatori intelligenti e dispositivi intelligenti di tracciamento solare che aiutano l'utente a monitorare e controllare importanti variabili nell'ambiente e nell'utility.
• Spazi commerciali intelligenti: I supermercati e i negozi al dettaglio intelligenti possono utilizzare sensori e dispositivi basati su ZigBee per gestire un sistema autonomo. Questi includono carrelli della spesa intelligenti e scaffali elettronici.
• Sistemi di parcheggio intelligenti: ZigBee può essere utilizzato per mantenere efficacemente un parcheggio per migliorare le esigenze degli utenti.

Conclusione

In conclusione, possiamo dire che ZigBee è un candidato ideale per le reti WPAN che richiedono bassa potenza e bassa velocità di trasmissione dati. Con il crescente numero di organizzazioni e industrie che aderiscono alla ZigBee Alliance, si tratta di una tecnologia promettente per il futuro.