O que é a tecnologia ZigBee e como funciona?

O que é o ZigBee?

O ZigBee é um protocolo de comunicação sem fios amplamente utilizado na Internet das Coisas (IoT) e na comunicação máquina-a-máquina (M2M). O principal objetivo da criação de uma tecnologia sem fios de baixa velocidade é conseguir dispositivos de ponta a ponta de baixa potência. A norma sem fios ZigBee baseia-se na norma de rede de área pessoal IEEE 802.15.4. Funciona na espetro não licenciado das bandas 2.4 GHz, 900 MHz e 868 MHz. Para além de terem uma taxa baixa, os dispositivos ZigBee teriam um menor consumo de energia, o que os levaria a ter uma longa duração da bateria. É aqui que os dispositivos ZigBee teriam as suas vantagens em relação a tecnologias sem fios de curto alcance semelhantes, como Bluetooth e Wi-Fi. Uma vez que os dispositivos Wi-Fi e Bluetooth têm uma duração de bateria muito elevada em comparação com os dispositivos ZigBee. A gama de funcionamento dos dispositivos ZigBee varia entre 10 m e 100 m. A proposta para o ZigBee foi feita por uma aliança conhecida como ZigBee Alliance, criada por volta de 2002. Depois, em 2005, o ZigBee 1.0 foi anunciado como uma rede de área pessoal sem fios (WPAN). Quando se trata de questões de segurança, o ZigBee tem as suas próprias vantagens em relação aos seus concorrentes, como o Wi-Fi. Com todas estas caraterísticas promissoras, o ZigBee é amplamente utilizado em muitos sectores e aplicações verticais e está a ganhar enorme popularidade no mercado.

Rede ZigBee

Antes de mergulhar nos elementos essenciais da rede ZigBee, é importante identificar vários tipos de nós ZigBee. Cada rede ZigBee tem, pelo menos, um coordenador, alguns routers e muitos dispositivos finais. Um coordenador tem as seguintes caraterísticas:

• Não deve estar inativo em nenhuma situação
• Inicializa a rede selecionando o canal e o ID PAN
• Encaminha os dados na rede e permite que os routers e os dispositivos finais entrem na rede

Um router tem as seguintes caraterísticas:

• É obrigatório que um router se junte à rede antes de transmitir e receber dados
• Encaminha os dados na rede
• Não deve estar inativo

Um dispositivo final tem as seguintes caraterísticas:

• Pode entrar em modo de suspensão quando não está a transmitir dados
• Só pode enviar e receber dados através do seu pai

Agora que identificámos os principais componentes de uma rede ZigBee, vamos discutir as várias topologias de rede numa rede ZigBee. Uma rede ZigBee pode ser realizada utilizando a topologia em estrela, em que um coordenador ZigBee é um controlo central. Este nó central reuniria todas as informações de todos os nós sensores ligados. A topologia em árvore é outra topologia de rede ZigBee famosa. Esta topologia segue a estrutura de árvore, ramo e folha. Uma rede ZigBee também pode ser realizada utilizando uma topologia em malha. No entanto, uma vez que apenas os dispositivos finais são capazes de dormir, as redes ZigBee não podem ser reais Redes em malha. Por conseguinte, é utilizado um protocolo conhecido como "DigiMesh" para realizar redes Mesh.

Arquitetura ZigBee

A arquitetura ZigBee é constituída por cinco camadas principais. São elas (de baixo para cima):

1. Camada física

Esta camada está definida na norma IEE 802.15.4 WPAN Standard. A sua principal responsabilidade é controlar o transcetor de rádio e enviar commands e informações como pacotes de dados entre vários dispositivos.

2. Camada de controlo do acesso ao meio (MAC)

Esta camada actua como camada intermédia entre a camada de rede e a camada física. A camada MAC também é definida na norma WPAN IEE 802.15.4. É também responsável pela transferência dos quadros de sinalização para sincronização.

3. Camada de rede

Esta camada é definida na especificação ZigBee. Trata de todas as operações de rede. Isto inclui:

• Configuração de rede
• Ligação e desligamento do dispositivo final
• Encaminhamento
• Configuração do dispositivo

4. Subcamada de suporte da aplicação

Esta camada fornece serviços para os dispositivos finais interagirem com a camada de rede. Estes serviços são fornecidos pela entidade de dados de suporte da aplicação e pela entidade de gestão de suporte da aplicação.

5. Camada de aplicação

Esta é a camada final e superior da arquitetura ZigBee. Contém aplicações de utilizador e ZigBee Device Objects (ZDOs). Os ZDOs são responsáveis por fornecer uma interface entre os objectos da aplicação e a subcamada de suporte da aplicação nos dispositivos ZigBee. É também responsável pela ligação de novos dispositivos e pela remoção de dispositivos existentes da rede.

Quando considerar o ZigBee?

Antes de identificar por que razão o ZigBee seria um ótimo candidato para a sua aplicação de design. Em primeiro lugar, vamos considerar algumas das especificações ZigBee disponíveis no mercado. Existem três especificações principais do ZigBee, nomeadamente:

• ZigBee Pro: Fornece comunicação dispositivo-a-dispositivo de baixo consumo. Também oferece a nova funcionalidade "Green Power", em que os dispositivos auto-alimentados são incentivados pela recolha de energia.
• ZigBee RF4CE: Trata-se de uma especificação ZigBee simples, em que o utilizador não necessita da complexa capacidade de ligação em rede Mesh da norma ZigBee.
• ZigBee IP: Esta especificação fornece redes de malha totalmente sem fios baseadas em IPv6.

O ZigBee é ideal para aplicações que requerem um baixo consumo de energia, com um enorme número de dispositivos interligados entre si. O ZigBee não é ideal para aplicações que requerem taxas de dados elevadas e é mais adequado para distâncias entre 1 e 100 m. Também é adequado para aplicações que requerem uma elevada fiabilidade. A alta fiabilidade é alcançada pela rede ZigBee Mesh. Outra caraterística interessante da rede ZigBee Mesh é a sua capacidade de auto-cura. Esta capacidade de auto-regeneração pode ajudar a rede a reparar-se automaticamente com as alterações do ambiente. A rede ZigBee está também equipada com encriptação AES-128-CCM over-the-air para proteger a comunicação.

Vantagens e desvantagens do ZigBee

Vamos comparar o ZigBee com outras soluções IoT e M2M WPAN mais procuradas no sector.

Aplicações do ZigBee

O ZigBee é utilizado em diferentes sectores e indústrias no mundo moderno devido ao menor consumo de energia e à sua crescente popularidade. O ZigBee está a tornar-se cada vez mais popular, uma vez que a Aliança ZigBee está a crescer de dia para dia, tornando diferentes dispositivos interoperáveis entre si. Alguns dos principais domínios de aplicação em que o ZigBee é utilizado são

• Electrodomésticos inteligentes: Estes incluem electrodomésticos inteligentes e dispositivos inteligentes de monitorização da saúde. Estão limitados a um determinado espaço pessoal onde é necessário monitorizar e controlar os dispositivos.
• Sistemas de iluminação inteligentes: Estes sistemas permitem gerir as variações de iluminação num determinado espaço, controlando a penetração da luz à distância ou através de aplicações internas.
• Sistemas inteligentes de gestão da energia: Estes incluem contadores inteligentes e dispositivos inteligentes de seguimento solar que ajudam o utilizador a monitorizar e a controlar variáveis importantes no ambiente e no serviço público.
• Espaços comerciais inteligentes: Os supermercados e lojas de retalho inteligentes podem utilizar sensores e dispositivos baseados em ZigBee para operar um sistema autodidata. Estes incluem carrinhos de compras inteligentes e prateleiras electrónicas.
• Sistemas de estacionamento inteligentes: O ZigBee pode ser utilizado para manter eficazmente um espaço de estacionamento para melhorar as necessidades dos utilizadores.

Conclusão

Em conclusão, podemos dizer que o ZigBee é um candidato ideal para redes WPAN que requerem baixa potência e baixas taxas de dados. Com o número crescente de organizações e indústrias a aderir à ZigBee Alliance, esta é uma tecnologia promissora para o futuro.