Atualmente trabalha como Engenheiro de Aplicação na Freescale Semicondutores.

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1 ZigBee Este tutorial apresenta o protocolo ZigBee, desenvolvido para para permitir comunicação sem fio confiável, com baixo consumo de energia e baixas taxas de transmissão para aplicações de monitoramento e controle. Renato Nogueira Frias Engenheiro de sistemas eletrônicos formado pela Escola Politécnica da Universidade de São Paulo em Atualmente trabalha como Engenheiro de Aplicação na Freescale Semicondutores. renato.f@freescale.com Categoria: Telefonia Celular Nível: Introdutório Enfoque: Técnico Duração: 20 minutos Publicado em: 27/12/2004 1

2 ZigBee: O que é O que é ZigBee? ZigBee é um padrão que será definido por uma aliança de empresas de diferentes segmentos do mercado, chamada "ZigBee Alliance". Este protocolo está sendo projetado para permitir comunicação sem fio confiável, com baixo consumo de energia e baixas taxas de transmissão para aplicações de monitoramento e controle. Para implementar as camadas MAC (Medium Access Control) e PHY (Physical Layer) o ZigBee utiliza a definição do IEEE, que opera em bandas de freqüência livres. Porque ZigBee? Atualmente, existem diversos padrões que definem transmissão em médias e altas taxas para voz, vídeo, redes de computadores pessoais, entre outros. Entretanto, até o presente momento ainda não surgiu um padrão que esteja de acordo com as necessidades únicas da comunicação sem fio entre dispositivos de controle e sensores. Os principais requisitos deste tipo de rede são baixa latência, otimização para baixo consumo de energia, possibilidade de implementação de redes com elevado número de dispositivos e baixa complexidade dos nós de rede. A figura 1, ilustra o posicionamento do padrão ZigBee no mercado de tecnologia "Wireless". Figura 1: Posicionamento das tecnologias "Wireless". 2

3 ZigBee: Aplicações As Principais aplicações O padrão ZigBee pode ser empregado em diversos tipos de aplicações. Algumas destas estão relacionadas abaixo: Automação e Controle Predial (Segurança, Controle de Acesso e Iluminação); Controle Industrial (gerenciamento de ativos, controle de processos, etc.); Periféricos para PC (Teclado, mouse e joystick); Controle remoto de produtos eletrônicos; Automação residencial e comercial; Saúde Pessoal (Monitoração de pacientes, Acompanhamento de Exercício Físico). Modelos de Rede As principais topologias de rede adotadas são ilustradas na figura 2. Figura 2: Topologia de Rede. Os componentes integrantes da rede são o coordenador, os roteadores e os "end devices". O Coordenador inicia a rede definindo o canal de comunicação usado, gerencia os nós da rede e armazena informações sobre eles. Os Roteadores são responsáveis pelo encaminhamento das mensagens entre os nós da rede. Já um "end device" pode ser bem um dispositivo bem mais simples, só se comunicando com outro nó da rede. Nas redes ZigBee um dispositivo pode permanecer um longo tempo sem ter que se comunicar. Além disso o tempo de acesso a rede é muito pequeno, tipicamente 30 mseg. Outra característica importante é o tamanho reduzido dos pacotes de dados que trafegam na rede. A topologia Mesh permite que a rede se ajuste automaticamente em sua inicialização, na entrada de novos 3

4 dispositivos ou perda de dispositivos. Nesta situação existem múltiplos caminhos entre os diferentes nós e a rede é auto suficiente para otimizar o tráfego de dados. Usando esta configuração podemos ter redes muito extensas, cobrindo largas áreas geográficas. 4

5 ZigBee: Camadas Padrão A figura 3 mostra as camadas que compõe um dispositivo ZigBee. Figura 3: Camadas do padrão. A pilha do padrão ZigBee tem requisitos muito simples podendo ser implementada em microcontroladores de 8 bits, como por exemplo o HCS08. A pilha completa não excede 32 kbytes e a reduzida 6kBytes. MAC e PHY - Principais Características Padrão Freqüências Nº de Canais Técnica de Modulação Taxa de Dados GHz 16 (11 a 26) DSSS, O-QPSK 250 kbit/s MHz 1 (0) DSSS, BPSK 20 kbit/s MHz 10 (1 a 10) DSSS, BPSK 40 kbit/s DSSS (Direct Sequence Sread Spectrum), espalhamento espectral por seqüência direta. Nesta técnica uma seqüência pseudo aleatória de valores 1 e -1, numa freqüência mais elevada, é multiplicada ao sinal original, causando espalhamento da energia do sinal numa banda mais larga. CSMA / CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance). Quando um nó deseja fazer transmissão ele envia um sinal de aviso, por tempo suficiente para que todos os componentes da rede o recebam. Só então os dados são transmitidos. Se durante uma transmissão um sinal de aviso for detectado o emissor interrompe o envio da mensagem, reiniciando a tentativa de transmissão após um período aleatório. Rede - Principais Características A camada de rede tem as seguintes responsabilidades: Inicializar uma rede. 5

6 Habilidade de entrar e sair de uma rede. Configuração de novos dispositivos. Segurança dos dados de saída. Distribuição de endereços, pelo coordenador, para os dispositivos que entram na rede. Sincronização com a rede. Roteamento de "frames" para o destino correto. Aplicação - Principais Características A camada Aplicação é constituída de três principais componentes: Suporte à aplicação, "ZigBee Device Object" e as funções definidas pela empresa que desenvolveu o dispositivo. Os serviços fornecidos no suporte à aplicação são Descovery e Binding. O primeiro descobre que outros pontos estão ativos na região de alcance daquele dispositivo. O segundo une dois ou mais dispositivos considerando suas necessidades e serviços. ZigBee device Object é onde está definido o papel do dispositivo na rede, se ele atuará como coordenador, roteador ou "end device". Além disso, há a definição do método de segurança usado na rede e o início das solicitações de "Binding". 6

7 ZigBee: ZigBee x Bluetooth Bluetooth é mais apropriado para aplicações como: sincronização de PCs, telefones celulares e PDAs; aplicações de áudio como fone sem fio; transferência de arquivos entre PDAs, PCs e Impressoras. Enquanto ZigBee tem melhor performance em aplicações: De Controle; Rede de Sensores; Redes com muitos dispositivos; Com pequenos pacotes de dados; Onde consumo de bateria é crítico. A tabela abaixo destaca as principais diferenças entre estes protocolos: ZigBee Bluetooth Padrão (MAC + PHY) IEEE IEEE Taxa de Transferência 250kbps 750kbps Corrente na Transmissão 30mA 40mA Corrente em Standby 3uA 200uA Memória >32Kb <100Kb Outra diferença relevante entre estes dois padrões é o tipo de alimentação dos dispositivos. Em aplicações Bluetooth, geralmente, os dispositivos são recarregados periodicamente, como celulares e PDAs. Enquanto, no padrão Zigbee estes podem ser alimentados com pilhas alcalinas comuns e a expectativa de duração das mesmas é superior a 2 anos. Considerações de Tempo ZigBee Tempo de acesso a rede 30ms 3s Tempo de transição dos dispositivos escravos dos estado dormindo para o estado ativo 15ms Tempo de acesso ao canal 15ms 2ms Bluetooth Ao analisarmos estas diferenças, podemos concluir que ZigBee e Bluetooth são duas soluções diferentes que têm características para endereçar requisitos de aplicações diferentes. Mesmo que ocorram pequenas modificações nestes padrões as características principais serão mantidas. As diferenças entre estes padrões são provenientes da arquitetura na qual eles foram desenvolvidos. 3s Referência 7

8 ZigBee Technology: Wireless Control that Simply Works, Patrick Kinney Site de referência ZigBee Alliance: 8

9 ZigBee: Teste seu Entendimento 1. Em relação aos conceitos do ZigBee, qual das alternativas está incorreta: Os componentes integrantes da rede são o coordenador, os roteadores e os end devices; Nas redes ZigBee um dispositivo pode permanecer um longo tempo sem ter que se comunicar; principais topologias são Cluster Tree, Messh e ponta-a-ponto. 2. De acordo com texto qual das afirmativas está correta: As três camadas que compõe um dispositivo ZigBee são: Usuário, ZigBee Alliance e IEEE ; A pilha do padrão ZigBee tem requisitos sofisticados, que dependem de implementações em microcontroladores maiores que 8 bits; Os componentes eletrônicos no padrão ZigBee consomem mais energia que no padrão Bluetooth. 3. Na comparação entre os protocolos ZigBee / Bluetooth, respectivamente, assinale a alternativa mais correta: Tempo de acesso a rede: 100ms / 50ms; Taxa de transferência: 250Kps / 750Kps; Aplicações mais apropriadas: micros, celulares e áudio / sistemas de controle. 9