Paula de Melo Carvalho Lucas Passarela Daniel. ZigBee. Universidade de Brasília, 2006.

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1 Paula de Melo Carvalho Lucas Passarela Daniel ZigBee Universidade de Brasília, 2006.

2 SUMÁRIO 1 Introdução Definição do padrão ZigBee Topologia Características Camadas de Protocolos ZigBee X Bluetooth Conclusão Referências...8

3 Introdução Cada vez mais o controle remoto de aparelhos está fazendo parte do dia-a-dia das pessoas, juntamente com a explosão da tecnologia sem fio, principalmente com a telefonia móvel. Fica cada vez mais claro que cada lar terá uma rede pessoal sem fio (WPAN - Wireless Personal Area Network), interligando diversos equipamentos (o que já está ocorrendo!). Surge então a necessidade de padrões para a comunicação entre estes equipamentos pessoais. A IEEE definiu o padrão com as recomendações para as comunicações nas WPAN. Segundo o mesmo uma WPAN pode ser definida como um conjunto de dispositivos de uma pessoa dispostos, ao redor desta, como uma bolha, que podem se mover e se conectar entre si. Estes dispositivos podem estar sob o controle de um indivíduo ou sob o controle de dispositivos de outras pessoas. [1] Dentre as variações destas recomendações, existe o IEEE , cujo propósito é fornecer um padrão com baixa complexidade, baixo custo, baixo consumo de energia e baixa transferência de dados entre dispositivos baratos. [2] O principal usuário deste padrão é o ZigBee, que utiliza o IEEE nas suas duas camadas mais baixas. Definição ZigBee é um padrão global e aberto para a comunicação sem fio de baixo custo e pequeno alcance, com caraterísticas adequadas ao uso nos dispositivos utilizados no dia a dia das pessoas. Ele foi desenvolvido pela ZigBee Alliance junto ao IEEE. A ZigBee Alliance é uma associação que conta com mais de 45 empresas entre elas : Adcon Telemetry AG, Agere Systems, AMI Semicondutor, Atmel, Eaton Corporation, Ember Corporation, ENQ Semiconductor, Figure 8 Wireless, Helicomm, Integration Associates, Invensys, Microchip Technology, Millenial Net, Mitsubshi Electronic Industrial, Motorola e Philips Semiconductors, que trabalham em conjunto para desenvolver um padrão capaz de possibilitar um controle seguro, de baixo custo e de baixa potência em redes sem fio para o controle de diversos equipamentos, incluindo soluções para a automação predial, aplicações em telemedicina e entretenimento (jogos). [3] Segundo Eduardo Prado, Num futuro não muito distante, não será difícil contar pelo menos 50 chips de "ZigBee" numa residência. Eles serão encontrados nos interruptores de lâmpadas, em detectores de fogo e fumaça, termostatos, eletrodomésticos na cozinha, e em controle remotos de vídeo e áudio. [5] Como já dito, a principal finalidade é o controle remoto dos equipamentos domésticos e periféricos, eliminando os cabos e tornando mais prática a operação pelos usuários. Foi desenvolvido também como alternativa para redes simples, tornando o custo mais baixo. Topologia Podemos identificar dois tipos de dispositivos em uma rede ZigBee, definidos pelo IEEE:

4 Full Function Device (FFD) - pode funcionar em toda a topologia do padrão, desempenhando a função de coordenador da rede e conseqüentemente ter acesso a todos os outros dispositivos. Trata-se de dispositivos de construção mais complexa; Reduced Function Device (RFD) é limitado a uma configuração com topologia em estrela, não podendo atuar como um coordenador da rede. Pode comunicar-se apenas com dispositivos FFD. São dispositivos de construção mais simples. A tabela seguinte apresenta uma comparação entre os dispositivos de uma rede ZigBee com suas principais características: Coordenador da Rede - FFD Ajustes de parâmetros da rede Transmite informações pela rede Gerencia os nós da rede Armazena informações dos nós de rede Distribui mensagens entre nós de rede Opera tipicamente no estado "active" Nó da Rede - RFD Função passiva na rede Efetua buscas por redes disponíveis Transferência de dados da aplicação Determina o status dos dados Solicita dados ao coordenador da rede Pode permanecer no estado "sleep" por longos períodos Tabela 1 - Tabela de funcionalidades dos dispositivos ZigBee Podem existir três classes de dispositivos lógicos: coordinator, router e endpoint sendo os dois primeiros implementáveis com base em dispositivos físicos da classe FFD e o terceiro com base em dispositivos físicos de classe FFD ou RFD. A Figura 1 mostra as diferentes topologias que podem ser utilizadas no ZigBee. Figura 1: Diferentes topologias ZigBee

5 A rede pode possuir até 64 K nós, um destes nós deve ser o coordenator. Se um novo nó quiser se juntar a rede, seu tempo de ativação é de 30 ms. Para um nó dormindo se tornar ativo, seu tempo de ativação é de 15 ms. A entrada destes nós na rede são coordenadas pelo coordenator da PAN que entra em modo de enumeração ou aprendizagem, permitindo que novos nós entrem na rede por um determinado período de tempo que é, tipicamente, de poucos segundos. Se durante este tempo houver uma requisição para se unir à rede, então o novo nó será capaz de aderir à rede. A topologia da rede é variada, pode ser estrela, estrala estendida, peer-to-peer. Os nós RDF s não executam roteamento, portanto ficam nas margens da rede. Devemos observar que em topologias com configuração estrela, uma rede ZigBee requer pelo menos um dispositivo FFD atuando como coordenador da rede e os demais dispositivos podem ser do tipo RFD para reduzir o custo do sistema. Características A especificação ZigBee define as camadas de rede e aplicação e o serviço de segurança entre elas. A definição das camadas física e de acesso ao meio é da responsabilidade da norma IEEE As principais características da comunicação física são: Taxa de transferência de 250 kbps, 40 kbps e 20 kbps Modo de acesso CSMA-CA: Carrier sense multiple access / Collision avoidance Gestão de energia para garantir baixos consumos Baixa complexidade 16 canais na banda 2.4GHz, 10 canais na banda 915MHz, 1 canal na banda 868MHz As faixas de 2,4GHz (Global), 915Mhz (América) e 868Mhz (Europa) pertencem a faixa ISM, que não requer licença para funcionamento. Como no Wi-Fi, Zigbee utiliza espalhamento espectral por seqüência direta na banda de 2.4GHz, com modulação OQPSK (offset-quadrature phase-shift keying). Nas bandas de 868 e 900MHz também é utilizado espalhamento espectral por seqüência direta mas com modulação BPSK (binary-phase-shift keying). [4] O padrão oferece atualmente interfaces com velocidades de conexão compreendidas entre 10Kbps e 115Kbps e com um alcance de transmissão entre 10m e 100m, dependendo diretamente da potência dos equipamentos e de características ambientais (obstáculos físicos, interferência eletromagnética, etc). Quanto ao problema de alimentação dos dispositivos, os módulos de controle dotados com esta nova tecnologia podem ser alimentados até mesmo por baterias (pilhas) comuns, sendo que sua vida útil está relacionada diretamente com a capacidade da bateria e a aplicação a que se destina. Nesse aspecto, o protocolo ZigBee foi projetado para suportar aplicações com o mínimo de consumo. Camadas de protocolos

6 A camada física (PHY) foi projetada para acomodar as necessidades de interfaces de baixo custo, permitindo níveis elevados de integração. O uso da técnica de transmissão de Seqüência Direta (DSS) permite que os equipamentos sejam muito simples, possibilitando implementações mais baratas. A camada do Media Access Control (MAC) foi projetada para permitir topologias múltiplas com baixa complexidade, onde o gerenciamento de energia, por exemplo, não requer modos de operação complexos. O MAC também permite que um dispositivo com funcionalidade reduzida (RFD) opere na rede sem a necessidade de grandes quantidades de memória disponíveis, podendo controlar também um grande número de dispositivos sem a necessidade de colocá-los "em espera", como ocorre em algumas tecnologias sem fio. A camada de rede foi projetada para possibilitar o crescimento da rede sem a necessidade de equipamentos de transmissão de potência mais elevada. A camada de rede também pode operar quantidades grandes de nós de rede com latências relativamente baixas. A camada NWK utiliza um algoritmo que permite implementações da pilha de protocolos visando balancear os custos das unidades em aplicações específicas, o consumo das baterias, buscando produzir soluções com o perfil específico de custo-desempenho para a aplicação. Figura 2: ZigBee - Camadas de Protocolos A camada APS faz o roteamento das mensagens aos diferentes pontos de aplicação que funcionam no nó. Isto inclui manter as tabelas de binding (tabela que mantém as conexões compatíveis entre diferentes end points).

7 Figura 3: Exemplo de conexões que devem ser guardadas na tabela binding No topo da pilha estão os objetos das aplicações, sendo cada um deles um software em um end point que executam o que o dispositivo é projetado fazer. São desenvolvidos pelos produtores das aplicações e se comunicam através das funções disponibilizadas pela camada APS. O ZDO é como um objeto de aplicação especial, que é residente em todos os nós da rede ZigBee. É sempre o end point zero, e os outros end points são numerados de 1 a 240. Tem seu próprio perfil, conhecido como o perfil do dispositivo de ZigBee (ZDP), que tanto os outros end points quanto os outros nós do ZigBee podem alcançar. É o ZDP que contém os serviços para a descoberta do dispositivo. O ZDO é então responsável pela gerência do dispositivo total e também por chaves e políticas da segurança. As aplicações fazem chamadas ao ZDO a fim descobrir outros dispositivos de ZigBee na rede e os serviços que oferecem e especificar ajustes da segurança e da rede. A camada de Security Service Provider (SSP) fornece serviços de segurança estabelecendo e trocando chaves da segurança, e usando estas chaves para fixar as comunicações. Os serviços de segurança não são fixos em uma única camada, mas são usados pelas camadas do MAC, do NWK e do APS para fornecer a segurança em cada nível. A régra geral é que a camada responsável para gerar um frame dos dados é responsável por codificá-lo quando envia e autenticá-lo quando recebe. O ZDO que dita as políticas e as configurações da segurança executadas pelos serviços de segurança. ZigBee X Bluetooth Bluetooth é mais apropriado para aplicações como: Sincronização de PCs, telefones celular e PDAs; Aplicações de áudio como fone sem fio; Transferência de arquivos entre PDAs, PCs e Impressoras.

8 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 Bluetooth Tempo de acesso a rede 30ms 3s Tempo de transição dos escravos (dormindo para ativo) 15ms Tempo de acesso ao canal 15ms 2ms 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

9 Conclusão As redes sem fio atuais, apesar de serem adequadas para uso ao ar livre ou em ambientes fechados, são particularmente interessantes em recintos delimitados, tais como residências, prédios de escritórios, hospitais, universidades, fábricas e armazéns. Entretanto, para muitas aplicações, a falta de uma infra-estrutura adequada ou de recursos para investimento devido aos altos custos envolvidos, oferecem dificuldades para sua implementação no controle de algumas atividades cotidianas. Os custos dos acessos baseados em redes sem fio que utilizam o padrão IEEE , por exemplo, ainda são proibitivos para muitos usuários de redes e de sistemas de automação. A tecnologia ZigBee surge nesse cenário como uma alternativa viável que possibilita a utilização dos sistemas de controle sem fio para esse tipo de aplicação em dispositivos mais simples.

10 REFERÊNCIAS 1. Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for Personal Area Networks (WPANs), IEEE Standard , Junho de 2002, (acesso em 30/01/2006). 2. Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks (LR-PANs), IEEE Standard , Outubro de 2003, (acesso em 30/01/2006). 3. As Redes com ZigBee, José Mauricio Santos Pinheiro, Julho de 2004, (acesso em 30/01/2006). 4.Home networking with Zigbee, Mikhail Galeev, Abril de 2004, (acesso em 30/01/2006)