Arquitectura de la tecnología ZigBee y sus aplicaciones

En este mundo de comunicación actual, hay muchos estándares de comunicación de alta velocidad de datos disponibles, pero ninguno de ellos cumple con los estándares de comunicación de sensores y controladores. Estos estándares de comunicación de alta velocidad requieren baja latencia y bajo consumo de energía, incluso con anchos de banda más bajos. La tecnología Zigbee de los sistemas inalámbricos patentados disponibles es de bajo costo y bajo consumo de energía y sus características excelentes y soberbias hacen que esta comunicación sea la más adecuada para varias aplicaciones integradas, control industrial y automatización del hogar, etc. El rango de la tecnología Zigbee para distancias de transmisión es principalmente de 10 a 100 metros, dependiendo de la potencia de salida y de las características ambientales.

¿Qué es la tecnología Zigbee?

La comunicación Zigbee está especialmente diseñada para redes de control y sensores según el estándar IEEE 802.15.4 para redes inalámbricas de área personal (WPAN), y es producto de la alianza Zigbee. Este estándar de comunicaciones define las capas física y de control de acceso a medios (MAC) para administrar muchos dispositivos a velocidades de datos bajas. Estos Zigbee WPAN operan en frecuencias de 868 MHz, 902-928 MHz y 2,4 GHz. La velocidad de datos de 250 kbps es la más adecuada para la transmisión de datos bidireccional periódica e intermedia entre sensores y controladores.

Zigbee es una red de malla de bajo costo y baja potencia ampliamente implementada para controlar y monitorear aplicaciones donde cubre un rango de 10 a 100 metros. Este sistema de comunicación es menos costoso y más simple que otras redes patentadas de sensores inalámbricos de corto alcance, como Bluetooth y Wi-Fi.

Zigbee admite diferentes configuraciones de red para comunicaciones de maestro a maestro o de maestro a esclavo. Además, se puede utilizar en diferentes modos, lo que ahorra energía de la batería. Las redes Zigbee son escalables mediante el uso de enrutadores y permiten que muchos nodos se interconecten para crear una red más grande.

Historia de la tecnología Zigbee

En el año 1990 se establecieron redes de radio digital con autoorganización ad hoc. La especificación Zigbee como IEEE 802.15.4-2003 fue aprobada el 14 de diciembre de 2004. La especificación 1.0 fue anunciada por Zigbee Alliance en 2005 el 13 de junio, denominada especificación ZigBee 2004.

Biblioteca de clústeres

En septiembre de 2006, se anunció que la especificación Zigbee 2006 reemplazaba la pila de 2004. Por lo tanto, esta especificación reemplaza principalmente la estructura de pares clave-valor, así como el mensaje utilizado en la pila de 2004 a través de una biblioteca de clúster.

Una biblioteca comprende un conjunto de comandos cohesivos, planificados en grupos llamados clústeres con nombres como Automatización del hogar, Energía inteligente y Enlace de luz de ZigBee. En 2017, Zigbee Alliance cambió el nombre de la biblioteca a Dotdot y se anunció como un nuevo protocolo. Entonces, este Dotdot funcionó para todos los dispositivos Zigbee como capa de aplicación predeterminada.

Zigbee Pro

En 2007, se finalizó Zigbee Pro como Zigbee 2007. Este es un tipo de dispositivo que funciona en una red Zigbee heredada. Debido a las disparidades en las opciones de enrutamiento, se espera que estos dispositivos se transformen en ZED sin enrutamiento o terminales Zigbee (ZED) en una red Zigbee heredada. Los dispositivos Zigbee heredados deben evolucionar a dispositivos finales Zigbee en una red Zigbee Pro. Opera en la banda ISM de 2,4 GHz e incluye una banda sub-GHz.

¿Cómo funciona la tecnología Zigbee?

La tecnología Zigbee funciona con radios digitales al permitir que diferentes dispositivos se comuniquen entre sí. Los dispositivos utilizados en esta red son un enrutador, un coordinador y dispositivos finales. La función principal de estos dispositivos es transmitir las instrucciones y mensajes del coordinador a dispositivos terminales únicos, como una bombilla.

En esta red, el coordinador es el dispositivo más esencial que se coloca en el origen del sistema. Para cada red, simplemente hay un coordinador, que se utiliza para realizar diferentes tareas. Eligen un canal adecuado para escanear un canal y encuentran el más adecuado con la mínima interferencia, asignan un identificador exclusivo y una dirección a cada dispositivo en la red para que los mensajes, si no las instrucciones, puedan transferirse en la red.

Los enrutadores se organizan entre el coordinador y los dispositivos finales que son responsables de enrutar los mensajes entre los diferentes nodos. Los enrutadores reciben mensajes del coordinador y los almacenan hasta que sus terminales puedan recibirlos. Estos también pueden permitir que otros dispositivos finales, así como enrutadores, se conecten a la red;

En esta red, los dispositivos finales pueden controlar información pequeña al comunicarse con el nodo principal como un enrutador o el coordinador según el tipo de red Zigbee. Los terminales no se comunican directamente entre sí. Primero, todo el tráfico se puede enrutar al nodo principal, como el enrutador, que retiene esos datos hasta que el extremo receptor del dispositivo pueda transmitirlos a sabiendas. Los terminales se utilizan para solicitar todos los mensajes pendientes del padre.

Arquitectura Zigbee

La estructura del sistema Zigbee consta de tres tipos diferentes de dispositivos como coordinador Zigbee, enrutador y dispositivo final. Cada red Zigbee debe constar de al menos un coordinador que actúe como raíz y puente de la red. El coordinador es responsable de procesar y almacenar la información mientras realiza las operaciones de recepción y transmisión de datos.

Los enrutadores Zigbee actúan como dispositivos intermediarios que permiten que los datos pasen a través de ellos a otros dispositivos. Los dispositivos finales tienen una funcionalidad limitada para comunicarse con los nodos principales, por lo que la energía de la batería se ahorra como se muestra en la figura. La cantidad de enrutadores, coordinadores y terminales depende del tipo de redes, como redes en estrella, en árbol y en malla.

La arquitectura del protocolo Zigbee consiste en una pila de diferentes capas donde IEEE 802.15.4 está definido por capas físicas y MAC, mientras que este protocolo se completa acumulando las propias capas de red y aplicación de Zigbee.

capa fisica: Esta capa realiza operaciones de modulación y demodulación al transmitir y recibir señales respectivamente. La frecuencia, la tasa de datos y una cantidad de canales de esta capa se muestran a continuación.

capa MAC: esta capa es responsable de la transmisión confiable de datos al acceder a diferentes redes con Carrier Sense Multiple Access Collision Avoidance (CSMA). Esto también transmite las tramas de baliza para sincronizar la comunicación.

Capa de red: Esta capa se encarga de todas las operaciones relacionadas con la red, como la configuración de la red, la conexión del dispositivo final y la desconexión de la red, el enrutamiento, la configuración del dispositivo, etc.

Base de soporte de aplicaciones: esta capa permite que los servicios que necesitan los objetos de dispositivo Zigbee y los objetos de aplicación interactúen con las capas de red para los servicios de administración de datos. Esta capa es responsable de hacer coincidir dos dispositivos en función de sus servicios y necesidades.

Marco de aplicación: Proporciona dos tipos de servicios de datos como par clave-valor y servicios de mensajería genéricos. El mensaje genérico es una estructura definida por el desarrollador, mientras que el par clave-valor se utiliza para obtener atributos en los objetos de aplicación. ZDO proporciona una interfaz entre los objetos de la aplicación y la capa APS en los dispositivos Zigbee. Es responsable de detectar, inicializar y vincular otros dispositivos a la red.

Modos de funcionamiento Zigbee y sus topologías

Los datos Zigbee bidireccionales se transfieren en dos modos: modo sin baliza y modo baliza. En el modo de baliza, los coordinadores y enrutadores monitorean constantemente el estado activo de los datos entrantes, lo que resulta en un mayor consumo de energía. En este modo, los enrutadores y coordinadores no duermen porque en cualquier momento cualquier nodo puede despertarse y comunicarse.

Sin embargo, requiere más energía y su consumo general de energía es bajo porque la mayoría de los dispositivos están en estado inactivo durante largos períodos en la red. En el modo de baliza, cuando no hay comunicación de datos desde los dispositivos finales, los enrutadores y los coordinadores entran en estado de suspensión. Periódicamente, este coordinador se despierta y reenvía balizas a los enrutadores de la red.

Estas redes de balizas funcionan por intervalos de tiempo, lo que significa que funcionan cuando la comunicación necesaria da como resultado ciclos de trabajo más bajos y un uso más prolongado de la batería. Estos modos de baliza y sin baliza de Zigbee pueden manejar tipos de datos periódicos (datos del sensor), intermitentes (interruptores de luz) y repetitivos.

Topologías Zigbee

Zigbee admite múltiples topologías de red; sin embargo, las configuraciones más utilizadas son las topologías de estrella, malla y árbol de clúster. Cualquier topología consta de uno o más coordinadores. En una topología en estrella, la red consta de un coordinador que es responsable de iniciar y administrar dispositivos en la red. Todos los demás dispositivos se denominan dispositivos finales que se comunican directamente con el coordinador.

Esto se usa en industrias donde se requiere que todos los dispositivos finales se comuniquen con el controlador central, y esta topología es simple y fácil de implementar. En topologías de malla y árbol, la red Zigbee se extiende con múltiples enrutadores donde el coordinador es responsable de iniciarlos. Estas estructuras permiten que cualquier dispositivo se comunique con cualquier otro nodo adyacente para proporcionar redundancia de datos.

Si un nodo falla, la información se enruta automáticamente a otros dispositivos a través de estas topologías. Como la redundancia es el factor principal en las industrias, la topología de malla se utiliza principalmente. En una red de clúster-árbol, cada clúster consta de un coordinador con nodos hoja, y estos coordinadores están conectados al coordinador principal que inicia toda la red.

Debido a las ventajas de la tecnología Zigbee, como los modos de operación de bajo costo y bajo consumo de energía y sus topologías, esta tecnología de comunicación de corto alcance es más adecuada para varias aplicaciones en comparación con otras comunicaciones propietarias, como Bluetooth, Wi-Fi, etc. algunas de ellas comparaciones como el rango de Zigbee, estándares, etc., se dan a continuación.

¿Por qué bajas tasas de datos en Zigbee?

Sabemos que hay diferentes tipos de tecnologías inalámbricas disponibles en el mercado, como Bluetooth y WiFi, que proporciona datos de alta velocidad. Pero las tasas de datos en Zigbee son más bajas porque el principal propósito de desarrollo de ZigBee es usarlo en el control inalámbrico y en el monitoreo.

La cantidad de datos, así como la frecuencia de las comunicaciones utilizadas en tales aplicaciones, es extremadamente baja. Aunque es probable que una red como IEEE 802.15.4 logre altas tasas de datos, la tecnología Zigbee se basa, por lo tanto, en la red IEEE 802.15.4.

Tecnología Zigbee en el IoT

Sabemos que Zigbee es un tipo de tecnología de comunicación similar a Bluetooth y WiFi, sin embargo, también hay muchas nuevas alternativas de redes en aumento, como Thread, que es una opción para aplicaciones de automatización del hogar. En las grandes ciudades, las tecnologías de espacios en blanco se han implementado para casos de uso de regiones más grandes basadas en IoT.

ZigBee es una especificación WLAN (red de área local inalámbrica) de baja potencia. Ofrece menos datos al usar menos energía de los dispositivos que se conectan con frecuencia para agotar la batería. Por esta razón, el estándar abierto se ha conectado a través de la comunicación M2M (máquina a máquina), así como a la IoT industrial (Internet de las cosas).

Zigbee se ha convertido en un protocolo IoT aceptado en todo el mundo. Ya compite con Bluetooth, WiFi y Thread.

Dispositivos Zigbee

La especificación IEEE 802.15.4 Zigbee incluye principalmente dos dispositivos, como dispositivos de función completa (FFD), así como dispositivos de función reducida (RFD). Un dispositivo FFD realiza diferentes tareas que se explican en la especificación y puede adoptar cualquier tarea dentro de la red.

Un dispositivo RFD tiene capacidades parciales, por lo que realiza tareas limitadas y este dispositivo puede conversar con cualquier dispositivo en la red. Debe actuar y estar atento dentro de la red. Un dispositivo RFD puede simplemente conversar con un dispositivo FFD y se usa en aplicaciones simples como controlar un interruptor encendiéndolo y apagándolo.

En un IEEE 802.15.4 n/w, los dispositivos Zigbee desempeñan tres funciones diferentes como coordinador, coordinador PAN y dispositivo. Aquí, los dispositivos FFD son coordinadores y coordinadores PAN, mientras que el dispositivo es un dispositivo RFD/FFD.

La función principal de un coordinador es transmitir mensajes. En una red de área personal, un controlador PAN es un controlador esencial y un dispositivo se conoce como si el dispositivo no fuera un coordinador.
El estándar ZigBee puede crear tres dispositivos de protocolo de acuerdo con los dispositivos Zigbee, el coordinador PAN, el coordinador y la especificación estándar ZigBee como coordinador, enrutador y dispositivo final que se describen a continuación.

Coordinador Zigbee

En un dispositivo FFD, se utiliza un coordinador PAN para formar la red. Una vez que se establece la red, asigna la dirección de red a los dispositivos utilizados dentro de la red. Y también, enruta mensajes entre dispositivos finales.

Enrutador Zigbee

Un enrutador Zigbee es un dispositivo FFD que permite el alcance de la red Zigbee. Este enrutador se utiliza para agregar más dispositivos a la red. A veces actúa como un terminal Zigbee.

Dispositivo final Zigbee

No es ni un enrutador ni un coordinador que interactúa físicamente con un sensor, de lo contrario realiza una operación de control. Dependiendo de la aplicación, puede ser un RFD o un FFD.

¿Por qué ZigBee es mejor que WiFi?

En Zigbee, la velocidad de transferencia de datos es menor que WiFi, por lo que es la velocidad más alta que es simplemente 250 kbps. Esto es muy inferior en comparación con la menor velocidad de WiFi.

Otra de las mejores cualidades de Zigbee es la tasa de utilización de energía y la duración de la batería. Su protocolo dura varios meses porque una vez montado se puede olvidar.

¿Qué dispositivos usan ZigBee?

La siguiente lista de dispositivos admite el protocolo ZigBee.

• WeMo de Belkin
• Samsung cosas inteligentes
• Cerraduras inteligentes Yale
• philips tono
• Termostatos Honeywell
• Ikea Tradicional
• Sistemas de seguridad de Bosch
• Caja Samsung Comcast Xfinity
• Calefacción y accesorios activos de Hive
• Amazon eco más
• Espectáculo de eco de Amazon

En lugar de conectar cada dispositivo Zigbee por separado, se necesita un concentrador central para controlar todos los dispositivos. Los dispositivos mencionados anteriormente, es decir, SmartThings y Amazon Echo Plus, también se pueden usar como un centro Wink para desempeñar un papel vital dentro de la red. El concentrador central escaneará la red en busca de todos los dispositivos compatibles y le brindará un control simple de los dispositivos anteriores con una aplicación central.

¿Cuál es la diferencia entre ZigBee y Bluetooth?

La diferencia entre Zigbee y Bluetooth se analiza a continuación.

¿Cuál es la diferencia entre LoRa y ZigBee?

La principal diferencia entre LoRa y Zigbee se analiza a continuación.

Ventajas y desventajas de la tecnología Zigbee

Las ventajas de Zigbee son las siguientes.

• Esta red tiene una estructura de red flexible
• La duración de la batería es buena.
• El consumo de energía es menor
• Muy sencillo de reparar.
• Soporta alrededor de 6500 nodos.
• Menos costos.
• Es autocurativo y más confiable.
• La configuración de la red es muy fácil y sencilla.
• Las cargas se distribuyen uniformemente en la red ya que no incluye un controlador central
• Supervisar y controlar los electrodomésticos es extremadamente sencillo con el mando a distancia
• La red es escalable y es fácil agregar/quitar un terminal ZigBee a la red.

Las desventajas de Zigbee son las siguientes.

• Necesita información del sistema para controlar los dispositivos basados ​​en Zigbee para el propietario.
• Comparado con WiFi, no es seguro.
• El alto costo de reemplazo una vez que ocurre un problema en los electrodomésticos basados ​​​​en Zigbee
• La tasa de transmisión de Zigbee es más baja.
• No incluye múltiples terminales.
• Es muy arriesgado ser utilizado para información privada oficial.
• No se utiliza como un sistema de comunicación inalámbrica al aire libre porque tiene menos límite de cobertura.
• Al igual que otros tipos de sistemas inalámbricos, este sistema de comunicación ZigBee es susceptible de interferencia por parte de personas no autorizadas.

Aplicaciones de la tecnología Zigbee

Las aplicaciones de la tecnología ZigBee incluyen las siguientes.

Automatización industrial: En las industrias de fabricación y producción, un enlace de comunicación monitorea continuamente varios parámetros y equipos críticos. Así, Zigbee reduce significativamente este coste de comunicación y optimiza el proceso de control para una mayor fiabilidad.

Automatización del hogar: Zigbee es perfectamente adecuado para el control remoto de electrodomésticos como control de sistemas de iluminación, control de electrodomésticos, control de sistemas de calefacción y refrigeración, operaciones y control de equipos de seguridad, monitoreo, etc.

Contadores inteligentes: Las operaciones remotas de Zigbee en medidores inteligentes incluyen respuesta de consumo de energía, soporte de precios, seguridad contra robo de electricidad y más.

Monitoreo de Redes Inteligentes: Las operaciones de Zigbee en esta red inteligente implican el control remoto de la temperatura, el rastreo de fallas, la gestión de energía reactiva y más.

La tecnología ZigBee se utiliza para construir proyectos de ingeniería como el sistema inalámbrico de asistencia de huellas dactilares y la automatización del hogar.

Esta es una breve descripción de la arquitectura, modos de operación, configuraciones y aplicaciones de la tecnología Zigbee. Esperamos haberte dado suficiente contenido sobre este título, para que puedas entenderlo mejor. Por lo tanto, es una descripción general de la tecnología Zigbee y se basa en la red IEEE 802.15.4. El diseño de esta tecnología puede ser extremadamente fuerte para que funcione en todo tipo de entornos.

Proporciona flexibilidad y seguridad para diferentes entornos. La tecnología Zigbee ha ganado popularidad en el mercado porque proporciona una red de malla cohesiva al permitir que una red controle una región grande y también proporciona comunicaciones de bajo consumo. Así que es una tecnología IoT perfecta. Aquí hay una pregunta para usted, ¿cuáles son las diferentes tecnologías de comunicación inalámbrica disponibles en el mercado? Para obtener más ayuda y soporte técnico, puede contactarnos comentando a continuación.