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Tecnología
®
ZigBee
Prof. Julián R. Camargo
Qué es ZigBee?
• Es un estándar de
comunicaciones
inalámbricas ZigBee®
diseñado por la ZigBee
Alliance (una asociación
de mas de 100 empresas,
sin ánimo de lucro,
reunidas para crear un estándar inalámbrico de bajo
costo, bajo consumo de energía que además cubra
algunos vacíos dejados por Bluetooth) está basado en la
norma IEEE 802.15.4 para redes inalámbricas de área
personal WPAN (Wireless Personal Area Network, por
sus siglas en inglés). Las aplicaciones del estándar
ZigBee® van desde la domótica, el control industrial
hasta soluciones en equipos médicos.
Características
• Trabaja en la banda libre ISM de 2.4GHz (siempre que
no se superen los 100mW de potencia) en la mayoría de
casos con 16 canales disponibles para la comunicación
RF.
• Modulación O-QPSK (Ofsset Quadradure Phase Shift
Keying), que consiste en realizar una transición de fase
en cada intervalo de señalización de bits, por
cuadratura.
• Velocidad de comunicación entre 20KBs y 250KBs
(suficiente para aplicaciones de domótica y
automatización).
• Rango de alcance de la comunicación de 10 a 100mts
(para dispositivos de baja potencia 1mW).
• Sensibilidad en el receptor de -85dBm (en la banda de
2.4GHz).
• Tamaño de la red ZigBee®: se puede tener hasta 65535
nodos en la red agrupados en subredes de hasta 255
nodos.
• Direccionamiento de la red en formato de 16
(direccionamiento reducido) o 64 bits (direccionamiento
extendido).
• Soporta diversas topologías de red típicas: punto a
punto, estrella, malla, árbol.
• Bajo consumo de energía (30 mA. cuando se trasmite,
3mA. en reposo).
• Los canales de comunicaciones cambian de forma
automática cuando se presenta ruido en la señal de
comunicaciones.
• Cifrado AES (Advanced Encryption Standard) de 128
bits que provee conexiones seguras entre los
dispositivos ZigBee® de la red.
Modelo OSI para el estándar
ZigBee®
• La norma IEEE 802.15.4 para
redes inalámbricas de área
personal WPAN define la primeras
dos capas del modelo OSI (Open
System Interconnection) para el
estándar ZigBee®, la capa física y
la capa de acceso al medio MAC
(CSMA/CA y DSSS). La capa de
red es definida por la ZigBee
Capa de Aplicación
Func. de
Seguridad
(SSP)
ZDO
Soporte de Aplicaciones
(APS)
Capa de Red (NWK)
Capa de Acceso al Medio (MAC)
Capa Física (PHY)
Imagen tomada y modificada de www.zigbee.org
Alliance que incluyen los perfiles de uso, ajustes de
seguridad y la mensajería (tal como se muestra en la
figura), finalmente la capa de aplicación es generada
por cada fabricante de productos ZigBee®.
Tipos de dispositivos en una
red ZigBee®
• Coordinador ZigBee® (ZC):
Dispositivo con todas las funcionalidades del estándar
ZigBee® implementadas, debe existir por lo menos uno
en la red a implementar. La función principal del
Coordinador ZigBee® es realizar el control general de la
red.
• Router ZigBee® (ZR):
Es el encargado de la interconexión de aquellos
dispositivos que estén separados del Coordinador
(opera como un puente entre el Coordinador y los
dispositivos finales ZigBee® ).
• Dispositivo ZigBee® Final (ZED):
Es un dispositivo con funcionalidades reducidas, que
tiene la capacidad de comunicarse únicamente con un
Coordinador o con un Router ZigBee® utilizado para la
conexión de los actuadores finales de la aplicación,
normalmente está dormido la mayor parte del tiempo por
lo que su consumo de energía es mínimo.
ZC
ZR
Red ZigBee® Típica
ZED
Modelo de red. (Imagen tomada y modificada de www.zigbee.org)
Módulos ZigBee® comerciales
Especificaciones
Rendimiento
Requerimientos de
potencia
Wi.FS24-100
Alcance en ambientes interiores/zonas urbanas
300 + (+ de 100 m)
Alcance de RF en Línea de Visión para ambientes exteriores
4000 + (+ de 1200 m)
Potencia de Salida en Transmisión
10 mW, 100 mW (controlado por software)
Régimen RF de datos
250,000 bps
Sensibilidad del Receptor
-92 dBm (1% PER)
Suministro de Voltaje
2.4 – 3.6 V
Corriente de Transmisión (típico)
125mA @10mW 150mA@100mW
Corriente de Recepción (típico)
42mA <
Corriente Power-Down
5uA <
Frecuencia
ISM 2400 a 2483,5 MHz
Dimensiones
1.0" x 1.4" (2,54cm x 3,556cm)
Temperatura de Operación
-40 to 85º C (industrial)
Opciones de Antena
Antena integrada en PCB
Topologías permitidas en la Red
Punto a punto, Punto a multipunto, Malla (ZStar solamente)
Cantida máxima de nodos en la red
65.543
Número de Canales
16 (canal 16 se fija en un nivel de potencia
reducida)
Capas de Filtración de la Red
Más de 65.000 direcciones de red
Información General
Trabajo en Red y
Seguridad
Especificaciones
Rendimiento
Requerimiento
s de potencia
Información
General
Trabajo en
Red y
Seguridad
XBee
XBeePro
Alcance en ambientes interiores/zonas urbanas
hasta 100’ (30 m)
hasta 300’ (100 m)
Alcance de RF en Línea de Visión para
ambientes exteriores
hasta 300’ (100 m)
hasta 4000’ (1200 m)
Potencia de Salida en Transmisión
1 mW (0 dBm)
60 mW (18 dBm), 100 mW EIRP
Régimen RF de datos
250,000 bps
250,000 bps
Sensibilidad del Receptor
-92 dBm (1% PER)
-100 dBm (1% PER)
Suministro de Voltaje
2.8 – 3.4 V
2.8 – 3.4 V
Corriente de Transmisión (típico)
45 mA @ 3.3 V
270 mA @ 3.3 V
Corriente de Recepción (típico)
50 mA @ 3.3 V
55 mA @3.3 V
Corriente Power-Down
< 10 μA
< 10 μA
Frecuencia
ISM 2.4 GHz
ISM 2.4 GHz
Dimensiones
0.960” x 1.087” (2.438cm x 2.761cm)
0.960” x 1.297” (2.438cm x 3.294cm)
Temperatura de Operación
-40 to 85º C (industrial)
-40 to 85º C (industrial)
Opciones de Antena
Conector U.FL, Antena Chip, o
alambre de antena
Conector U.FL, Antena Chip, o
alambre de antena
Topologías permitidas en la Red
Punto a Punto, Punto a Multipunto,
Igual a Igual y Mesh
Punto a Punto, Punto a Multipunto,
Igual a Igual y Mesh
Número de Canales
16 Canales de Secuencia Directa
(software seleccionable)
12 Canales de Secuencia Directa
(software seleccionable)
Capas de Filtración de la Red
PAN ID & Direcciones 64-bit
PAN ID & Direcciones 64-bit
Módulos ZigBee XBee/XBeePro
Distribución y manejo de pines
Conexión a un Microcontrolador
• Conexión directa del módulo ZigBee al Microcontrolador
(teniendo en cuenta voltajes de operación).
• Comunicación serial asincrónica.
• Velocidad de comunicaciones entre el módulo y el
microcontrolador configurable.
• Operación en modo transparente (opera como un puerto
serie inalámbrico), en modo API (Application
Programming Interface), en modo de Comandos (AT).
Operación en modo API
• En modo API todos los datos que ingresan o salen del módulo
están contenidos en tramas que definen las operaciones o
eventos dentro del módulo.
• Las tramas RF transmitidas incluyen:
- Los datos de la trama de transmisión RF
- Trama de Comandos
• Las tramas de datos RF recibidas contienen:
- Los datos de la trama RF recibida
- Comandos de respuesta
- Notificaciones de eventos tales como: reset, asociación,
desasociación, etc.
• Operaciones de Transmisión de datos hacia múltiples
destinatarios sin ingresar al modo Comando.
• Estatus de recepción exitosa o fallida para cada uno de los
paquetes RF transmitidos.
• Identificación de las direcciones fuente de cada paquete
recibido.
Operación en modo Transparente
• Por defecto estos módulos ZigBee® trabajan en modo
transparente. Actuando como una línea serial normal,
así todo dato recibido en el pin DI (Data In), es puesto
en el buffer para la transmisión RF, de igual forma,
cuando un dato RF es recibido, el mismo es transmitido
a través del pin DO (Data Out).
• Cuando el dato recibido desde el host no puede ser
transmitido inmediatamente (debido a que en ese
momento el dispositivo está recibiendo datos RF), el
mismo es almacenado en el búfer DI hasta que pueda
ser enviado. Los datos son empaquetados y enviados
cada vez que el tiempo RO (programable por el usuario)
se cumpla o cuando el módulo a recibido 100 bytes
(máximo tamaño del buffer). Si el búfer DI empieza a
llenarse, se debe implementar algún tipo de control de
flujo ya sea vía hardware o vía software, esto con el fin
de prevenir pérdidas de datos.
Direccionamiento de los módulos
• Todo paquete de datos RF que es enviado por aire tiene
un campo para la Dirección de Origen y otro para la
Dirección de Destino en su cabecera.
• Los módulos soportan direcciones cortas de 16 bits o
largas de 64 bits.
• Una única dirección de origen de 64 bits es asignada de
fábrica a cada dispositivo, esta dirección puede ser leída
usando los comandos AT: SL (Serial Low Number,
Número Serial Bajo) y SH (Serial High Number, Número
Serial Alto).
• El direccionamiento corto debe ser configurado
manualmente.
• Un dispositivo XBEE utilizará esta dirección de 64 bits
propia como dirección de Origen, si el valor del
parámetro MY (Source Address, Dirección de Origen de
16 bits) es 0xFFFF ó 0xFFFE.
Modo Unicast
• Por defecto, todo módulo RF opera en este modo.
• El modo Unicast es el único que soporta re-envío de
datos. Esto quiere decir que el dispositivo receptor
enviará un ACK (Acknowledge o acuse de recibo) para
asegurar la recepción de cada paquete RF, esta
confirmación le llegará al transmisor, mas si el mismo no
recibe dicha confirmación, entonces procederá a reenviar el paquete de datos tres veces más o hasta que
reciba el acuse de recibo.
• Direcciones cortas de 16 bits:
Cada módulo puede ser configurado para que trabaje
utilizando direcciones cortas de 16 bits como dirección
de origen, esto se consigue a través de la asignación de
un valor para el parámetro MY (el cuál debe ser menor
a 0xFFFE). Poniendo en cero el parámetro DH (DH =
0), se determinará la Dirección de Destino como una
dirección corta de 16 bits (si Dl es menor a 0xFFFE).
Para que dos módulos se comuniquen utilizando
direcciones cortas, la dirección de destino del
dispositivo transmisor debe ser la misma que el
parámetro MY del dispositivo receptor.
La siguiente tabla muestra una configuración de una red
que podría ser utilizada en el modo Unicast usando
direcciones cortas de 16 bits:
Parámetro
Módulo RF 1 Módulo RF 2
MY (Dirección de Origen)
0x01
0x02
DH (Dirección de Destino Alta)
0
0
DL (Dirección de Destino Baja) 0x02
0x01
• Direcciones largas de 64 bits:
El número serial de cada módulo (parámetro SL
concatenado con parámetro SH), puede ser usando
como una dirección de destino de 64 bits, siempre y
cuando el parámetro MY se encuentre deshabilitado
(MY = 0xFFFF ó = 0xFFFE).
Cuando un punto final (End Point) se asocia con un
coordinador, su parámetro MY se debe hacer 0xFFFE,
esto habilita el direccionamiento de 64 bits.
Para enviar un paquete de datos hacia un módulo
específico, la dirección de destino (DH + DL) de un
dispositivo debe ser igual al número serial (SH + SL) del
otro dispositivo.
Modo Broadcast
• Cualquier módulo RF que se encuentre dentro del
alcance del transmisor, aceptará un paquete que
contenga una dirección broadcast. Cuando han sido
configurados para operar en modo Broadcast, los
dispositivos receptores no enviarán acuse de recibo
(ACK), y los dispositivos transmisores no re-enviarán
automáticamente la información, como sucede en el
modo Unicast.
• Para enviar un paquete broadcast hacia todos los
módulos sin considerar el direccionamiento (ya sea de
16 o 64 bits), se deben configurar las direcciones de
destino de todos los módulos tal como se muestra a
continuación:
- DL (Dirección Baja de Destino) = 0x0000FFFF
- DH (Dirección Alta de Destino) = 0x00000000 (valor
por defecto)
Modos de Operación
1. Modo IDLE:
En este modo se encuentra todo dispositivo que no este
ni transmitiendo ni recibiendo información, corresponde
a un modo de espera o modo ocioso.
2. Modos de Transmisión o Recepción:
Estos modos permiten transmitir o recibir información,
ya sea paquetes RF (transmisión sobre el aire) o datos
de comunicación con el host (comunicación serial).
3. Modo Sleep:
Los dispositivos pueden ser configurados para dormirse
o dejar de trabajar siempre que no tengan nada para
transmitir ni tengan datos por recibir, esto ayudará a
reducir el consumo de energía.
4. Modo Command (Comando):
Este módulo sirve para configurar parámetros del
dispositivo por medio de comandos AT.
El Software X-CTU
• El X-CTU es un software que provee Digi, utilizado para
la configuración de los módulos XBee/XBeePro incluye
una interfaz que facilita este proceso, sin necesidad de
hacer uso de manera directa de comandos AT.
• Permite realizar las siguientes
tareas:
1. Configuración del PC (PC
Settings): Permite
configurar las
características del puerto
serial del PC que se
utilizará para la
comunicación con el
módulo de RF.
2. Prueba de Rango
(Range test): Donde
se puede realizar un
test del rango
(alcance) del
módulo ZigBee,
además presenta
una pantalla con los
paquetes recibidos
y transmitidos.
3. Terminal: Usado con
el fin de configurar o
leer los parámetros
del dispositivo
ZigBee utilizando
para ello comandos
AT (es similar al
Hyperterminal de
Windows).
4. Configuración del
Modem (Modem
Configuration): Para
configurar o leer los
parámetros del
módulo ZigBee.
Muchas gracias por su
atención!