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ZIGBEE COMO UNA APLICACIÓN A LA DOMOTICA, Y EL
ESTANDAR IEEE 802.15.4
Alverca Maza Yohana Elizabeth
Berrazueta Solórzano Freddy Javier
Escuela Politécnica Nacional
1. Resumen
Por muchos años la meta de la industria fue y
sigue siendo el permitir que los dispositivos del
sistema se comuniquen entre sí y hacer edificios
más eficientes. Infortunadamente, muchos
protocolos privados fueron desarrollados por
fabricantes que hicieron difícil la interoperabilidad.
ZigBee utiliza una norma del IEEE, lo cual hace
factible que los dispositivos se comuniquen e
interoperen. ZigBee esta basado en el estándar
IEEE 802.15.4 que se ha convertido en una
potente
herramienta
para
la
domótica
(automatización de redes domesticas) ya que
define características para su implementación
donde uno de los principales aspectos tomados
en cuenta es su bajo consumo de energía, su
sistema de comunicaciones vía radio y su
integración que permite fabricar nodos con muy
poca electrónica.
2. Introducción
En los últimos años el mundo de las
Comunicaciones Inalámbricas ha experimentado
la aparición de un gran número de nuevos
estándares, durante el 2005 se ha consolidado
las aplicaciones de estos nuevos estándares,
mientras que algunos de ellos todavía siguen
avanzando en su proceso de desarrollo., como
Wi-Fi, Bluetooth, y otras venideras WiMax, USB
inalámbrico, etc. Pero el problema es que estas
tecnologías no satisfacen los requerimientos de
la Domótica, por ejemplo Wi-Fi esta destinado a
la conexión a Internet y redes de ordenadores,
Bluetooth a conexión entre periféricos, lo que las
hace
estar
sobredimensionadas
para
aplicaciones de domótica ya que su arquitectura
no pensó en ello cuando fueron creadas [1].
ZigBee es una alianza, de más de 100
empresas, la mayoría de ellas fabricantes de
semiconductores, con el objetivo de auspiciar el
desarrollo e implantación de una tecnología
inalámbrica de bajo coste. Anteriormente, los
[email protected]
[email protected]
mandos de TV por infrarrojos eran los únicos
dispositivos de control remoto en los hogares.
Ahora el número de aplicaciones en las que
podemos utilizar controles remotos en nuestros
hogares es muy amplio y va desde abrir las
puertas hasta controlar la temperatura mediante
redes de sensores, el estándar IEEE 802.15.4
provee las mejores características para estas
aplicaciones, resumidas en la tabla 1 [2].
El estándar de ZigBee proporciona la red de
comunicaciones, niveles de seguridad, y los
servicios de apoyo para aplicaciones que operan
encima de la capa IEEE 802.15.4, el Control de
Acceso al Medio (MAC) y la capa física (PHY),
además de una topología de red tan variada
como aplicaciones pudieran ser imaginadas,
claro esta que la topología elegida debe ser la
mas apropiada para la aplicación final y podría
ser en malla (la mas frecuente) o un híbrido.
Propiedad
Rango de
transmisión de
datos
Alcance
Latencia
Canales
Bandas de
frecuencia
Direccionamiento
Canal de acceso
Temperatura
Rango
868 MHz: 20kb/s; 915MHz:
40kb/s; 2.4 GHz: 250 kb/s.
10 – 20 m.
Abajo de los 15 mseg.
868/915 MHz: 11 canales.
2.4 GHz: 16 canales.
Dos PHY: 868/915 MHz y
2.4 GHz
Cortos de 8 bits o 64 bits
IEEE
CSMA-CA y CSMA-CA
ranurado
El rango de temperatura
industrial: -40° a +85° C
Tabla 1. Propiedades del IEEE 802.15.4
3. Tipos de dispositivos
ZigBee posee tres tipos de dispositivos, figura 2.:
•
•
•
El coordinador de red, que mantiene en
todo momento el control del sistema, requiere
memoria y capacidad de computación.
El dispositivo de función completa (FFD)
puede realizar funciones de Router o ser
usado en dispositivos de red que actúen de
interfase con los usuarios además podría
funcionar como un coordinador de red.
El dispositivo de función reducida (RFD)
son los sensores/actuadores de la red de
capacidad y funcionalidad limitadas.
organicen
y
se
auto
mantengan
en
funcionamiento con lo que se pretende reducir
los costos totales para el consumidor [2].
4. Arquitectura de Redes ZigBee
Siguiendo el modelo de referencia OSI (Open
Systems
Interconnection/Interconexión
de
Sistemas Abiertos), en la figura 1, aparece la
estructura de la arquitectura en capas. Las
primeras dos capas, la física (PHY) y la de
acceso al medio (MAC), son definidas por el
estándar IEEE 802.15.4. Las capas superiores
son definidas por la Alianza ZigBee como la capa
de red (NWK).
Figura 1. Arquitectura de red ZigBee
5. Capa Red
La capa red une o separa dispositivos a
través del controlador de red, implementa
seguridad, y encamina tramas a sus respectivos
destinos. Además, la capa red del controlador de
red es responsable de crear una nueva red y
asignar direcciones a los dispositivos de la
misma. La capa de red soporta múltiples
configuraciones de red incluyendo estrella, árbol,
y rejilla, como se muestra en la figura 2. Las
redes que se construyan dentro de esta capa del
estándar IEEE 802.15.4 se espera que se auto
Figura 2. Topologías de red y elementos.
En la configuración en estrella, uno de los
dispositivos tipo FFD asume el rol de coordinador
de red y es responsable de inicializar y mantener
los dispositivos en la red, puede proporcionar una
cobertura para toda una casa. En la
configuración rejilla o malla el coordinador es
responsable de inicializar la red y de elegir los
parámetros de la red, pero la red puede ser
ampliada a través del uso de routers (dispositivos
FFD). Múltiples tipos de dirección son provistos,
incluyendo ambas, la física (64 bits IEEE) y la
corta (8 bits de asignación de red).
PROFILES
6. Capa Enlace de Datos
MAC LAYER
La capa enlace de datos definida en el modelo de
referencia OSI se ha dividido en dos subcapas,
que son la subcapa de control de enlace lógico
conocida como LLC por sus siglas en ingles, que
esta estandarizado por la IEEE 802.2 y es un
estándar general para todas las redes normadas
por IEEE y también esta presente la subcapa de
control de acceso al medio MAC. La subcapa
MAC provee servicios de tipo 1 (servicios no
orientados a conexión sin confirmación) a la
subcapa LLC a través de la subcapa de
convergencia de servicios específicos (SSCS), o
un LLC propietario puede acceder directamente a
los servicios de la MAC sin ir a través de SSCS.
La SSCS asegura compatibilidad entre subcapas
LLC y permite acceder a la MAC a través de un
punto fijo de acceso, denominado SAP siendo el
MCPS-SAP para datos de las MAC y el MLMESAP para administración de servicios.
Dos mecanismos de acceso al canal se
implementan en la MAC 802.15.4. Para una red
‘sin beacon’ se utiliza un estándar CSMA-CA
enviando
reconocimientos
positivos
para
paquetes recibidos correctamente. En una red
‘con beacon’ utilizamos una estructura de
‘supertrama’ para controlar el acceso al canal. La
supertrama es estudiada por el coordinador de
red para transmitir ‘tramas beacon’ cada ciertos
intervalos de 15 mseg, hasta 245 seg. En este
modo, a los dispositivos se les asigna una de las
16 ranuras de tiempo entre beacons.
Los dispositivos se direccionan empleando
64-bits y un direccionamiento corto opcional de
16 bits. El campo de dirección incluido en MAC
puede contener información de direccionamiento
de ambos orígenes y destinos (necesarios para
operar
punto
a
punto).
Este
doble
direccionamiento es usado para prevenir un fallo
dentro de la red.
El estándar IEEE 802.15.4 proporciona tres
niveles de seguridad [3]:
• Sin seguridad (por ejemplo, aplicaciones de
publicidad).
• Control de acceso a listas (sin seguridad
criptográfica).
• Seguridad con clave simétrica. (usada por
AES-128).
7. Formato de la Trama MAC
La trama MAC es llamada unidad de datos
de protocolo MAC (MPDU) y es compuesta de
una cabecera MAC (MHR), unidad de servicio de
datos (MSDU), como se puede observar en la
figura 3. El primer campo de la cabecera de la
Figura 3. Formato de trama MAC
MAC es el campo de control de trama con una
longitud de 2 bytes. Este indica el tipo de trama
MAC que se esta transmitiendo. El segundo
campo es el de numero de secuencia, la trama
está numerada para asegurar que todos los
paquetes llegan. Otra estructura importante es la
de ACK, o reconocimiento. Esta trama es una
realimentación desde el receptor al emisor, para
confirmar que el paquete se ha recibido sin
errores.
Luego se especifica el formato del campo de
dirección, el tamaño del campo de dirección varia
entre 0-20 bytes. Para el caso, una trama de
datos contiene las dos informaciones dirección
destino y dirección origen mientras que la trama
de contestación no contiene ninguna dirección.
Por otro lado, una trama beacon solo contiene la
información
de
la
dirección
origen.
Adicionalmente, pueden ser usados dispositivos
de direccionamiento corto de 8 bits o dispositivos
de direccionamiento de 64 bits IEEE. Esta
estructura flexible ayuda a incrementar la
eficiencia del protocolo porque mantiene
paquetes cortos.
El campo de datos tiene una carga de datos
de hasta 104 bytes, dando una máxima longitud
de la trama de 127 bytes [4]. Se puede incluir un
‘tiempo de silencio’ entre tramas, para enviar un
pequeño paquete después de la transmisión de
cada paquete. El paquete MAC, se utiliza para el
control
remoto
y
la
configuración
de
dispositivos/nodos. Una red centralizada utiliza
este tipo de paquetes para configurar la red a
distancia.
Finalmente, la trama beacon ‘despierta’ los
dispositivos, que escuchan y luego vuelven a
‘dormirse’ si no reciben nada más. Estos
paquetes son importantes para mantener todos
los dispositivos y los nodos sincronizados, sin
tener que gastar una gran cantidad de batería
estando todo el tiempo encendidos [5].
esquema de modulación utilizado, alcanzando
alto rendimiento y baja latencia. La PHY de
868/915 MHz con bajas velocidades presenta
mejor sensibilidad y gran área de cobertura, así
dependiendo de los requerimientos en las
distintas aplicaciones puede escogerse de entre
las dos capas PHY.
8. Capa Física
9. Canalización
Se muestra dos alternativas de la capa física
bien diferenciadas por el estándar IEEE 802.15.4,
ambas basadas en Direct Secuence Spread
Spectrum/Espectro Ensanchado por Secuencia
Directa (DSSS), que reduce el costo del
hardware, además permitiendo funcionar en
bandas no licenciadas ya pobladas coexistiendo
con otras tecnologías. El DSSS no exige una
necesidad de sincronización tan grande como
otras variantes CDMA (como es el caso del
FHSS) lo que permite en la práctica el poder
pensar en tener redes escalables con grandes
cantidades de elementos.
Para la capa PHY se tienen tres bandas
distribuidas de la siguiente manera tabla 2: la
primera banda de 868 MHz va desde 868.0 y
868.6 MHz con 1 solo canal, la segunda banda
de 915 MHz con 10 canales entre 902.0 y 928.0
MHz y la ultima banda de 2.4 GHz soporta 16
canales entre 2.4 GHz y 2.4835 GHz, dando una
totalidad disponible de 27 canales, figura 4.
Claramente se nota que para las dos primeras
bandas el espaciamiento entre canales es
bastante estrecho, mientras que para la tercera
banda es muy amplio (5MHz) facilitando el
filtrado. Un problema de trabajar en estas bandas
es
la
interferencia
involuntaria
de
electrodomésticos. El estándar fue diseñado para
implementar una selección dinámica de canales,
a través de una selección específica de
algoritmos la cual es responsabilidad de la capa
red.
Las dos capas físicas son muy similares
incluso en la estructura de trama, se diferencian
por la banda de frecuencia de operación. Dentro
de Europa, funciona en las bandas ISM (banda
para investigación científica y médica) de 2.4
GHz (dando una velocidad de transmisión en esa
banda de 250 Kbps en 16 canales) y en la banda
de 868 MHz (con 20 kbps en 1 canal). Para
América, sus bandas de funcionamiento son la
ISM de 2.4 GHZ con las consideraciones
apuntadas mas la banda de 915 MHz, en la que
proporciona 40 kbps con 10 canales.
Las capas físicas son denominadas PHY,
para la capa que tiene alta tasa de bit se debe al
Figura 4. Estructura de canales IEEE 802.15.4
10. Estructura de Paquetes
El paquete PPDU (Unidades de Datos de
Paquetes de la capa PHY) contiene cuatro
campos, figura 5: Preámbulo (32 bits) utilizado
para la sincronización, específicamente el bit 32
es usado para la adquisición de símbolos, acortar
tiempo y a veces para ajustar cambios bruscos
de frecuencia.
La sensibilidad esta en función de la
sensibilidad del receptor y potencia del
transmisor, considera tolerancia por errores de
fabricación, los equipos se recomienda 10 dB por
encima de las especificaciones.
La IEEE
802.15.4 especifica: Para la PHY de 2.4 GHz,
sensibilidad de -85 dBm para la PHY de 868/915
MHz, sensibilidad de -92 dBm. Con capacidad
por dispositivo de transmitir de 1 mW variando
este valor con las necesidades de la aplicación,
la suficiente para aprovechar mejor la energía,
incluso se puede lograr buenos alcances
dependiendo de la topología utilizada.
Delimitador de inicio de paquete (8 bits).
Cabecera de la PHY (8bits) que especifica la
longitud del PSDU (Unidades de Datos de
Servicio de la PHY). Payload (menor a 127 bytes)
que contiene la información es de longitud
variable (no puede ser cero por overhead de la
MAC), figura 3. Para aplicaciones del hogar esta
entre 30-60 bytes, para aplicaciones con
mayores requerimientos los paquetes son
grandes. Las dos PHYs comparten una misma
estructura de paquetes manteniendo una simple
interfaz. La duración máxima de paquete es de
4.25 mseg (para 2.4 GHz, 250 Kbps) y 53.2 mseg
la mínima (para 868 MHz, 20Kbps).
Las interferencias provocadas por sistemas
que operan en la misma banda (microondas, etc.)
producen una baja calidad de servicio por lo que
el envío de paquetes requiere varios reintentos
(no comunicación asíncrona). Otra característica
relevante es que presentan un ciclo de trabajo
muy bajo (inferior al 0.1%), con lo que solo
“despiertan” en el momento de enviar o recibir
información, permaneciendo “dormidos” la
inmensa mayor parte del tiempo.
11. Modulación
La banda 868/915 MHz emplea DSSS que
consiste en dividir un bit en una secuencia de 15
chips (máximo) que es multiplicada por la
secuencia de datos binarios +1 ó -1, este
resultado se modula con BPSK(Modulación
binaria con desplazamiento de fase), para una
mejor recepción se codifica antes de modular.
Para la banda de 2.4 GHz utiliza una técnica
semiortogonal 16-arios (basada en DSSS) en la
que 4 bits, especifican una de las 16 secuencias
que agregadas al chip la secuencia resultante se
modula con MSK (Modulación de mínimo
desplazamiento de fase) ó también llamada
OQPSK tabla 2.
La señalización ortogonal
mejora en 2 dB que BPSK diferencial, en cambio
para la banda de 868/915 MHz tiene 6-8 dB de
mejor sensibilidad.
13. Aplicaciones
ZigBee es un protocolo de baja energía y
corto alcance especialmente diseñado para
pequeños dispositivos de edificios, y podría ser
utilizado en aplicaciones como:
•
•
12. Sensibilidad Potencia e Interferencia
PHY
868/
915
MHz
2.4
GHz
Banda
Canales
868.0868.6
MHz
902.0928
MHz
2.44.4835
GHz
1
Escenas lumínicas y control.
Interfaz con sistemas de
sensores.
Parámetros de los Datos
Velocidad
Velocidad
Modulación
de bits
de
(kbps)
símbolos
(kbaud)
20
20
BPSK
seguridad
Parámetros del chip
Velocidad
Modulación
de chip
(kchips/s)
300
BPSK
10
40
40
BPSK
600
BPSK
16
250
62.5
16-aria
ortogonal
2000
O-QPSK
Tabla 2. Parámetros de las bandas IEEE 802.15.4
y
•
•
•
•
•
•
Sensores residenciales (De agua,
humedad, temperatura)
Control de acceso
HVAC Aire acondicionado y calefacción
Control de audio y video
Manejo de electrodomésticos
Ahorro energético
de
ahorro de energía lo cual es útil desde el punto
de vista de no tener que estar reemplazando
baterías permanentemente, sin hablar del
beneficio económico que esto implica al usuario
final.
Además de poder comunicarse entre los
distintos sistemas, así por ejemplo. La
iluminación, como subsistema de un edificio,
necesita poder comunicarse con otros
subsistemas para ofrecer mayores niveles de
comodidad personal y seguridad [7].
Otro aspecto muy importante de esta
tecnología respecto a lo económico radica en el
hecho de estar trabajando en una banda no
licenciada
implicando
directamente
una
reducción de coste a más de los costes de
instalación que también serán bajos; y podrá
trabajar interactuando con otras tecnologías que
están en la misma banda.
14. El futuro de ZigBee
16. Bibliografía
ZigBee tiene un gran potencial para el futuro.
Los beneficios son numerosos para los
propietarios de edificios, consultores, personal
de mantenimiento, instaladores y usuarios
finales. Las aplicaciones también son infinitas.
En el futuro, vislumbramos el uso del protocolo
ZigBee en los sistemas de manejo de activos y
de rastreo, generadores, elevadores, etc.,
compartiendo
datos
que
pueden
ser
transformados en información viable, y
permitiendo a los usuarios explotar sus negocios
de manera más eficiente. Con el paso de los
años, los fabricantes han desarrollado muchos
lenguajes (incluyendo los inalámbricos), pero por
primera vez ZigBee está en capacidad de dirigir
los problemas de interoperabilidad, duración de
la batería y costos.
[1] www.domodesk.com, Domótica y redes
ZigBee.
Varias compañías están activamente
integradas a ZigBee Alliance para poder ofrecer
el soporte y la experiencia necesaria para
desarrollar esta tecnología para futuras
aplicaciones en la automatización de edificios.
15. Conclusiones
El estándar IEEE 802.15.4 provee
características solo provee para las capas PHY
y MAC lo cual es muy ventajoso ya que deja
abierto al diseño de las capas superiores
dependiendo de la aplicación, las cuales podrán
ser una gran variedad, lo cual representa que la
topología de red también estará abierta ha estas
aplicaciones.
Las redes ZigBee proveen protocolos muy
simples y flexibles tanto en seguridad como en
[2] IEEE comunication magazine, august 2002,
pg 71.
[3] SILICA, Ing. Jordi Mayné, Estado Actual de
las comunicaciones Inalámbricas, pg 13-17
[4] http://www.zigbee.org
[5] http://www.ieee802.org/15/pub/TG4.html
[6]http://www.semiconductors.philips.com/techno
logies/wirelessconnectivity/zigbee/
[7]
http://www.acrlatinoamerica.com
septiembre - octubre 2005 pg. 28 – 30
edición
17. Biografía
Yohana Elizabeth Alverca Maza
Nacida en Loja-Ecuador el 06 de
Diciembre de 1983. Obtuvo su
título de Bachiller en ciencias con
especialización en Informática.
Ha recibido reconocimientos por
mención
Académica
de
Abanderada en la primaria y
secundaria.
Actualmente se
encuentra en Octavo Semestre de la Carrera de
Ingeniería Electrónica y telecomunicaciones de
la Escuela Politécnica Nacional.
Freddy J. Berrazueta S.
nacido en la ciudad de
Ambato el 15 de Diciembre
de 1983, se graduó de
bachiller en Humanidades
Modernas especialización
Físico Matemático en el
Instituto Técnico Superior
Bolívar de Ambato, en junio
del
2001.
Actualmente
estudiante de octavo semestre en la carrera de
Ingeniería Electrónica y Telecomunicaciones en
la Escuela Politécnica Nacional.