Protocolo Zigbee

No ano de 2002 foi criada a ZigBee Alliance, uma associação de empresas, universidades e agências governamentais, que tinham o intuito de desenvolver o protocolo ZigBee. Este padrão estabelece uma pilha protocolar de implementação simplificada, sendo estruturado basicamente em 3 características principais: baixo custo, baixo consumo de energia e reduzida taxa de transferência de dados (250 kbps). Por conta disto é comum sua aplicação em monitoramento e controle industrial, automação residencial e de sistemas de energia.

A pilha da plataforma ZigBee é definida sobre duas camadas, a Camada de Aplicação APL (Application Layer) e a Camada de Rede NWK (Network Layer).

Compreendendo ZigBee

O ZigBee oferece basicamente quatro tipos de serviços diferentes:

  • Serviços de Encriptação Extra: as chaves de aplicações e de rede implementam a criptografia AES (Advanced Encryption Standard) extra de 128b
  • Associação e autenticação (somente nós válidos podem se juntar à rede).
  • Protocolo de roteamento : AODV (Ad Hoc On-Demand Distance Vector), um protocolo ad hoc reativo foi implementado para executar o processo de roteamento e encaminhamento de dados para qualquer nó da rede. Trata-se de um protocolo adaptativo a cenários de alta mobilidade, que tende a evitar desperdício de banda, minimizar o processamento nos nós que atuam na rede e fazer a manutanção das rotas de pacotes existentes.
  • Serviços de Aplicação: um conceito abstrato chamado "cluster" é introduzido. Cada nó pertence a um cluster predefinido e pode tomar um número predefinido de ações. Exemplo: o "conjunto de sistemas da luz da casa" pode executar duas ações: "acender as luzes" e "desligar as luzes".

ZigBee é uma camada pensada para organizar a rede. A primeira coisa que um nó (rota ou dispositivo final) que quer se juntar à rede tem que fazer é pedir ao coordenador para um endereço de rede (16b), como parte do processo de associação. Todas as informações na rede são encaminhadas usando este endereço e não o endereço MAC (64b). Nesta etapa, os procedimentos de autenticação e criptografia são realizados.

Uma vez que um nó se juntou à rede pode enviar informações aos seus irmãos através dos roteadores que estão sempre acordados à espera dos pacotes. Quando o roteador obtém o pacote e o destino está em seu campo de sinal, o roteador primeiro olha se o dispositivo final de destino está acordado ou dormido. No primeiro caso, o roteador envia o pacote para o dispositivo final, no entanto, se estiver dormindo, o roteador irá proteger o pacote até que o nó do dispositivo final fique acordado e peça novidades ao roteador.

O Zigbee possui basicamente dois modos de operação: o modo Beaconing e o non-beaconing. Eles contribuem para o baixo consumo de energia do protocolo.

O primeiro trata-se de um modo em que os roteadores enviam periodicamente beacon frames, mensagens sinalizadoras que confirmam sua presença na rede. Desse modo, os nós podem se manter inativos durante esse intervalo entre o envio de uma mensagem e outra, poupando energia. Já o último trata-se da não utilização desses beacon frames, pois em alguns casos pode ser mais custoso manter essa sincronia, e os dispositivos permanecem ativos todo o tempo, o que torna maior o gasto em termos de energia.

Componentes

Existem três tipos de nós em uma rede deste tipo:

  • Coordenador: é o dispositivo "mestre", governa toda a rede
  • Roteadores: roteiam as informações enviadas pelos dispositivos finais
  • Dispositivo final: são os nós sensores, os que tomam as informações do meio ambiente
Zigbee x Bluetooth

O Zigbee e o Bluetooth são ambos protocolos que especificam redes de área pessoal sem fio (WPAN), porém pertecentes a padrões (MAC + PHY) diferentes, Zigbee - IEEE 802.15.4, e Blueetooth - IEEE 802.15.1. Não existe exatamente uma comparação de qual é melhor ou pior, pois cada um deles foi criado para uma determinada finalidade.

A utilização do Bluetooth, por exemplo, é mais apropriada na sincronização de PCs, telefones celulares, transferência de arquivos entre PCs e Impressoras e aplicações de áudio, como fone sem fio. Isso se dá em virtude de sua taxa de transferência que chega a ser de 4 a 12 vezes mais rápida (Blueetooth 1.2 e 2.0) do que a do Zigbee. Enquanto que o Zigbee é mais adequado para as aplicações de Controle, redes com pequenos pacotes de dados, rede de Sensores, redes com muitos dispositivos e onde consumo de bateria pode ser crítico. Vale ressaltar que o número de dispositivos numa rede Bluetooth está na casa de unidades ou dezenas, enquanto que numa rede com o protocolo Zigbee esse número pode chegar a 65535 dispositivos.

Por conta da durabilidade da bateria, outra diferença está na alimentação desses dispositivos. Em aplicações Bluetooth, geralmente, os dispositivos são recarregados periodicamente, como celulares, fones e etc. Enquanto que no padrão Zigbee. estes podem ser alimentados com pilhas comuns e a expectativa de duração das mesmas é superior a 2 anos.

Abaixo uma tabela comparativa:



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