¿Qué es la tecnología ZigBee y cómo funciona?

¿Qué es ZigBee?

ZigBee es un protocolo de communicación inalámbrica ampliamente utilizado en el Internet de las Cosas (IoT) y Máquina a Máquina (M2M). El principal objetivo de establecer una tecnología inalámbrica de baja velocidad es conseguir dispositivos de extremo a extremo de bajo consumo. El estándar inalámbrico ZigBee se basa en el estándar de red de área personal IEEE 802.15.4. Funciona en el espectro sin licencia de bandas 2,4 GHz, 900 MHz y 868 MHz. Además de tener una tarifa baja, los dispositivos ZigBee tendrían un menor consumo de energía, lo que les permitiría tener una batería de larga duración. Aquí es donde los dispositivos ZigBee tendrían sus ventajas sobre tecnologías inalámbricas de corto alcance similares como Bluetooth y Wi-Fi. Los dispositivos Wi-Fi y Bluetooth tienen una duración de batería muy superior a la de los dispositivos ZigBee. El alcance operativo de los dispositivos ZigBee oscila entre 10 y 100 m. La propuesta de ZigBee fue realizada por una alianza conocida como ZigBee Alliance, creada en 2002. Posteriormente, en 2005, se anunció ZigBee 1.0 como una red inalámbrica de área personal (WPAN). Cuando se trata de cuestiones de seguridad, ZigBee tiene sus propias ventajas sobre sus competidores como Wi-Fi. Con todas estas prometedoras características, ZigBee se utiliza ampliamente en muchos sectores y aplicaciones y está ganando una gran popularidad en el mercado.

Redes ZigBee

Antes de entrar en los aspectos esenciales de las redes ZigBee, conviene identificar varios tipos de nodos ZigBee. Cada red ZigBee tiene al menos un coordinador, unos cuantos routers y muchos dispositivos finales. Un coordinador tiene las siguientes características:

• No debe estar inactivo en ninguna situación dada
• Inicializa la red seleccionando el canal y el PAN ID.
• Enruta los datos en la red y permite que los routers y los dispositivos finales se unan a la red.

Un router tiene las siguientes características:

• Es obligatorio que un router se una a la red antes de transmitir y recibir datos
• Enruta los datos en la red
• No debe estar inactivo

Un dispositivo final tiene las siguientes características:

• Puede entrar en modo de reposo cuando no está transmitiendo datos
• Sólo puede enviar y recibir datos a través de su matriz

Una vez identificados los principales componentes de una red ZigBee, a continuación analizaremos diversas topologías de red en una red ZigBee. Una red ZigBee puede realizarse utilizando la topología en estrella, en la que un coordinador ZigBee es un control central. Este nodo central recopilaría toda la información de todos los nodos sensores conectados. La topología en árbol es otra topología de red ZigBee famosa. Esta topología sigue la estructura de árbol, rama y hoja. Una red ZigBee también puede realizarse utilizando una topología de malla. Sin embargo, dado que sólo los dispositivos finales son capaces de dormir, las redes ZigBee no pueden ser reales. Redes malladas. Por ello, se utiliza un protocolo conocido como "DigiMesh" para realizar redes Mesh.

Arquitectura ZigBee

La arquitectura ZigBee consta de cinco capas principales. Son (de abajo a arriba):

1. Capa física

Esta capa está definida bajo el estándar IEE 802.15.4 WPAN Standard. Su principal responsabilidad es controlar el transceptor de radio y enviar commandos e información como paquetes de datos entre varios dispositivos.

2. Capa de control de acceso al medio (MAC)

Esta capa actúa como capa intermedia entre la capa de red y la capa física. La capa MAC también se define en la norma IEE 802.15.4 WPAN. También es responsable de transferir las tramas de baliza para la sincronización.

3. Capa de red

Esta capa se define en la especificación ZigBee. Se encarga de todas las operaciones de red. Esto incluye:

• Configuración de la red
• Conexión y desconexión de dispositivos finales
• Enrutamiento
• Configuración del dispositivo

4. Subcapa de soporte de aplicaciones

Esta capa proporciona servicios para que los dispositivos finales interactúen con la capa de red. Estos servicios los prestan la entidad de datos de soporte de aplicaciones y la entidad de gestión de soporte de aplicaciones.

5. Capa de aplicación

Es la capa final y superior de la arquitectura ZigBee. Contiene aplicaciones de usuario y ZigBee Device Objects (ZDOs). Los ZDO son responsables de proporcionar una interfaz entre los objetos de aplicación y la subcapa de soporte de aplicaciones en los dispositivos ZigBee. También es responsable de vincular nuevos dispositivos y eliminar dispositivos existentes de la red.

¿Cuándo considerar ZigBee?

Antes de identificar por qué ZigBee sería un gran candidato para su aplicación de diseño. En primer lugar, consideremos algunas de las especificaciones ZigBee disponibles en el mercado. Existen tres especificaciones principales de ZigBee, a saber:

• ZigBee Pro: Proporciona communicación de dispositivo a dispositivo de bajo consumo. También ofrece la nueva función "Green Power", que fomenta la autoalimentación de los dispositivos mediante la captación de energía.
• ZigBee RF4CE: Se trata de una especificación ZigBee sencilla, en la que el usuario no necesita la compleja capacidad de red Mesh del estándar ZigBee.
• ZigBee IP: esta especificación proporciona redes de malla inalámbricas completas basadas en IPv6.

ZigBee es ideal para aplicaciones que requieren un bajo consumo de energía, con un enorme número de dispositivos interconectados entre sí. ZigBee no es ideal para aplicaciones que requieren altas velocidades de transmisión de datos y es más adecuado para distancias de entre 1 y 100 metros. También es adecuado para aplicaciones que requieren alta fiabilidad. Las redes ZigBee Mesh consiguen una alta fiabilidad. Otra característica interesante de la red ZigBee Mesh es su capacidad de autorreparación. Esta capacidad de autocuración puede ayudar a la red a repararse automáticamente con los cambios del entorno. ZigBee también está equipada con encriptación AES-128-CCM para asegurar la communicación.

Ventajas y desventajas de ZigBee

Comparemos ZigBee con otras soluciones WPAN IoT y M2M más buscadas del sector.

Aplicaciones de ZigBee

ZigBee se utiliza en diferentes verticales e industrias del mundo moderno debido a su menor consumo de energía y a su creciente popularidad. ZigBee es cada vez más popular, ya que ZigBee Alliance crece día a día haciendo que diferentes dispositivos sean interoperables entre sí. Algunas de las principales áreas de aplicación en las que se despliega ZigBee son:

• Electrodomésticos inteligentes: Incluyen electrodomésticos inteligentes y dispositivos inteligentes de control de la salud. Se limitan a un espacio personal determinado en el que es necesario supervisar y controlar los dispositivos.
• Sistemas de iluminación inteligentes: Estos sistemas gestionarían las variaciones de iluminación en un espacio determinado controlando la penetración de la luz a distancia o mediante aplicaciones internas.
• Sistemas inteligentes de gestión de la energía: Incluyen contadores inteligentes y dispositivos inteligentes de seguimiento solar que ayudarían al usuario a supervisar y controlar variables importantes del entorno y de la empresa de servicios públicos.
• Espacios comerciales inteligentes: Los supermercados y tiendas minoristas inteligentes pueden utilizar sensores y dispositivos basados en ZigBee para operar un sistema autodidacta. Entre ellos se encuentran los carros de la compra inteligentes y las estanterías electrónicas.
• Sistemas de aparcamiento inteligentes: ZigBee puede utilizarse para mantener eficazmente una plaza de aparcamiento para mejorar las necesidades de los usuarios.

Conclusión

En conclusión, podemos decir que ZigBee es un candidato ideal para las redes WPAN que requieren baja potencia y baja velocidad de transmisión de datos. Con el creciente número de organizaciones e industrias que se unen a ZigBee Alliance, es una tecnología prometedora para el futuro.