Capitulo 3

Capítulo 3 El Estándar Zigbee

Capitulo 3 El Estándar Zigbee 3.1. Estándar 802.15.4

3.1.1

Introducción.

Actualmente se dispone de un gran número de estándares inalámbricos (BLUETOOTH, WIFI,WIMAX, LMDS, etc.) orientados hacia aplicaciones con altos requerimientos de ancho de banda (redes domésticas y de oficina, videoconferencia, VOIP, etc.), pero falta algún estándar inalámbrico específico para redes de sensores en aplicaciones industriales y domésticas. El inconveniente de utilizar cualquiera de los estándares inalámbricos antes mencionados radica en el gran consumo de energía y el ancho de banda que utilizan frente a la baja tasa de bits enviados por cualquier aplicación sensora o de control y sus bajos requerimientos de energía. En un principio, cada fabricante de nodos sensores ha optado por utilizar soluciones propietarias, lo que trajo problemas de interoperabilidad entre los diversos fabricantes. La industria noto que hacía falta un nuevo estándar que aúne autonomía, envío de datos de baja capacidad y un bajo costo, por esta razón nació el estándar IEEE 802.15.4 comercialmente llamado ZigBee. Se ha convenido llamar a esta clase de redes LR-WPAN ( Low Rate Wireless Personal Area Network ), ), dado sus bajas tasas de transmisión y su corto alcance.

29


Algunas las características del estándar se resumen en la tabla 3.1 Característica

Rango

Bandas de Frecuencia

868 MHz 915 MHz 2.4 GHz

Alcance

10 – 20 metros

Retardo (Latencia)

Menor a 15ms

Número de Canales Canales

868/915 MHz: 11 canales 2.4 GHz: 16 canales

Rango de Transmisión de datos

868 MHz: 20 kb/s 915 MHz: 40 kb/s 2.4 GHz: 250 kb/s

Direccionamiento

Corto de 8 bits o de 64 bits IEEE

Canal de acceso

CSMA-CA CSMA-CA ranurado

Temperatura

Rango de temperaturas industrial -40OC a 85OC Tabla 3.1 Propiedades del estándar IEEE 802.15.4

3.1.2

Topología de Red

En las redes tradicionales, la capa de red es responsable de construir la topología de red y del mantenimiento de la misma, así como de los servicios de enlace que incorpora las tareas necesarias de direccionamiento y seguridad 1. Estos mismos servicios existen para redes inalámbricas de bajo consumo, sin embargo tiene mayores retos debido a la primicia de ahorro de energía. El estándar IEEE 802.15.4 dispone de 2 tipos distintos de dispositivos:

1

Address-Free Architecture Architecture for Dynamic Sensor J. Elson and D. Estrin, “ An Address-Free Networks” Tech. rep. 00-724, Comp. Sci. Dept., USC, Jan. 2000.

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Algunas las características del estándar se resumen en la tabla 3.1 Característica

Rango

Bandas de Frecuencia

868 MHz 915 MHz 2.4 GHz

Alcance

10 – 20 metros

Retardo (Latencia)

Menor a 15ms

Número de Canales Canales

868/915 MHz: 11 canales 2.4 GHz: 16 canales

Rango de Transmisión de datos

868 MHz: 20 kb/s 915 MHz: 40 kb/s 2.4 GHz: 250 kb/s

Direccionamiento

Corto de 8 bits o de 64 bits IEEE

Canal de acceso

CSMA-CA CSMA-CA ranurado

Temperatura

Rango de temperaturas industrial -40OC a 85OC Tabla 3.1 Propiedades del estándar IEEE 802.15.4

3.1.2

Topología de Red

En las redes tradicionales, la capa de red es responsable de construir la topología de red y del mantenimiento de la misma, así como de los servicios de enlace que incorpora las tareas necesarias de direccionamiento y seguridad 1. Estos mismos servicios existen para redes inalámbricas de bajo consumo, sin embargo tiene mayores retos debido a la primicia de ahorro de energía. El estándar IEEE 802.15.4 dispone de 2 tipos distintos de dispositivos:

1

Address-Free Architecture Architecture for Dynamic Sensor J. Elson and D. Estrin, “ An Address-Free Networks” Tech. rep. 00-724, Comp. Sci. Dept., USC, Jan. 2000.

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

FFD (Full Function Device ): que son dispositivos que tienen funcionalidad completa, pueden operar como Coordinador de Red de Área Personal (Coordinador PAN) o como dispositivo de red ( end point ). ).



Reduced Function Device): dispositivos con funcionalidad reducida. RFD ( Reduced

Solamente pueden recibir ordenes o informar a un coordinador de red más cercano. Es decir son los dispositivos de red (sensores o actuadores) usados en aplicaciones simples. El estándar IEEE 802.15.4 soporta dos tipos de topologías para su conexión en red: Topología en estrella ( star ): ): Todos los nodos de una misma WPAN están coordinados por un único nodo FFD que recibe el nombre de Coordinador de Red y entre sus principales tareas se encuentran la de coordinar el acceso al medio. El Coordinador de Red, al tener el papel principal de “organizador”, posee unos requerimientos de energía mayores que el resto de nodos y es por ello que este suele ser un nodo con una unidad de energía no agotable (conectado a la red eléctrica). Topología igual a igual ( peer to peer ): ): Todos sus nodos suelen ser FFD, ya que todos tienen la misma prioridad de acceso al medio, y aunque existe un coordinador PAN, éste no tiene funciones relevantes. Difiere de la topología en estrella en que cualquier nodo se puede contactar con otro sin permiso del coordinador PAN. Es similar a arquitecturas de red mesh (malla) o Ad–Hoc.

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Figura 3.1: Tipos de Redes: Red Estrella Estrella e igual a igual

La topología a escoger es una elección de diseño y va a estar dado por la aplicación a la que se desee orientar, algunas aplicaciones como periféricos e interfases de PC, requieren de conexiones de baja potencia tipo estrella, mientras que otros como perímetros de seguridad necesitan mayor área de cobertura por lo que se debe implementar una red igual a igual. Cada PAN puede seleccionar un identificador de red único. Este identificador PAN permite la comunicación entre dispositivos dentro de una red usando direcciones cortas y permitiendo transmisiones entre dispositivos sobre redes independientes. 3.1.3

Arquitectura

La arquitectura del estándar esta definida por capas. Cada capa es responsable r esponsable de los servicios ofrecidos ofrecidos a capas superiores. El esquema de capas se basa basa en el modelo de referencia para la interconexión interconexión de sistemas abiertos (OSI) de organización internacional para la estandarización (ISO).

32

la


Figura 3.2: Arquitectura del Estándar IEEE 802.15.4

El estándar IEEE 802.15.4 incluye a la capa física (PHY), que define las Frecuencias de Radio (RF) que se utilizan para los enlaces, además de los mecanismos de control de bajo nivel, también incluye a la subcapa MAC que proporciona acceso al canal físico, a través de diferentes tipos de transferencia. Las capas superiores que se muestran en la figura 3.2, consisten en la capa de red y la capa de aplicación. La capa de red provee la configuración de red, manipulación y encaminado de mensajes. La capa de aplicación provee las funciones que se quiere implementar en el dispositivo. La definición de estas capas superiores no le corresponde al estándar IEEE

802.15.4, pero están definidas en la

especificación Zigbee. 3.1.4

Capa de Enlace de Datos (Data Link Layer: DLL).

El estándar IEEE 802 [2] divide al DLL en dos subcapas: 

Subcapa de Control de Acceso al Medio (Médium Access Control, MAC)



Subcapa de Control de Enlaces Lógicos (Logical Link Control, LLC). La subcapa LLC es común en todos los estándares IEEE 802, mientras que la

subcapa MAC depende del hardware y puede variar con la implementación de la capa física. 33


Figura 3.3: IEEE 802.15.4 en el modelo de capas ISO-OSI

La subcapa MAC, brinda dos servicios: 

Servicio de Datos MAC, que habilita la transmisión y recepción de unidades de datos de protocolo MAC (MPDUs) a través de la capa física



Administrador de servicios MAC, que sirve de interfase entre la subcapa MAC y el dispositivo, tiene 26 primitivas de servicio o comandos, comparadas con

802.15.1 (Bluetooth TM), que tiene alrededor de 131

primitivas y 32 comandos. El administrador de servicios MAC es muy simple y versátil para las aplicaciones para las que fue orientada, obteniéndose un hardware sencillo y barato de fabricar, auque se paga el costo de tener un instrumento con características menores a las del 802.15.1, como por ejemplo 802.15.4 no soporta enlaces sincronizados de voz.

Las características del MAC IEEE 802.15.4 son: 

Generar beacons (guías) en el caso de ser un coordinador de red y que el resto de nodos se sincronicen al ritmo de los beacons.

34




Mecanismo de acceso al medio CSMA-CA ( Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance ), es decir

evita interferencias en las comunicaciones

ya que los dispositivos escuchan antes de transmitir. 

Validación de tramas



Asociación o disociación a una PAN.



Funciones de seguridad (encriptación AES de 128 bits).



QoS mediante gestión de GTS ( Granted Time Slot ).



Entrega de tramas de confirmación: Acknowledgment Frame (ACK’s).

3.1.5

Formato General de Tramas MAC.

El formato general de las tramas MAC se diseño para ser muy flexible y para que se ajustara a las necesidades de las diferentes aplicaciones con diversas topologías de red y al mismo tiempo mantener un protocolo simple. El estándar IEEE 802.15.4 tiene cuatro diferentes tipos de tramas. Estas son: 

Tramas de datos ( Data Frame),



Tramas de confirmación ( Acknowledgment Frame)



Tramas de comandos MAC ( MAC Command Frame)



Tramas de Beacon “Guía” ( Beacon Frame), Solo las tramas de datos y tramas beacon contienen información proveniente

de capas superiores; las tramas de mensajes de confirmación y la de comandos MAC son originadas en la MAC y son usadas por la MAC para comunicaciones igual a igual.

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Figura 3.4: Formato General de las Tramas MAC

La trama de Unidad de Datos del Protocolo MAC (MPDU, MAC Protocol Data Unit ),

se compone del encabezado MAC (MHR, MAC HeadeR), Unidad de

Servicio de Datos MAC (MSDU, MAC Service Data Unit ) y termina con el chequeo de la trama (MFR Mac FooteR). El primer campo de la trama de encabezado MHR es el campo de control, denominado Frame Control. Frame Control,

indica el tipo de trama MAC que se pretende trasmitir,

especifica el formato, el campo de dirección y controla los mensajes “ACK” (confirmación). En pocas palabras, la trama de control (Frame Control) especifica como es el resto de la trama de datos y que es lo que contiene. Data Sequence Number,

verifica la integridad de la trama MAC. Es una

secuencia de números, al igual que tramas FCS. La secuencia de números en los encabezados enlaza a las tramas de ACK con trasmisiones anteriores. Una transmisión se considera exitosa solo cuando la trama de confirmación (ACK) contiene la misma secuencia de números que la secuencia anterior trasmitida. Las tramas FCS ayudan a verificar la integridad de las tramas del MAC. Address information,

el tamaño de las direcciones puede variar entre 0 y 20

bytes. Por ejemplo, una trama de datos puede contener información de la fuente y del destinatario, mientras que la trama “ACK” no contiene ninguna información de 36


ninguna dirección. Por otro lado una trama de guía solo tiene información de la dirección de la fuente. Esta flexibilidad en la estructura ayuda a incrementar la eficiencia del protocolo al mantener los paquetes lo más reducidos posibles. Payload , es de longitud variable; sin embargo, la trama completa de MAC no

debe de exceder los 127 bytes de información. Los datos que lleva “ Payload ” dependen del tipo de trama. FCS (Frame Check Sequency),

es una trama de chequeo de 16 bits CRC

(Cyclic Redundancy Chech). 3.1.5.1 Estructura de la trama de Datos ( Data Frame)

La trama de datos se origina en capas superiores. La carga útil de datos es enviada a la subcapa MAC y se la denomina MSDU, es limitada por una trama MHR (Header) al inicio y por una trama MFR (Footer) al final. El MPDU es enviado a la capa física como carga útil ( payload ) de datos de la capa física (PSDU), el cual junto con una trama SHR y una trama PHR forman el paquete de datos de la capa física PHY (PPDU)

Figura 3.5: Estructura de la Trama de Datos

3.1.5.2 Estructura de la trama ACK ( Acknowledgment Frame)

La trama ACK proporciona el intercambio de información activa desde el receptor al emisor de que el paquete fue recibido sin error. Este paquete corto

37


aprovecha el tiempo de silencio ( quiet time), especificado por la norma, inmediatamente después de la transmisión del paquete de datos. Es originada en la subcapa MAC

Figura 3.6: Estructura de la Trama ACK

3.1.5.3 Estructura de la trama de Comandos MAC ( MAC Command Frame)

La trama de Comandos MAC es un mecanismo para el control o configuración a distancia de los dispositivos de los nodos. Permite que un director de la red centralizado pueda configurar a los dispositivos individualmente sin importar lo grande que sea la red.

Figura 3.7: Estructura de la Trama de Comandos MAC

En la estructura se puede ver que solo se añade el campo “ Command Type” a la estructura de trama de Datos.

38


3.1.5.4 Estructura de la trama Beacon ( Beacon Frame)

La trama Beacon añade un nuevo nivel de funcionalidad a la Red. Los dispositivos de los nodos pueden despertarse solamente cuando es transmitida una señal de guía o “ beacon”, escuchar su dirección y volver al estado dormido, con el consecuente ahorro de energía. Las tramas Beacon son importantes en las redes “mesh” y “cluster tree” para mantener todos los nodos sincronizados sin requerir que los nodos consuman energía de la batería, escuchando durante largos periodos de tiempo.

Figura 3.8: Estructura de la Trama Beacon

Esta estructura de trama Beacon contiene las denominadas Supertramas (Superframes ). 3.1.6

Estructura de Supertramas

Algunas aplicaciones requieren anchos de banda dedicados para lograr estados de espera para un consumo de baja potencia. Para lograr dichos estados de espera el estándar IEEE 802.15.4 puede operar en un modo opcional llamado supertrama (superframes).

39


Figura 3.9: Estructura de Supertrama

El formato de una supertrama es definido por el coordinador de red. La supertrama esta limitada por el beacon (guía de red), que es enviado por el coordinador y esta dividido en 16 time slots o intervalos de tiempo de igual duración. El beacon de trama es transmitido en el primer time slot de cada supertrama. Si un coordinador no desea usar la estructura de supertrama, puede deshabilitar la transmisión de beacons. Los beacons son usados para sincronizar los dispositivos vinculados, para identificar la PAN y para describir la estructura de las supertramas. La supertrama puede tener un periodo activo y un periodo inactivo. Durante el periodo inactivo el coordinador puede no interactuar con su PAN y entrar en un modo de bajo consumo de energía. Para aplicaciones de bajo retardo que requieran un ancho de banda específico o para que en caso de haber mucho tráfico ciertos dispositivos tengan siempre prioridad para lograr mínima latencia, el coordinador PAN puede dedicar partes de una trama activa para esas aplicaciones. Esas porciones son llamadas Intervalos de Tiempo Garantizados ( Guaranteed Time Slots: GTS). El GTS forma el periodo libre de contención (CFP), el cual siempre aparece al final de una supertrama activa, inmediatamente luego del Periodo de Contención de acceso (Contention Access Period: CAP), que esta después de un beacon. El coordinador PAN puede asignar hasta siete GTS, y un GTS puede ocupar más de un periodo o time slot . Sin embargo una pequeña porción del CAP puede sobrar para el acceso de nuevos dispositivos que deseen unirse a la red. Todas las transacciones basadas en contención de acceso deben completarse antes que el CFP comience. 40


También cada dispositivo transmitiendo en un GTS debe asegurarse que su transacción se completo antes del que ocurra el próximo GTS o el fin de el CFP

Figura 3.10: Estructura de una Supertrama con GTS

3.1.7

Modelo de Transferencia de datos.

Existen tres modelos de transferencia de datos. El primero es la transferencia de datos desde un dispositivo a un coordinador. El segundo es la transferencia de datos desde un coordinador, el dispositivo de red es el que recibe los datos. El tercer modelo es la transferencia de datos entre 2 dispositivos iguales ( peer to peer ). En la topología estrella solo dos de esas transacciones son usadas, porque los datos solo pueden ser intercambiados entre el coordinador y un dispositivo. En la topología igual a igual los datos pueden ser intercambiados entre dos dispositivos de la red, en consecuencia las tres transacciones pueden ser usadas en esta topología. El mecanismo de cada tipo de transmisión depende si la red soporta la transmisión de beacons . Una red con habilitación de beacons es usada para soportar dispositivos con bajo retardo, tales como periféricos de PC. Si la red no necesita soportar a tales dispositivos, se puede elegir una transmisión normal y no usar beacons . Sin embargo el beacon es requerido para la asociación de la red.

41


3.1.7.1 Transferencia de datos a un Coordinador.

Cuando un dispositivo desea transferir datos a un coordinador en una red que tiene habilitado la transmisión de beacons, este primero espera el beacon de red. Cuando el beacon es encontrado, el dispositivo se sincroniza con la estructura de la supertrama. En el momento adecuado, el dispositivo transmite la trama de datos usando CSMA-CA ranurado, al coordinador. El coordinador notifica la recepción exitosa de los datos, transmitiendo una trama de confirmación. De esta manera se completa la transmisión.

Figura 3.11: Comunicación a un coordinador en una red con beacons habilitados

Cuando un dispositivo quiere transferir datos en una red sin habilitación de beacon ,

simplemente transmite su trama de datos usando CSMA-CA no ranurado al

coordinador. El coordinador notifica la recepción exitosa de los datos, transmitiendo una trama de confirmación, de esta manera se completa la transmisión.

Figura 3.12: Comunicación a un coordinador en una red sin beacons

42


3.1.7.2 Transferencia de datos desde un Coordinador

Cuando el coordinador desea transferir datos a un dispositivo en una red con habilitación de beacons, este indica en el beacon de red que el mensaje de datos esta pendiente. El dispositivo periódicamente espera el beacon de red y si un mensaje esta pendiente, transmite un comando MAC pidiendo datos, usando CSMA-CA ranurado. El coordinador confirma la recepción exitosa del pedido de datos transmitiendo una trama opcional de confirmación. La trama pendiente de datos es enviada luego usando CSMA-CA ranurado. El dispositivo confirma la recepción exitosa de los datos, transmitiendo una trama de confirmación. La transacción se completa. Una vez que la confirmación es recibida, el mensaje es removido de la lista de mensajes pendientes en el beacon.

Figura 3.13: Comunicación desde un coordinador en una red con beacon habilitado

Cuando un coordinador desea transferir datos a un dispositivo en una red sin beacons, este guarda los datos para el dispositivo apropiado para hacer contacto y pedir información. Un dispositivo puede hacer contacto transmitiendo un comando MAC pidiendo datos, usando CSMA-CA no ranurado. El coordinador confirma la recepción exitosa del requerimiento de datos transmitiendo una trama de confirmación. Si hay datos pendientes, el coordinador transmite la trama de datos, usando CSMA-CA no ranurado, al dispositivo. Si no hay datos pendientes, el coordinador transmite una trama de datos de longitud cero, para indicar que no hay

43


datos pendientes. El dispositivo confirma la recepción exitosa de los datos transmitiendo una trama de confirmación. La transacción se completa.

Figura 3.14: Comunicación desde un coordinador en una red sin beacons

3.1.7.3 Transferencia de datos igual a igual

En una PAN igual a igual, cada dispositivo puede comunicarse con todos los otros dispositivos en su campo de influencia. Para hacer esto efectivo, el dispositivo que desea comunicarse debe estar sincronizado constantemente con los otros dispositivos. En este caso el dispositivo puede simplemente transmitir sus datos usando CSMA-CA no ranurado. En otros casos se deben tomar otras medidas para lograr la sincronización. 3.1.8

Mecanismos de Robustez.

Una WPAN de baja transmisión de datos (LR-WPAN), emplea tres mecanismos de robustez para asegurar la transmisión de datos: mecanismo de acceso CSMA-CA, confirmación de tramas, y verificación de datos.

3.1.8.1 Mecanismo CSMA-CA

Dependiendo de la configuración de red, una WPAN puede utilizar uno de los dos mecanismos de acceso a canales.

44


En una red sin habilitación de beacons se usa CSMA-CA no ranurado. Cada vez que un dispositivo quiere transmitir tramas de datos o comandos MAC, este debe esperar un tiempo aleatorio. Si el canal se encuentra libre, luego de la espera el dispositivo puede transmitir los datos. Si el canal se encuentra ocupado, luego de la espera, el dispositivo debe esperar otro periodo aleatorio antes de intentar acceder al canal nuevamente. Para redes con habilitación de beacons se usa el acceso al canal CSMA-CA ranurado, en donde los intervalos (slots) de espera son alineados con el inicio de la transmisión de un beacon. Cada vez que un dispositivo desea transmitir tramas de datos durante el CAP, este debe encontrar el límite de el próximo slot de espera y luego esperar un número aleatorio de slots de espera. Si el canal esta ocupado, seguido del tiempo de espera aleatorio, el dispositivo debe esperar otro número aleatorio de slots de espera antes de intentar acceder al canal nuevamente, si el canal está libre, el dispositivo puede empezar a transmitir en el límite el próximo slot de espera disponible. 3.1.8.2 Confirmación de tramas

Una recepción y validación exitosa de tramas de datos o comandos MAC, puede ser opcionalmente confirmada con una trama de confirmación (ACK). Si el dispositivo receptor no puede recibir la trama de datos por alguna razón, el mensaje ACK no es enviado. Si el emisor no recibe una confirmación luego de algún tiempo, asume que la transmisión no se realizo y realiza una nueva transmisión de la trama. Si la confirmación aún no es recibida luego de varios intentos, el emisor puede optar por terminar el enlace o intentar nuevamente. Cuando la confirmación no es necesaria, el emisor asume que la transmisión fue exitosa.

45


3.1.8.3 Verificación de datos

Con el fin de detectar errores de bits, se emplea un mecanismo de FCS (Frame Check Sequence: Cheqeo de Secuencia de Trama). El número de secuencia en la cabecera MAC compara la trama de confirmación con la transmisión previa. La transmisión se considera exitosa solo cuando la trama de confirmación contiene el mismo número de secuencia que la trama anterior trasmitida. La FCS ayuda a verificar la integridad de las tramas del MAC. La FCS en una trama MAC IEEE 802.15.4 es de 16 bits calculados con el código de redundancia cíclica CRC estándar de la ITU-T. (Unión Internacional de Telecomunicaciones – Sector de Estandarización de Telecomunicaciones) y es usado para detectar errores de bits para proteger cada trama. 3.1.9

Seguridad

Auque el rango diverso de aplicaciones de esta norma impone varias restricciones para aplicar una seguridad más alta, se definen parámetros básicos de seguridad implementados en la subcapa MAC para garantizar el buen funcionamiento y la interoperabilidad de dispositivos. Esta línea base incluye la habilidad para mantener una lista de control de acceso (ACL) y usar criptografía simétrica para proteger las tramas transmitidas. Sin embargo estos parámetros de seguridad no necesariamente serán aplicados en todos los dispositivos y en todo momento. Las capas superiores serán las que determinen cuando implementar la seguridad en la subcapa MAC. 3.1.9.1 Servicios de Seguridad

Este estándar posee un mecanismo de seguridad de clave simétrica, que consiste en usar claves dadas por procesos de capas superiores. La administración y establecimiento de esas claves es responsabilidad del desarrollador. El proveedor de esos mecanismos asume que las claves son generadas, transmitidas y almacenadas en un modo seguro.

46


3.1.9.1.1 Control de Acceso

El control de acceso es un servicio de seguridad que brinda la capacidad a un dispositivo de seleccionar otros dispositivos con los cuales puede comunicarse. Un dispositivo mantiene una lista los dispositivos con los cuales puede esperar tramas de datos. 3.1.9.1.2 Encriptación de Datos

En este estándar la encriptación de datos es un servicio de seguridad que usa una cifra simétrica para proteger los datos de ser leídos por otros dispositivos. Los datos pueden ser encriptados usando una clave compartida por un grupo de dispositivos o usando una clave compartida entre dos pares. La encriptación puede ser de la trama de datos, de beacon, o de comandos.

3.1.9.1.3

Integridad de tramas

Este servicio de seguridad utiliza Codigos de Integridad de Mensajes (MIC), para proteger datos que no tienen clave criptográfica. La integridad puede ser dada a tramas de datos, beacons y comandos. La clave usada para dar integridad de trama puede ser compartida por un grupo de dispositivos o entre dos pares. 3.1.9.1.4 Refresco Secuencial

Es un servicio de seguridad que usa una secuencia ordenada de entradas para rechazar tramas que han sido reemplazadas por otras. Cuando una trama es recibida el valor de refrescamiento es comparado para ver si es la esperada. 3.1.9.2 Modos de Seguridad

Dependiendo del modo en el cual el dispositivo trabaje y el nivel de seguridad deseado, la subcapa MAC puede ofrecer diferentes servicios de seguridad 47


3.1.9.2.1 Modo Inseguro

Debido a que no se usa seguridad, no existen servicios de seguridad de ningún tipo operando en los dispositivos de la red 3.1.9.2.2 Modo ACL

Los dispositivos que operan en este modo, proveen servicios de seguridad limitada para la comunicación con otros dispositivos. En este modo las capas superiores pueden elegir las tramas que se rechazarán basadas en si la subcapa MAC indica si la trama pertenece a un dispositivo aceptado. Debido a que la protección criptográfica no esta soportado en la subcapa MAC en este modo, las capas superiores deben implementar otros mecanismos para garantizar la identidad de los dispositivos. 3.1.9.2.3 Modo Seguro

Los dispositivos que operan en modo seguro pueden proveer de cualquiera de los servicios de seguridad descritos anteriormente. Los servicios ofrecidos dependen de la configuración de seguridad usada. Los servicios que se pueden ofrecer en el modo seguro son: 

Control de Acceso



Encriptación de Datos



Integridad de Trama



Refrescamiento Secuencial

3.1.10 Capa Física

El IEEE 802.15.4 ofrece dos opciones de capa física PHY, que se combinan con el MAC para permitir un amplio rango de aplicaciones en red. Ambas PHYs se basan en métodos de secuencia directa de espectro expandido (DSSS) que resultan en 48


bajos costos de implementación digital en Circuitos Integrados, y ambas comparten la misma estructura básica de paquetes low-duty-cycle(Bajo Ciclo de Ocupacion) con operaciones de bajo consumo de energía. La principal diferencia entre ambas PHYs radica en la banda de frecuencias. La PHY de los 2.4 GHz, especifica operación en la banda industrial, médica y científica (ISM), que prácticamente está disponible a nivel mundial, mientras que la PHY de los 868/915 MHz especifica operaciones en la banda de 865 MHz en Europa y 915 MHz en la banda ISM en Estados Unidos. La disponibilidad internacional de la banda de los 2.4 GHz ofrece ventajas en términos de mercados más amplios y costos de manufactura más bajos. Por otro lado las bandas de 868 MHz y 915 MHz ofrecen una alternativa a la cogestión creciente y demás interferencias (redes WLAN, hornos de microondas, teléfonos inalámbricos etc.) asociadas a la banda de 2.4 GHz y mayores rangos por enlace debido a que existen menores pérdidas de propagación. Existe una segunda distinción de las características de la PHY es el rango de transmisión. La PHY de 2.4 GHz permite un rango de transmisión de 250 kb/s, mientras que la PHY de los 868/915 MHz ofrece rangos de transmisión de 20 kb/s y 40 kb/s respectivamente. Este rango superior de transmisión en la PHY de los 2.4 GHz se atribuye principalmente a un mayor orden en la modulación, en la cual cada símbolo representa múltiples bits. Los diferentes rangos de transmisión se pueden explotar para lograr una variedad de objetivos o aplicaciones. Por ejemplo la baja densidad de datos en la PHY de los 868/915 MHz se puede ocupar para lograr mayor sensitividad y mayores áreas de cobertura, con lo que se reduce el número de nodos requeridos para cubrir un área geográfica grande, mientras que el rango superior de transmisión en la PHY de los 2.4 GHz se puede utilizar para conseguir salidas superiores y de poca latencia. Se espera que en cada PHY se encuentren aplicaciones adecuadas a ellas y a sus rangos de transmisión.

49


La capa física tiene 2 primitivas de servicio: 

PHY Data Service: Servicios de Datos de Capa Física

o



PD-DATA – Intercambia paquetes entre la capa MAC y PHY.

PHY Management Service : Manejo de Servicios de

Capa Física

o

PLME-CCA – Limpia el canal.

o

PLME-ED – Detección de energía.

o

PLME-GET / -SET– Setea y recupera parámetros.

o

PLME-TRX-ENABLE – Habilita y desabilita el transmisor.

Algunas características globales de la capa física son el control del transceptor radio, calidad del enlace (LQI), selección de canal, detector de energía(ED), detección de portadora (CCA) para su uso en CSMA-CA a nivel MAC, etc. 3.1.11 Estructura de paquete de Capa Física (PHY).

Para mantener una interfase común con la MAC, ambas capas PHYs comparten una sola estructura de paquete.

Figura 3.15: Estructura de paquete de Capa Física

50


Cada paquete o Unidad de Datos de Protocolo de capa física PHY (PPDU), empieza con un encabezado de sincronización (SHR, Synchronization HeadeR), seguido de un encabezado de capa física para indicar la longitud del paquete (PHR, Phy HeadeR),

y seguidamente la capa física de la unidad de servicio de datos

(PSDU, Phy Service Data Unit , PSDU). El preámbulo, de 32 bits, esta diseñado para la adquisición de símbolos y tiempos de chip, y en algunos casos se utiliza para ajustes bruscos en la frecuencia. No se requiere una ecualización en el canal de la capa física debido a la combinación de pequeñas áreas de cobertura con rangos de transmisión bajos. Típicamente el retardo RMS (Root Mean Square: Valor Medio Cuadrático) de propagación en casas residenciales es de 25 ns, que corresponde únicamente al 2.5 % del periodo del espectro extendido utilizado el estándar IEEE 802.15.4

2

Dentro del encabezado de la capa física, se utilizan 7 bits para especificar la longitud de la carga de datos (en bytes). La longitud de paquetes va de 0 a 127 bytes. El tamaño típico de los paquetes para la mayoría de las aplicaciones domóticas, tales como el monitoreo y control de dispositivos de seguridad, iluminación, aire acondicionado, y otras aplicaciones va de 30 a 60 bytes, mientras que las aplicaciones como juegos interactivos y periféricos de PC, requerirán paquetes más largos. La duración máxima de paquetes es de 4.25 ms para la banda de 2.4 GHz, y de 26.6 ms para la banda de 915 MHz, y de 53.2 ms para la banda de 868 MHz. 3.1.12 Canalización.

En el IEEE 802.15.4 se definen 27 canales de frecuencia entre las tres bandas. La PHY de los 868/915 MHz soporta un solo canal entre los 868 y los 868.6 MHz , y diez canales entre los 902.0 y 928.0 MHz. Debido al soporte regional de esas dos bandas de frecuencias, es muy improbable que una sola red utilice los 11 canales. Sin embargo, las dos bandas se consideran lo suficientemente cercanas en frecuencia que se puede utilizar el mismo hardware para ambos y así reducir costos de manufactura. 2

J. MacLellan, S. Lam, and X. Lee, “ Residential Indoor RF Channel Characterization ,” 43rd IEEE VTC, 1993, pp. 210–13. 51


Figura 3.16: Estructura de Canales

La PHY de los 2.4 GHz soporta 16 canales de 2 MHz entre los 2.4 y los 2.4835 GHz con un amplio espacio entre canales (5 MHz) y esto con el objetivo de facilitar los requerimientos de filtrado en la transmisión y en la recepción.

Figura 3.17: Canalización en la banda de 2.4 GHz

En la tabla 3.2, se indica la frecuencia central de cada uno de los 26 canales Número de Canales

Frecuencia central del Canal (MHz)

k=0

868.3

k = 1, 2, ... 10

906 + 2 (k – 1)

k = 11, 12, ...26

2405 + 5 (k –11) Tabla 3.2: Frecuencia Central de canal

Dado que el hogar es propenso a tener múltiples redes inalámbricas trabajando en las mismas bandas de frecuencias, así como una interferencia no intencionada de las diferentes aplicaciones, la capacidad de relocalización dentro del espectro será un factor importante en el éxito de las redes inalámbricas dentro del hogar. 52


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 de red. La capa MAC incluye funciones de búsqueda que sigue paso a paso a través de una lista de canales permitidos en busca de una señal de guía, mientras que la PHY contiene varias funciones de bajo nivel, tales como la detección de los niveles de energía recibidos, indicadores de calidad en el enlace así como de conmutación de canales, lo que permite asignación de canales y agilidad en la selección de frecuencias. Esas funciones son utilizadas por la red para establecer su canal inicial de operación y para cambiar canales en respuesta a una pausa muy prolongada. 3.1.13 Modulación.

La PHY en los 868/915 MHz utiliza una aproximación simple DSSS ( Direct Sequence Spread Spectrum: Espectro

Expandido de Secuencia Directa) en la cual

cada bit transmitido se representa por un chip de máxima longitud de secuencia (secuencia m). Los datos binarios son codificados al multiplicar cada secuencia m por +1 o -1, y la secuencia de chip que resulta se modula dentro de la portadora utilizando BPSK ( Binary Phase Shift Keying: Transmisión por Desplazamiento Binario de Fase). Antes de la modulación se utiliza una codificación de datos diferencial para permitir una recepción diferencial coherente de baja complejidad.

53


PHY.

Banda.

868/915 868.0MHz

Parámetros de los Datos

Parámetros del chip

Velocida

Velocidad

Velocidad

d de bits

de símbolos

(kbps)

(kbaud)

20

20

BPSK

0,3

BPSK

40

40

BPSK

0,6

BPSK

2

O-QPSK

de chip

Modulación

Modulación

(Mchips/s)

868.6 MHz 902.0-928 MHz

2.4 GHz PHY

2.4-4.4835 GHz.

250.

62.5

16-ary ortogonal.

Tabla 3.3: Parámetros de Modulación

La capa física de 2.4 GHz emplea una técnica de modulación semi-ortogonal basada en métodos de DSSS. Los datos binarios son agrupados en símbolos de 4 bits, y cada símbolo especifica una de las 16 secuencias de transmisión semi-ortogonales de código de seudo-ruido (PN). El uso de símbolos “casi ortogonales” simplifica la implementación a cambio de un desempeño ligeramente menor. Los parámetros de modulación para ambas capas físicas se resumen en la tabla 3.3. 3.1.14 Sensitividad y Rango.

Las especificaciones actuales de sensitividad del IEEE 802.15.4 especifican 85 dBm para capa física de 2.4 GHz y de -92 dBm para la capa física de 868-915 MHz. Dichos valores incluyen suficiente margen para las tolerancias que se requieren debido a las imperfecciones en la manufactura de la misma manera que permite implementar aplicaciones de bajo costo. En cada caso, los mejores artículos deben de ser del orden de 10 dB mejores que las especificaciones. Naturalmente el rango deseado estará en función de la sensitividad del receptor así como de la potencia del transmisor. El estándar especifica que cada dispositivo debe de ser capaz de transmitir al menos 1 mW, pero dependiendo de las 54


necesidades de la aplicación, la potencia de transmisión puede ser mayor o menor, la potencia actual de transmisión puede ser menor o mayor pero dentro de los límites de regulación establecidos. Los dispositivos típicos (1mW) se espera que cubran un rango de entre 10-20 m; sin embargo, con una buena sensitividad y un incremento moderado en la potencia de transmisión, una red con topología tipo estrella puede proporcionar una cobertura total para una casa. Para aplicaciones que requieran mayor tiempo de latencia, la topología tipo malla ( mesh) ofrecen una alternativa atractiva con coberturas caseras dado que cada dispositivo solo necesita suficiente energía para comunicarse con su vecino más cercano. 3.1.15 Interferencia con otros dispositivos.

Los dispositivos que operan en la banda de los 2.4 GHz pueden recibir interferencia causada por otros servicios que operan en dicha banda. Esta situación es aceptable en las aplicaciones que utilizan el estándar IEEE 802.15.4, las cuales requieren una baja calidad de servicio (QoS), no requieren comunicación asíncrona, y se espera que realice varios intentos para completar la transmisión de paquetes. 3.2. Zigbee

3.2.1. El estándar Zigbee

El estándar toma su nombre inspirándose en un panal de abejas, en el cuál organismos individuales trabajan juntos para realizar tareas complejas. Traducido al español Zigbee significa “Zumbido de Abejas”.

Figura 3.18: Logotipo de la Alianza Zigbee

55


La Alianza Zigbee es un consorcio de empresas fabricantes de semiconductores, proveedores de tecnología, fabricantes de equipos originales (OEMs) y usuarios finales, que han desarrollado una norma común para la gestión de redes inalámbricas de sensores y automatización. La alianza tiene alrededor de 150 miembros, incluyendo ocho fabricantes (Ember, Freescale, Honeywell, Invensys, Mitsubishi, Motorola, Philips, y Samsung). Mientras otros estándares inalámbricos se interesan en manejar gran cantidad de datos y ancho de banda, Zigbee esta diseñado para dispositivos que tienen necesidades de procesamiento más bajas. Otros factores de importancia son: bajo costo, alta fiabilidad, seguridad, bajo consumo de energía, simplicidad e interoperabilidad con otros dispositivos Zigbee de diferentes empresas. Luego de 2 años de investigación y pruebas de interoperabilidad realizadas por más de 100 de los miembros de la alianza Zigbee, el estándar fue aprobado en el año 2004. Las características principales de la especificación fueron: rango típico de alcance de 50 metros, protocolo simple y abierto, direccionamiento IEEE de 16 y 64 bits, soporte para más de 65 536 nodos por red y optimización para aplicaciones de duty-cycle bajo.

Es también una tecnología de auto organización y auto reparación.

Lo que hace que las redes Zigbee sean plug and play (conectar y funcionar). No necesitan ser configuradas por el usuario y pueden adaptarse a los cambios de la red automáticamente. 3.2.2. Arquitectura

Cuando los ingenieros empezaron a trabajar en 1998, Zigbee estaba dirigido hacia la automatización y aplicaciones de telecontrol., fue creado dirigido a las necesidades de un mercado que buscaba aplicaciones industriales diferentes a las ofrecidas por tecnologías propietarias. Por separado el comité IEEE 802.15.4 trabajaba en un estándar de baja tasa de datos. La Alianza Zigbee y la IEEE decidieron unir fuerzas y Zigbee se convirtió en el nombre comercial para la tecnología LR-WPAN.

56


La sociedad consistía en que la tecnología Zigbee esta construida en las capas Física y la capa de control de Acceso al Medio (MAC) que están definidas por la IEEE 802.15.4. El estándar IEEE define el hardware físico y la capa de Control de Acceso al Medio de la red, mientras que la alianza Zigbee define las capas superiores. La alianza Zigbee ha añadido las especificaciones de las capas de red (NWK) y de aplicación (APL) para completar lo que se llama la pila o stack ZigBee.

Figura 3.19: Arquitectura Zigbee

El hecho que Zigbee maneja la parte alta del estándar IEEE 802.15.4 significa que Zigbee puede tomar muchas ventajas de las cualidades del estándar IEEE 802.15.4, pero también sufre sus limitaciones, por ejemplo la baja tasa de transmisión de datos. Comparado con otros estándares inalámbricos el stack de Zigbee es pequeño. Para dispositivos de puente de red con capacidad limitada, el stack requiere cerca de 4Kb de memoria. La implementación completa de la pila de protocolo requiere menos de 32 Kb de memoria. El coordinador de red requiere memoria RAM extra para una base de datos de dispositivos nodo, tablas de transacción y para tablas de emparejamiento.

57


Figura 3.20: Stack Zigbee

El estándar 802.15.4 define 26 primitivas par las capas física y MAC. Estos datos son modestos en comparación con las 131 primitivas definidas para Bluetooth. De esta forma un Circuito Impreso compacto permite utilizar Zigbee con un microcontrolador sencillo de 8 bits. 3.2.2.1. Capa de Red

La capa de red (NWK) tiene tres objetivos principales; asociación o disociación de los dispositivos usando el coordinador de red, implementación de seguridad y encaminamiento de tramas a su destino. Además la capa de red del coordinador de red es responsable de iniciar una nueva red y asignar una dirección los dispositivos nuevos asociados. La capa de Red NWK soporta múltiples topologías de red incluyendo estrella, árbol y malla, que son ilustradas en la figura 3.21.

Figura 3.21: Topología de Red Zigbee

58


En la topología estrella uno de los dispositivos FFD asume el papel de coordinador de red. Es responsable de iniciar y mantener los dispositivos en la red. Todos los otros dispositivos que son conocidos como puntos de red ( end devices), se comunican directamente con el coordinador. Una red de tipo malla permite continuas conexiones y reconfiguraciones, “saltando” de un nodo a otro hasta que una conexión pueda ser establecida. Las redes tipo malla se auto restablecen, esto quiere decir que la red puede seguir operando aun cuando un nodo se dañe o la conexión sea mala. Como resultado se ha formado una red muy confiable. Para WPANs que soportan guías ( beacons), la sincronización es ejecutada recibiendo y decodificando tramas guía ( beacon frames). Para WPANs que no soportan guías la sincronización se realiza preguntando al coordinador por datos. Las guías o beacons son usadas principalmente para reducir el consumo de energía del sistema, simplemente dice a los dispositivos cuando comunicarse entre si. 3.2.2.2. Capa de Aplicación

La capa de aplicación consiste en: La capa de soporte de Aplicación (APS), el dispositivo objeto Zigbee (ZDO) y los objetos de aplicación definidos por el fabricante. El APS es responsable de mantener tablas para ligar y enviar mensajes entre dispositivos asociados. Es encargado del proceso Binding (Ligar), que es la habilidad de unir dos dispositivos basados en sus servicios y sus necesidades. La capa es también responsable de descubrir otros dispositivos que operan en el área local. EL ZDO define la función del dispositivo en la red zigbee (Coordinador de red, dispositivo de red). El dispositivo objeto zigbee es también responsable de iniciar y responder peticiones de unión a una red.

59


Los objetos de aplicación son definidos por el fabricante que implementa la aplicación. La pila de protocolo de zigbee soporta arriba de 30 distintas aplicaciones implementadas al mismo tiempo. 3.2.3. El Dispositivo Zigbee

Un dispositivo típico ZigBee consta de: 

Módulo de Sensores: posee los sensores o los actuadores que serán manejados por las E/S del microcontrolador



Módulo de Control: formado por un microcontrolador, encargado de controlar todas las funciones del dispositivo



Módulo de Comunicaciones: formado por un transceiver de RF, que realiza las emisiones y recibe información.



Módulo de Potencia: contiene la Fuente de Energía.

Módulo de Sensores y Actuadores

Humedad Temperatura Aplicación Especifica.

Módulo de Control

Sistema Operativo. Configuración de Red. Procesamiento de señales. Contro de Energía.

Módulo de Potencia

Baterias o pilas.

Módulo de Comunicaciones

2,4 Ghz,250 kbps. 915 Mhz, 40 kbps. 868 Mhz, 20 kbps.

Figura 3.22: Diagrama de bloques de un Dispositivo Zigbee

El típico dispositivo ZigBee incluye una parte con un circuito integrado de radio frecuencia (RF IC) con una pequeña parte de capa física (PHY), el microcontrolador de 8-bits se encarga del procesamiento y de la conexión con 60


periféricos que pueden ser sensores o actuadores, la fuente de energía, la cual puede ser baterías, celdas solares o incluso conectarse a la red de energía eléctrica. La pila de protocolos y aplicaciones está implementada en un chip de memoria flash.

Figura 3.23: Dispositivos Zigbee

Varios fabricantes de CI tales como Motorola, Microchip, Atmel entre otros ya ofrecen un grupo de microcontroladores para ZigBee. Chipcon desarrolla dispositivos transceiver que trabajan en la banda de 2.4Ghz. 3.2.4. Consumo de Energía

ZigBee se ha diseñado con la idea del bajo consumo de energía. Hay muchas características que ayudan ha reducir el consumo de poder. Primero esta la tasa de datos. En contraste a WI-FI y Bluetooth, ZigBee no estará enviando e-mails, documentos grandes y audio. Lecturas de sensores tienen típicamente unas pocas decenas de bytes, no requieren un ancho de banda alto y el ancho de banda bajo de ZigBee lo ayuda a lograr las metas de bajo consumo de energía, bajo costo, y robustez. Debido a los requerimientos de las aplicaciones de Zigbee de bajo ancho de banda, un nodo ZigBee duerme la mayoría del tiempo ahorrando la energía de la batería, se despierta y envía los datos rápidamente, y regresa a dormir de nuevamente.

61


Incluso los nodos en stand-by pueden lograr una latencia adecuadamente baja, porque ZigBee puede pasar del modo inactivo al modo activo en 15 mseg o menos. En

contraste, con los retrasos de wake-up para Bluetooth que están

típicamente alrededor de tres segundos. Una gran parte del ahorro de energía de ZigBee viene de la tecnología de radio de 802.15.4, qué se diseñó para bajo consumo de energía. Por ejemplo 802.15.4 usa la tecnología DSSS porque la alternativa FHSS que usa Bluetooth, habría usado demasiada energía simplemente manteniendo sus saltos de frecuencia sincronizados. Para ahorrar tanta energía como sea posible, ZigBee puede emplear una estrategia de comunicación “hablar cuándo este lista”, simplemente enviando los datos cuando se tenga datos listos para enviar y luego esperar una confirmación (ACK) automático. Si no consigue un ACK, significa que se perdieron los datos, así que se envía el paquete de nuevo. Sin embargo, esto no siempre es verdad. En una red de miles de sensores diminutos los números grandes de colisiones de paquetes y retransmisiones podrían gastar energía y podrían significativamente acortar la vida de la batería del nodo sensor. ZigBee ahorra aún más energía reduciendo la necesidad por el proceso de asociación Los procesadores de 8 bits pueden ocuparse fácilmente de quehaceres de ZigBee pues las pilas de protocolo de ZigBee ocupan menos memoria. Una pila de FFD, como se menciono, necesita aproximadamente 32 Kb, y una pila de RFD necesita sólo aproximadamente 4 Kb, que comparados con los 250 Kb que necesita bluetooth, la convierten en una tecnología de bajo consumo. Voltaje de alimentación

3.3/1.8 V

Consumo de corriente del receptor. Estado inactivo

20 mA 1 μA

Consumo de corriente del transmisor.

17.4 mA

Tabla 3.4. Características del transceiver de Chipcon CC2420.

62


3.2.5. Costo

El bajo costo de ZigBee se debe a sus aplicaciones relativamente simples. Los RFDs reducen el costo de componentes ZigBee pues omiten memoria y otra circuitería, además el uso de procesadores de 8 bits simples y pilas de protocolo sencillas ayudan a que los costos del sistema sean bajos. A menudo, el procesador principal de una aplicación puede llevar la carga adicional del procesamiento de ZigBee por su sencillez, haciendo que un procesador separado para ZigBee sea innecesario Una chip sencillo transceiver de 2.4 GHz IEEE 802.15.4/Zigbee, Chipcon CC2420, cuesta 3.98 USD por unidad 3.2.6. Perspectivas de Zigbee

Expertos prevén un futuro brillante para ZigBee. Está claro que un gran nicho de mercado tienen Zigbee y LR-WPAN en la automatización del hogar y el monitoreo industrial. Están investigándose actualmente nuevas maneras de usar ZigBee, por ejemplo el primer teléfono móvil en usar ZigBee esta siendo producido, y por algún tiempo más veremos muchos perfiles de ZigBee. Sin embargo, es importante tener cuidado con tales predicciones, tecnologías similares con previsiones luminosas han caído y se han quemado antes. El futuro de ZigBee todavía es incierto, pues todavía no tiene impacto en el mercado, pero con el apoyo masivo de los miembros de la Alianza tiene mucha oportunidad

63


3.3. Aplicaciones de Zigbee

3.3.1. Introducción

Básicamente Zigbee tiene su principal aplicación cuando sus nodos se unen para trabajar juntos y formar lo que se denomina “Red de Sensores”. El estándar Zigee se ha hecho a medida para la monitorización y para aplicaciones de control. Por lo tanto, los mercados como la automatización de edificios (Inmótica) y hogares (Domótica), la atención médica, control industrial, control de iluminación y control comercial, son los principales campos de aplicación.

Figura 3.24: Aplicaciones definidas por la Alianza Zigbee

3.3.2. Red de Sensores

Las redes de sensores están formadas por un grupo de sensores con ciertas capacidades sensitivas y de comunicación los cuales permiten formar redes inalámbricas Ad-Hoc sin infraestructura física preestablecida ni administración central. Una red de sensores es un concepto relativamente nuevo en adquisición y tratamiento de datos con múltiples aplicaciones en distintos campos tales como entornos industriales, domótica, entornos militares, detección ambiental, etc.

64


Esta clase de redes se caracterizan por su facilidad de despliegue y por ser autoconfigurables, pudiendo convertirse en todo momento en emisor, receptor, ofrecer servicios de encaminamiento entre nodos sin visión directa, así como registrar datos referentes a los sensores locales de cada nodo. Otra de sus características es su gestión eficiente de la energía, que con ello conseguimos una alta tasa de autonomía que las hacen plenamente operativas. Cada nodo, como ente individual de una red de sensores, no deja de ser una pequeña computadora, con un pequeño procesador, una memoria de programa y una memoria para almacenar variables, pero al que también se agrega unos pequeños periféricos I/O (entrada/salida) tales como un transceptor radio y un pequeño conversor A/D (Analógico/Digital) que sirve para adquisición de los datos de los sensores locales.

Figura 3.25: Arquitectura de un nodo de una Red de Sensores

3.3.3. Automatización de Edificios y Hogares (Inmótica y Domótica)

Zigbee ofrece seguridad, alarmas (humo, CO 2, intrusos), control de aire acondicionado, lectura de contadores de agua, gas, electricidad, control de

65


iluminación, control de accesos, control de riego, control de toldos y persianas, control de electrodomésticos.

Figura 3.26: Aplicación de Zigbee en Domótica

3.3.4. Control Industrial

Dentro del campo industrial Zigbee es aplicado para: 

Control de procesos



Sensores de temperatura, presión, y otros



Control y asistencia remota



Monitoreo Ambiental

Figura 3.27: Aplicación de Zigbee en Control Industrial

3.3.5. Agricultura y Control Ambiental

Zigbee puede ser utilizado para desarrollar agricultura de precisión. Por ejemplo en un área grande cientos de nodos pueden ser utilizados para que 66


transmitan información como temperatura, niveles de luz y humedad del terreno, para que sea analizada en un centro de procesamiento.

Figura 3.28: Aplicación de Zigbee en agricultura

El control ambiental de vastas áreas de bosque o de océanos, sería imposible sin las redes de sensores. El control de múltiples variables, como temperatura, humedad, fuego, actividad sísmica así como otras. También ayudan a expertos a diagnosticar o prevenir un problema o urgencia y además minimiza el impacto ambiental de la presencia humana. 3.3.6. Cuidados Médicos

Para supervisar a pacientes con enfermedades crónicas, tales como diabetes, y asma, es importante monitorear permanentemente los signos vitales. La cardiología es el área más prominente de aplicación del monitoreo de los pacientes a través de Electrocardigramas (ECGs), que indican el estado general del corazón del paciente. Las redes de Área Corporal (Body Area Networks: BAN), son la estructura básica para el cuidado de la salud utilizando medios electrónicos. En la mayoría de casos el monitoreo médico requiere de más de un sensor que es conectado al cuerpo humano. Por ejemplo los pacientes con problemas cardiacos deben tener un monitoreo de la presión sanguínea, saturación de oxigeno de la sangre, pulsación cardiaca, temperatura, peso, etc.

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Actualmente la tecnología de monitoreo requiere que el paciente utiliza una serie de cables para adquirir y procesar las señales vitales. Usando la tecnología de monitoreo inalámbrico, se pueden prevenir y tratar un gran número de enfermedades, pues pueden ser controladas eficazmente. La tecnología más apropiada para esta aplicación es la WPAN.

Figura 3.29: Aplicación de Zigbee en cuidados médicos

Zigbee se combina con otras tecnologías inalámbricas, para brindar un monitoreo completo. En la primera etapa se forma la red WBAN utilizando zigbee, los datos de cada uno de los sensores son enviados a un coordinador de red WBAN, este coordinador se conecta vía GPRS, WLAN o Bluetooth con un servidor local que se conecta con la red Internet, mediante IP, el médico tratante, servicios de emergencia o un fisiatra tendrán la información del estado del paciente al instante y permanentemente, en el caso de emergencias podrá enviar un equipo médico de ayuda. 3.3.7. Otras Aplicaciones

Debido a su baja velocidad de transmisión de datos y su naturaleza de bajo consumo, también entra en los mercados del control remoto para la electrónica de consumo y lo que se denomina dispositivos para la interfase humana, como teclados,

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ratones y joysticks. También en el automóvil se esperan posibles aplicaciones, como por ejemplo la monitorización del nivel de presión de las ruedas para mejorar la seguridad del vehículo. La compañía surcoreana fabricante de teléfonos móviles Pantech&Curitel ha introducido en el mercado el primer teléfono móvil en implementar el protocolo zigbee que puede actuar como sensor dentro de una red zigbee o controlar dicha red. Puede ser usado en aplicaciones de automatización y localización.

Figura 3.30: Primer Teléfono móvil en implementar zigbee

69

Conclusiones y Recomendaciones


A lo largo de la tesina hemos estudiado los siguientes temas: 

Redes de Área Personal Inalámbricas: WPANs



El Protocolo Bluetooth



El Protocolo Zigbeee Analizando cada uno de los temas podemos concluir lo siguiente: El objetivo de las WPANs, es centrarse en aplicaciones que demandan

rangos de comunicación pequeños, dentro del Espacio de Operación Personal (POS), de cada dispositivo. Son una solución eficiente, rápida y confiable para transmitir información de manera inalámbrica entre dispositivos personales tales como celulares, PDA, etc.

Las WPANs tiene un futuro prometedor dentro de las aplicaciones diarias, pues los dispositivos personales móviles tales como teléfonos móviles, PDAs, notebooks, etc. son cada vez más usados, y la alternativa para la interconexión entre ellos sin lugar a dudas son las WPANs. Los dispositivos que forman una WPAN pueden proveer una gran cantidad de servicios a los usuarios, tales como la automatización, monitoreo, servicio, cuidado médico, etc. Dentro de las WPANs existen subgrupos de tecnologías, de acuerdo a la aplicación que se necesite podremos escoger la adecuada. Por ejemplo si requerimos aplicaciones multimedia con un ancho de banda elevado podremos utilizar la tecnología UWB (Ultra Wide Band), en cambio si requerimos aplicaciones más discretas como la transferencia de archivos y voz se podrá utilizar la tecnología Bluetooth. Por último en aplicaciones con baja velocidad y ancho de banda se 70


utilizará Zigbee. Para estos propósitos se puede utilizar también la tecnología WIFI (802.11), pero se debe tener en cuenta el consumo de energía y la complejidad del protocolo. Para mejorar la interoperabilidad entre equipos la IEEE formo grupos de trabajo, todos los fabricantes deben seguir el estándar definido para lanzar un producto al mercado. El grupo de trabajo IEEE 802.15.1, es el encargado de definir Bluetooth, que es un estándar inalámbrico de corto alcance para la transmisión de voz y datos. Soporta la conexión de diversidad de dispositivos. Cubre distancias máximas entre 10 y 100 metros según la configuración de red establecida. Trabaja en la banda de frecuencia ISM de 2.4 GHz, la ventaja del uso de esta banda es su libre acceso, pues no se necesitan autorizaciones por parte del ente regulador para su uso. Sin embargo otras tecnologías también hacen uso de esta banda por lo tanto pueden existir interferencias. Debido a que basa su comunicación en radiofrecuencia (RF) su transmisión es del tipo omni direccional y no requiere de línea de vista permitiendo configuraciones como punto - multipunto. Ya que utiliza FHSS como técnica de multiplexaje, disminuye el riesgo de que las comunicaciones sean interceptadas o presenten interferencia con otras aplicaciones, volviéndose mucho más segura. Esta tecnología provee también especificaciones para autenticar dispositivos que intenten conectarse a la red Bluetooth, así como cifrado en el manejo de llaves para proteger la información. También tiene la característica de formar redes en una topología donde un dispositivo hace las veces de maestro y hasta siete más operando como esclavos. Esta

71


configuración se conoce como piconet. Y un grupo de piconets, no más de diez, es referido como Scatter-net. Presenta un bajo consumo de energía, pero sus baterías deben ser recargadas permanentemente para mantenerse en funcionamiento. El grupo de trabajo IEEE 802.15.4, es el encargado de definir las Redes de Área Personal de baja Tasa de Transmisión (LR-WPAN), comercialmente conocidas como Zigbee, que es un estándar inalámbrico de corto alcance para la transmisión de datos de ancho de banda pequeño y bajo consumo de energía. El objetivo de este grupo de trabajo es proveer un estándar de bajo costo, complejidad y consumo de energía para obtener bajas tasas de transmisión en comunicaciones inalámbricas. Además cuenta con modos de ahorro de energía con lo que se logra que la vida de las baterías de dichos dispositivos dure mucho más tiempo de lo que lo harían si trabajaran con Bluetooth. Este estándar es muy sencillo y por lo tanto es más fácil de implementar, sin embargo cuenta con menos canales de comunicación, lo cual no es muy relevante ya que no siempre se encuentra transmitiendo y los 26 canales son suficientes para comunicarse apropiadamente. Utiliza DSSS (Espectro Ensanchado de Secuencia Directa), como método de modulación de banda ancha, que permite el ahorro de energía, pues comparado con FHSS que utiliza bluetooth, DSSS no tiene que relizar saltos de sincronización de frecuencia. Trabaja en tres bandas de frecuencia: 2.4 GHz con 16 canales y una tasa de datos de 250 kbps, la banda de 868 MHz con un canal y una tasa de transferencia de 20 kbps y la banda de 915 MHz con 10 canales y una tasa de transferencia de 40 kbps. 72

Capitulo 3

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