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ZigBee y sus aplicaciones

Ignacio Vidri Salgado

ZigBee y sus aplicaciones Autor: Ignacio Vidri Vidri Salgado Escuela Técnica Superior Superior de Ingeniería-ICAI. Universidad Universidad Pontificia Comillas. Asignatura: Comunicaciones Comunicaciones Industriales Industriales Avanzadas. Curso 2011-2012 2011-2012 RESUMEN

Este trabajo es el producto de mi motivación sobre la tecnología ZigBee. En él se presenta la tecnología además y se hace especial hincapié en la presentación de sus aplicaciones en el presente.

1. Introducción Cuando hablamos de ZigBee hablamos de un protocolo de comunicaciones inalámbricas basado en el estándar 802.15.4 de redes inalámbricas de área personal (wireless personal área network, WPAN). Su concepción comenzó en el año de 1998 gracias a la investigación en conjunto de varias empresas entre ellas Motorola, Ember, Honeywell y Mitsubishi. Dicho consorcio se denominó ZigBee Alliance y su motivación era solventar la necesidad de un estándar para comunicaciones a baja velocidad, con un bajo coste de implementación y donde los dispositivos que forman parte de una red pueden requerir un bajo consumo, llegando a estar funcionando durante años con un par de pilas.

Figura 1: Situación de sitúa ZigBee según su tasa de transmisión y alcance

En la figura arriba mostrada podemos ver donde se sitúa ZigBee según su tasa de transmisión y alcance, comparándolo con otras tecnologías inalámbricas de su entorno.

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2. Funcionamiento y principales características: Como ya hemos comentado, ZigBee se basa en el estándar de comunicaciones IEEE 802.15.4 que define el hardware y software de las capas física (Phy) y de acceso al medio (MAC). Cada capa es responsable de una serie de funciones necesarias para la comunicación, ZigBee añade capas sobre las dos capas anteriores del 802.15.4. Una capa no sabe nada sobre la capa que está por encima de ella y cada capa que añadimos añade una serie de funciones sobre la base de las inferiores. Cualquier dispositivo de un fabricante que soporte este estándar de comunicaciones y pase la certificación correspondiente, podrá comunicarse con otro dispositivo de otro fabricante distinto. Un dispositivo ZigBee estaría formado por una radio según el estándar 802.15.4 conectada a un microcontrolador con la pila (stack) de ZigBee, donde se implementan las capas por encima de las del 802.15.4. Esta pila está diseñada para poder ser implementada en microcontroladores de 8 bits. A continuación presentamos las principales características que esta tecnología presenta: •

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Opera en las bandas libres ISM (Industrial, Scientific & Medical) de 2.4 GHz, 868 MHz (Europa) y 915 MHz (Estados Unidos). Utiliza un protocolo asíncrono, half duplex y estandarizado, permitiendo a productos de distintos fabricantes trabajar juntos. Velocidad de transmisión entre 25-250 kbps (debe emplearse en aplicaciones que no requieran alta transmisión de datos). Rango de cobertura de 10 a 75 metros. A pesar de coexistir en la misma frecuencia con otro tipo de redes como WiFi o Bluetooth su desempeño no se ve afectado, esto debido a su baja tasa de transmisión y, a características propias del estándar IEEE 802.15.4. Se puede decir que ZigBee ocupa el vacío que hay por debajo de Bluetooth, para comunicaciones de datos que no requieren altas velocidades. Capacidad de operar en redes de gran densidad, esta característica ayuda a aumentar la confiabilidad de la comunicación, ya que entre más nodos existan dentro de una red, entonces, mayor número de rutas alternas existirán para garantizar que un paquete llegue a su destino. Cada red ZigBee tiene un identificador de red único, lo que permita que coexistan varias redes en un mismo canal de comunicación sin ningún problema. Teóricamente pueden existir hasta 16 000 redes diferentes en un mismo canal y cada red puede estar constituida por hasta 65 000 nodos, obviamente estos límites se ven truncados por algunas restricciones físicas (memoria disponible, ancho de banda, etc.). Es un protocolo fiable, la red se organiza y se repara de forma automática y se rutean los paquetes de manera dinámica. Es un protocolo de comunicación multi-salto, es decir, que se puede establecer comunicación entre dos nodos aún cuando estos se encuentren fuera del rango de transmisión, siempre y cuando existan otros nodos intermedios que los interconecten, de esta manera, se incrementa el área de cobertura de la red. Su topología de malla (MESH) permite a la red auto recuperarse de problemas en la comunicación aumentando su confiabilidad. Se pueden formar redes que contengan desde dos dispositivos hasta cientos de ellos. Es un protocolo seguro ya que se puede implementar encriptación y autentificación.

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Los dispositivos de estas redes pueden funcionar en un modo de bajo consumo, lo que supone años de duración de sus baterías Como el lector podrá apreciar, ZigBee y Bluetooth presentan varios rasgos comunes, sin embargo podemos establecer un cuadro que resume las principales diferencias:

Figura 2: ZigBee vs Bluetooth

Entrando un poco más en detalle a comparar ambas tecnologías y explicando un poco el cuadro anterior, podemos resaltar que: •

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Cada uno es más apropiado que el otro para ciertas cosas debido a las distintas velocidades empleadas. Por ejemplo, la velocidad de ZigBee lo convierte en una tecnología inservible para implementar en aplicaciones de teléfonos móviles (terreno en el que se usa Bluetooth), sin embargo es empleado en aplicaciones domóticas, productos dependientes de la batería, sensores médicos, y en artículos de juguetería, en los cuales la transferencia de datos es menor. ZigBee tiene un menor consumo eléctrico que el de Bluetooth. Concretamente, ZigBee consume 30 mA transmitiendo y 3 uA en reposo, frente a los 40 mA transmitiendo y 0,2 mA en reposo que tiene el Bluetooth. Esta es la gran ventaja de ZigBee frente a Bluetooth, y se consigue gracias a que el sistema ZigBee se queda la mayor parte del tiempo dormido (cosa que en Bluetooth sería imposible de implementar) Una red ZigBee puede constar de un máximo de 65535 nodos distribuidos en subredes de 255 nodos, frente a los 8 máximos de una subred Bluetooth. Tiene una velocidad de hasta 250 kbps, mientras que en Bluetooth es de hasta 3 Mbps.

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3. Tipos de dispositivos: Una vez comentadas las características de esta tecnología, podemos pasar a hablar sobre los dispositivos que esta utiliza. •

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Coordinador ZigBee (ZC) Se trata del dispositivo más completo e importante. Su función es almacenar información sobre la red y actuar como su centro de confianza en la distribución de claves de cifrado. Puede actuar como director de una red en árbol así como servir de enlace a otras redes. Debe existir uno por cada red. Router ZigBee (ZR) Como su nombre indica actúa como router interconectando dispositivos separados en la red y limitados debido a su rango. Dispositivo final (ZED) Este dispositivo puede comunicarse con su nodo padre (el coordinador o un router), pero no puede transmitir información destinada a otros dispositivos. De esta forma, este tipo de nodo puede estar dormido la mayor parte del tiempo, aumentando la vida media de sus baterías. Un ZED tiene requerimientos mínimos de memoria y es por tanto significativamente más barato.

Figura 3: Red de dispositivos ZigBee

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Aunque esta clasificación está muy extendida y aceptada, podemos plantearnos otra según la funcionalidad del dispositivo. Dispositivo de funcionalidad completa (FFD) Dispositivo capaz de recibir mensajes en formato del estándar 802.15.4 y funcionar como coordinador o router. Puede ser usado en dispositivos de red que actúen de interface con los usuarios. Dispositivo de funcionalidad reducida (RFD) Dispositivo con una capacidad y funcionalidad limitadas con el fin de conseguir el coste más bajo posible. Básicamente, son los sensores/actuadores de la red. •

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4. Arquitectura ZigBee es una pila de protocolos constituido por diferentes capas independientes una de la otra. A continuación presentamos una breve descripción de cada una: Capas PHY y MAC La capa de más bajo nivel es la capa física (PHY), que en conjunto con la capa de acceso al medio (MAC), brindan los servicios de transmisión de datos por el aire, punto a punto. Estas dos capas están descritas en el estándar IEEE 802.15.4–2003. Capa de red (NWK) Esta capa actúa como interfaz entre la capa MAC y la capa aplicación. Esta capa es la responsable de iniciar la red, unirse a la red, enrutar paquetes dirigidos a otros nodos en la red, proporcionar los medios para garantizar la entrega del paquete al destinatario final, filtrar paquetes recibidos, cifrarlos y autentificarlos. Por lo tanto, esta capa implementa seguridad y encamina tramas a sus respectivos destinos. Cabe destacar que la capa de red del controlador de red es la responsable de crear una nueva red y asignar direcciones a los dispositivos de la misma. Por último debemos comentar que esta es la capa donde están implementadas las diferentes topologías de red que soporta Zigbee: o Topología en estrella: el coordinador se sitúa en el centro. o Topología en árbol: el coordinador es la raíz del árbol. o Topología de malla: al menos uno de los nodos tiene más de dos conexiones. Capa de soporte a la aplicación El siguiente nivel se encarga de filtrar paquetes a nivel de aplicación, mantener la relación de grupos y dispositivos con los que la aplicación interactúa y simplificar el envío de datos a los diferentes nodos de la red. Las capas de red y de soporte a la aplicación son definidas por la ZigBee Alliance. Capa de aplicación Esta la capa de la que se encargan los fabricantes, donde se encuentran los ZDO (ZigBee Device Objects) que se encargan de definir el papel del dispositivo en la red. Podemos decir que esta capa es la aplicación misma. •

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Cada capa se comunica con sus capas subyacentes a través de una interfaz de datos y otra de control, las capas superiores solicitan servicios a las capas inferiores, y éstas reportan sus resultados a las superiores. Además de las capas mencionadas, a la arquitectura se integran otro par de módulos: módulo de seguridad , que es quien provee los servicios para cifrar y autentificar los paquetes, y el módulo de administración del dispositivo ZigBee , que es quien se encarga de administrar los recursos de red del dispositivo local, además de proporcionar a la aplicación funciones de administración remota de red. [1]

5. Protocolos y estrategias de conexión Los protocolos se basan en investigaciones recientes sobre algoritmos de red para la construcción de redes ad-hoc de baja velocidad. Estos están diseñados de forma que soporten o no balizas. Los protocolos ZigBee minimizan el tiempo de actividad de la radio para evitar el uso de energía. En las redes con balizas los nodos sólo necesitan estar despiertos mientras se transmiten las balizas (además de cuando se les asigna tiempo para transmitir). Si no hay balizas, el consumo es asimétrico repartido en dispositivos permanentemente activos y otros que sólo no están esporádicamente. Debemos también comentar que la colocación de los nodos en una red suele seguir la topología de malla en la que cada uno de los nodos tendrá más de una conexión de forma que si uno de ellos falla, la comunicación puede seguir por otros caminos. Los dispositivos ZigBee deben respetar el estándar de WPAN de baja tasa de transmisión IEEE 802.15.4-2003 donde se definen los niveles más bajos (PHY y MAC). Las radios utilizan un espectro de dispersión de secuencia directa y se utiliza CSMA/CA para evitar colisiones en la transmisión (aunque hay algunas excepciones). Estrategias de conexión: Como llevamos diciendo durante todo el documento, la finalidad de las redes ZigBee es establecer una comunicación inalámbrica entre varios dispositivos de muy bajo consumo, por lo que nos interesa conservar la potencia en los nudos esclavos. La estrategia consiste en mantener durante mucho tiempo el mayor número posible de dispositivos en modo “dormido”. El dispositivo solo se “despierta” durante un instante simplemente para confirmar que sigue “vivo”. Esta transición dura unos 15ms (de modo “dormido” a modo “despierto”), y la enumeración de "esclavos" dura alrededor de 30ms. Como hemos comentado antes, se utilizan dos tipos de protocolo para la comunicación entre dispositivos: Con balizas Este mecanismo permite a todos los dispositivos saber cuándo pueden transmitir gracias a las balizas, que sincronizan todos los dispositivos que conforman la red. Los intervalos de las balizas son asignados por el coordinador de red y pueden variar desde los 15ms hasta los 4 minutos. Los dispositivos que conforman la red, escuchan a dicho coordinador durante el "balizamiento"; si un dispositivo desea intervenir en la conversación se registra para el coordinador y mira si hay mensajes para él. Si hay mensajes para él, actúa; si no es así, el dispositivo vuelve a "dormir", y se despierta de acuerdo a un horario que ha establecido previamente el coordinador. En cuanto el

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coordinador termina el "balizamiento", vuelve a "dormirse". De esta forma el consumo se ve reducido drásticamente Sin balizas Este sistema se usa típicamente en los sistemas de seguridad, en los cuales sus dispositivos (sensores, detectores de movimiento o de rotura de cristales), duermen prácticamente todo el tiempo y en los que la recepción del mensaje es importante. Estos elementos se despiertan de forma regular para que el coordinador notifique que siguen activos. Al contrario que en el caso anterior (donde estaban programados los tiempos de envío y recepción), el coordinador debe estar despierto todo el rato esperando el posible mensaje del sensor (ya que el sensor se activa al producirse un evento y este puede darse en cualquier instante), por eso deberá permanecer conectado a la red principal durante todo el tiempo.

6. Aplicaciones Como todos sabemos, el campo en el que claramente ZigBee se ha impuesto como tecnología dominante es la domótica, ya que cubre fielmente las necesidades de esta. Pero ZigBee está presente a día de hoy en muchas más tecnologías habiéndose desarrollado aplicaciones en campos tan variados como la medicina, la seguridad o la agricultura. En esta figura mostramos los grupos principales de aplicaciones que están en la mira de ZigBee.

Figura 4: Principales grupos de aplicaciones que están en la mira de ZigBee.

En general, ZigBee resulta ideal para redes estáticas, escalables y con muchos dispositivos, pocos requisitos de ancho de banda y uso infrecuente, y dónde se requiera una duración muy prolongada de la batería. En ciertas condiciones y para determinadas aplicaciones puede ser una buena alternativa a otras tecnologías inalámbricas ya consolidadas en el mercado, como Wi-Fi y

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Bluetooth, aunque la falta del soporte de TCP/IP no lo hace adecuado, por sí solo, para la interconexión de redes de comunicaciones IP. Por tanto, la introducción de ZigBee no ha acabado con otras tecnologías ya establecidas, sino que convive con ellas encontrando sus propios nichos de aplicación, la domótica y la salud.

Domótica Como ya hemos comentado se trata del mayor campo de aplicación del que goza ZigBee en la actualidad. El término domótica proviene de la unión de las palabras domus (que significa casa en latín) y tica (de automática, palabra en griego, 'que funciona por sí sola'). Se entiende por domótica al conjunto de sistemas capaces de automatizar una vivienda, aportando servicios de gestión energética, seguridad, bienestar y comunicación, y que pueden estar integrados por medio de redes interiores y exteriores de comunicación, cableadas o inalámbricas, y cuyo control goza de cierta ubicuidad, desde dentro y fuera del hogar. Se podría definir como la integración de la tecnología en el diseño inteligente de un recinto. Esto se consigue mediante la implementación de controladores, actuadores y sensores en la casa, capaces estos últimos de detectar diferentes tipos de señales: luz, sonido, temperatura… ZigBee es la tecnología idónea para emplear en casa domóticas debido a la baja transmisión de datos que esta demanda y al bajo consumo de sus dispositivos, como hemos venido comentando durante todo el documento. Esta tecnología ha cogido fuerza en los últimos años en sistemas de medición avanzada, medidores de agua, luz y gas que forman parte de una red con otros dispositivos como displays ubicados dentro de las casas, que pueden monitorear el consumo de energía y no sólo eso, sino que también pueden interactuar con electrodomésticos o cualquier otro sistema eléctrico como bombas de agua o calefacción, con la finalidad de aprovechar mejor la energía. Debido a esto, ZigBee goza de un importante respaldo para la gestión energética y para las soluciones de consumo eficiente por parte de la industria de los servicios públicos; y por parte de los patrocinadores de las redes energéticas inteligentes en varios países (smart grids).

Figura 5: Ilustración de una casa domótica

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Algunas aplicaciones de la domótica: En el ámbito del ahorro energético: Climatización: programación y zonificación Racionalización de cargas eléctricas: desconexión de equipos de uso no prioritario en función del consumo eléctrico en un momento dado (reduce la potencia contratada) Gestión de tarifas, derivando el funcionamiento de algunos aparatos a horas de tarifa reducida. Utilización de energías renovables En el ámbito del nivel de confort: Apagado general de todas las luces de la vivienda. Automatización del apagado/ encendido en cada punto de luz. Regulación de la iluminación según el nivel de luminosidad ambiente. Automatización de todos los distintos sistemas/ instalaciones / equipos dotándolos de control eficiente y de fácil manejo. Integración del videoportero al teléfono móvil o al televisor. Generación de macros y programas de forma sencilla para el usuario En el ámbito de la protección patrimonial: Simulación de presencia. Detección de conatos de incendio, fugas de gas, escapes de agua. Alerta médica Control de la alarma Cerramiento de persianas puntual y seguro. Acceso a Cámaras IP En el ámbito de las comunicaciones: Ubicuidad en el control tanto externo como interno, control remoto desde Internet, PC, mandos inalámbricos (p.ej. PDA con WiFi). Transmisión de alarmas. Intercomunicaciones. • •

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Salud El campo de la salud ofrece un gran número de oportunidades para las aplicaciones inalámbricas entre las cuales podemos destacar 3 áreas principales - Seguimiento de enfermedades crónicas (Chronic Disease Monitoring) - Supervisión del bienestar personal (Personal Wellness) - Personal fitnes

Seguimiento de enfermedades crónicas (Aplications for health care) Las enfermedades crónicas suponen el 75 por ciento de los gastos en salud en Estados Unidos. Abarcan una amplia gama de problemas como la diabetes, el asma, enfermedades del corazón o trastornos del sueño. Estas enfermedades requieren en casi todos los casos un estricto seguimiento. Existe toda una red de comunicaciones alrededor del paciente, desde dispositivos instalados en el propio cuerpo de la persona, hasta el teléfono móvil del médico o un familiar del paciente. En el 2009 los creadores de ZigBee lanzaron al mercado su ZigBee Health Care Profile, consistente en un estándar abierto y global para dispositivos inalámbricos de bajo consumo que permiten la gestión y monitorización segura de los servicios sanitarios no críticos destinados a la gestión de enfermedades crónicas y tratamiento de pacientes hospitalizados y evaluaciones. Es compatible con miles de dispositivos de una red única y ofrece soporte total para dispositivos IEEE

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11073. Los dispositivos del ZigBee Health Care Profile se subdividen en tres categorías según el tipo de seguimiento que necesite el paciente: - Dispositivos para seguimiento episódico del paciente: se emplea en pacientes no críticos para rastrear indicadores específicos (como puede ser la presión ar terial, el nivel de glucosa en sangre…) e identificar el progreso de la enfermedad o recuperación. - Dispositivos para seguimiento continúo del paciente: diseñado pacientes que estén en condiciones graves de salud y que requieran una medición constante para tener controla el estado de su enfermedad en todo momento. - Dispositivos para seguimiento del paciente con alarmas: este seguimiento es capaz de activar alarmas según condiciones establecidas y el estado de la enfermedad del paciente. En la siguiente figura se muestran algunos de estos dispositivos

Figura 6: Red de dispositivos ZigBee conectados a una persona

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Seguimiento del bienestar personal (Personal Wellness Monitoring) Los dispositivos de esta área están diseñados para ser utilizados por personas mayores de 65 años, para que puedan garantizar su salud, su seguridad y su bienestar.

Figura 7: Dispositivos que se utilizan día a día en un centro de asistencia para garantizar la salud, la seguridad y la actividad de los residentes.

En la figura superior se muestran varios dispositivos que se utilizan día a día en un centro de asistencia para garantizar la salud, la seguridad y la actividad de los residentes. La información recopilada de forma segura por estos dispositivos es transmitida gracias ZigBee a un centro de control donde es procesada y analizada ser analizada de forma rápida y efectiva.

Personal fitnes Figura 8: Aplicaciones ZigBee para el ocio

A nivel de ocio, ZigBee también cobra un importante protagonismo. Es habitual ver en gimnasios o en hogares, aplicaciones electrónicas que vigilan el ritmo cardiaco, las calorías quemadas durante el ejercicio, la temperatura corporal o el nivel de oxígeno en sangre. Sin embargo, existía la habitual restricción del cable. Se vio que usar Bluetooth para este tipo de utilidades era más bien un despilfarro que una ventaja, con lo que ZigBee, debido a sus características, se está asentando como un férreo candidato a controlar este tipo de estadísticas. La posibilidad de usar múltiples sensores, gracias al bajo consumo y precio de éstos, permite controlar diferentes tipos de variables durante periodos de tiempo distintos. Es decir, variables como el ritmo cardiaco se controlarán cada menos tiempo que otras características como la temperatura Por otra parte, y siguiendo el patrón de funcionamiento en hospitales, se pueden almacenar todas estadísticas en un servidor para uso posterior de los clientes de un gimnasio, por ejemplo. De esta manera, se

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creará un feedback , que permitirá a los deportistas saber en ocasiones futuras cuál es su nivel máximo, sus limitaciones, etc.

7. Conclusiones •

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En la actualidad existen una gran cantidad de estándares que permiten todo tipo de aplicaciones en el ámbito de las comunicaciones inalámbricas, las mismas que permiten grandes tasas de transferencias de audio, video, datos, etc. Sin embargo, estos estándares no son adecuados para situaciones en las que se requiere de un bajo consumo de energía, para ello se ha creado ZigBee. La principal aplicación de ZigBee son los sistemas para redes domóticas, pues ha sido creado para cubrir las necesidades del mercado en este campo, sin embargo, ZigBee tiene amplias capacidades de desarrollo que le permite ser utilizado en múltiples aplicaciones como puede ser la salud y el bienestar personal, tal y como hemos podido comprobar en este trabajo

8. Referencias Introducción http://webdelcire.com/wordpress/archives/1714 Última consulta 5/05/11 ZigBee standards http://zigbee.org/Standards/Overview.aspx Última consulta 3/05/11 Ideas generales y sobre los protocolos: http://es.wikipedia.org/wiki/ZigBee Última consulta 3/05/11 Ideas generales e introducción http://zigbee.org/ Última consulta 5/05/11

Dispositivos ZigBee para la salud https://docs.zigbee.org/zigbee-docs/dcn/09-4962.pdf

Última consulta 5/05/11 Dispositivos ZigBee

http://www.ember.com/products_zigbee_software.html

Última consulta

5/05/11 Domótica https://docs.zigbee.org/zigbee-docs/dcn/07-5376.pdf Última consulta 3/05/11

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