En el mundo de la comunicación actual, existen numerosos estándares de comunicación de alta velocidad de datos disponibles, pero ninguno de ellos cumple con los estándares de comunicación de los sensores y dispositivos de control. Estos estándares de comunicación de alta velocidad de datos requieren baja latencia y bajo consumo de energía incluso con anchos de banda más bajos. La tecnología Zigbee de los sistemas inalámbricos patentados disponibles es de bajo costo y bajo consumo de energía, y sus excelentes características hacen que esta comunicación sea la más adecuada para varias aplicaciones integradas , control industrial y domótica, etc. El rango de la tecnología Zigbee para distancias de transmisión varía principalmente de 10 a 100 metros según la potencia de salida y las características ambientales.
¿Qué es la tecnología Zigbee?
La comunicación Zigbee está especialmente diseñada para redes de control y sensores en el estándar IEEE 802.15.4 para redes de área personal inalámbricas (WPAN), y es el producto de la alianza Zigbee. Esta estándar de comunicación define capas físicas y de control de acceso a medios (MAC) para manejar muchos dispositivos a velocidades de datos bajas. Estos WPAN de Zigbee funcionan a frecuencias de 868 MHz, 902-928MHz y 2,4 GHz. La velocidad de datos de 250 kbps es la más adecuada para la transmisión de datos bidireccional periódica e intermedia entre sensores y controladores.
¿Qué es la tecnología Zigbee?
Zigbee es una red de malla de bajo costo y baja potencia ampliamente implementada para aplicaciones de control y monitoreo donde cubre de 10 a 100 metros dentro del rango. Este sistema de comunicación es menos costoso y más simple que los otros propietarios de corto alcance. redes de sensores inalámbricos como Bluetoot hy Wi-Fi.
Módem Zigbee
Zigbee admite diferentes configuraciones de red para las comunicaciones maestro a maestro o maestro a esclavo. Y también, se puede operar en diferentes modos como resultado la energía de la batería se conserva. Las redes Zigbee se pueden ampliar con el uso de enrutadores y permiten que muchos nodos se interconecten entre sí para construir una red de área más amplia.
Historia de la tecnología Zigbee
En el año 1990 se implementaron las redes de radio digital con autoorganización ad hoc. La especificación Zigbee como IEEE 802.15.4-2003 fue aprobada en el año 2004, el 14 de diciembre. La Especificación 1.0 fue anunciada por Zigbee Alliance en el año 2005, el 13 de junio, llamada Especificación de ZigBee 2004.
Biblioteca de clústeres
En el año 2006, septiembre, se anunció la Especificación de Zigbee 2006 reemplazando la pila de 2004. Por lo tanto, esta especificación reemplaza principalmente la estructura de pares de clave-valor, así como el mensaje utilizado dentro de la pila de 2004 a través de una biblioteca de clúster.
Una biblioteca incluye un conjunto de comandos consistentes, planificados debajo de grupos llamados clústeres con nombres como Home Automation, Smart Energy & Light Link de ZigBee. En el año 2017, Zigbee Alliance cambió el nombre de la biblioteca a Dotdot y se anunció como un nuevo protocolo. Entonces, este Dotdot ha funcionado para aproximadamente todos los dispositivos Zigbee como la capa de aplicación predeterminada.
Zigbee Pro
En el año 2007, se finalizó Zigbee Pro como Zigbee 2007. Es un tipo de dispositivo que funciona en una red Zigbee heredada. Debido a las disparidades dentro de las opciones de enrutamiento, estos dispositivos deberían convertirse en ZED sin enrutamiento o dispositivos finales Zigbee (ZED) en una red Zigbee heredada. Los dispositivos Zigbee heredados deben convertirse en dispositivos finales Zigbee en una red de Zigbee Pro. Funciona a través de la banda ISM de 2,4 GHz e incluye una banda sub-GHz.
¿Cómo funciona la tecnología Zigbee?
La tecnología Zigbee funciona con radios digitales al permitir que diferentes dispositivos conversen entre sí. Los dispositivos utilizados en esta red son un enrutador, coordinador y dispositivos finales. La función principal de estos dispositivos es entregar las instrucciones y mensajes del coordinador a los dispositivos de un solo extremo, como una bombilla.
En esta red, el coordinador es el dispositivo más esencial que se coloca en el origen del sistema. Para cada red, hay simplemente un coordinador, utilizado para realizar diferentes tareas. Eligen un canal adecuado para escanear un canal, así como para encontrar el más apropiado a través del mínimo de interferencia, asignan un ID exclusivo y una dirección a cada dispositivo dentro de la red para que los mensajes, de lo contrario, las instrucciones se puedan transferir en la red. .
Los enrutadores se organizan entre el coordinador, así como los dispositivos finales que son responsables del enrutamiento de mensajes entre los distintos nodos. Los enrutadores reciben mensajes del coordinador y los almacenan hasta que sus dispositivos finales están en condiciones de recibirlos. Estos también pueden permitir que otros dispositivos finales y enrutadores se conecten a la red
En esta red, los dispositivos finales pueden controlar la pequeña información comunicándose con el nodo principal como un enrutador o el coordinador en función del tipo de red Zigbee. Los dispositivos finales no conversan directamente entre sí. En primer lugar, todo el tráfico se puede enrutar hacia el nodo principal, como el enrutador, que retiene estos datos hasta que el extremo receptor del dispositivo está en condiciones de obtenerlos. Los dispositivos finales se utilizan para solicitar cualquier mensaje que esté esperando del padre.
Arquitectura Zigbee
La estructura del sistema Zigbee consta de tres tipos diferentes de dispositivos como Coordinador Zigbee, Enrutador y Dispositivo final. Cada red Zigbee debe constar de al menos un coordinador que actúa como raíz y puente de la red. El coordinador es responsable de manejar y almacenar la información mientras realiza las operaciones de recepción y transmisión de datos.
Los enrutadores Zigbee actúan como dispositivos intermediarios que permiten que los datos pasen de un lado a otro a otros dispositivos. Los dispositivos finales tienen una funcionalidad limitada para comunicarse con los nodos principales, de modo que la energía de la batería se ahorra como se muestra en la figura. La cantidad de enrutadores, coordinadores y dispositivos finales depende del tipo de redes, como redes en estrella, árbol y malla.
La arquitectura del protocolo Zigbee consta de una pila de varias capas donde IEEE 802.15.4 se define mediante capas físicas y MAC, mientras que este protocolo se completa acumulando las propias capas de red y aplicación de Zigbee.
Arquitectura de tecnología ZigBee
Capa fisica : Esta capa realiza operaciones de modulación y demodulación al transmitir y recibir señales respectivamente. La frecuencia de esta capa, la velocidad de datos y varios canales se indican a continuación.
Capa MAC : Esta capa es responsable de la transmisión confiable de datos al acceder a diferentes redes con sistemas de evitación de colisiones de acceso múltiple (CSMA) de detección de portadora. Esto también transmite las tramas de baliza para sincronizar la comunicación.
Capa de red : Esta capa se encarga de todas las operaciones relacionadas con la red, como la configuración de la red, la conexión del dispositivo final y la desconexión a la red, el enrutamiento, las configuraciones del dispositivo, etc.
Subcapa de soporte de aplicaciones : Esta capa habilita los servicios necesarios para que los objetos del dispositivo Zigbee y los objetos de la aplicación interactúen con las capas de la red para los servicios de administración de datos. Esta capa es responsable de hacer coincidir dos dispositivos según sus servicios y necesidades.
Marco de aplicación : Proporciona dos tipos de servicios de datos como par clave-valor y servicios de mensajes genéricos. El mensaje genérico es una estructura definida por el desarrollador, mientras que el par clave-valor se utiliza para obtener atributos dentro de los objetos de la aplicación. ZDO proporciona una interfaz entre los objetos de la aplicación y la capa APS en los dispositivos Zigbee. Es responsable de detectar, iniciar y vincular otros dispositivos a la red.
Modos de funcionamiento de Zigbee y sus topologías
Los datos bidireccionales de Zigbee se transfieren en dos modos: modo sin baliza y modo baliza. En un modo de baliza, los coordinadores y enrutadores monitorean continuamente el estado activo de los datos entrantes, por lo que se consume más energía. En este modo, los enrutadores y coordinadores no duermen porque en cualquier momento cualquier nodo puede despertarse y comunicarse.
Sin embargo, requiere más suministro de energía y su consumo total de energía es bajo porque la mayoría de los dispositivos están en un estado inactivo durante largos períodos en la red. En un modo de baliza, cuando no hay comunicación de datos desde los dispositivos finales, los enrutadores y coordinadores entran en un estado de suspensión. Periódicamente, este coordinador se despierta y transmite las balizas a los enrutadores de la red.
Estas redes de balizas funcionan por intervalos de tiempo, lo que significa que funcionan cuando la comunicación necesaria da como resultado ciclos de trabajo más bajos y un uso más prolongado de la batería. Estos modos de baliza y no baliza de Zigbee pueden administrar tipos de datos periódicos (datos de sensores), intermitentes (interruptores de luz) y repetitivos.
Topologías de Zigbee
Zigbee admite varias topologías de red; sin embargo, las configuraciones más utilizadas son las topologías en estrella, malla y árbol de clúster. Cualquier topología consta de uno o más coordinadores. En una topología en estrella, la red consta de un coordinador que es responsable de iniciar y administrar los dispositivos a través de la red. Todos los demás dispositivos se denominan dispositivos finales que se comunican directamente con el coordinador.
Esto se utiliza en industrias donde se necesitan todos los dispositivos de punto final para comunicarse con el controlador central , y esta topología es simple y fácil de implementar. En topologías de malla y árbol, la red Zigbee se amplía con varios enrutadores donde el coordinador se encarga de mirarlos. Estas estructuras permiten que cualquier dispositivo se comunique con cualquier otro nodo adyacente para proporcionar redundancia a los datos.
Si falla algún nodo, estas topologías enrutan automáticamente la información a otros dispositivos. Como la redundancia es el factor principal en las industrias, la topología de malla se utiliza principalmente. En una red de árbol de clúster, cada clúster consta de un coordinador con nodos hoja, y estos coordinadores están conectados al coordinador principal que inicia toda la red.
Debido a las ventajas de la tecnología Zigbee como los modos de operación de bajo costo y bajo consumo y sus topologías, esta tecnología de comunicación de corto alcance es más adecuada para varias aplicaciones en comparación con otras comunicaciones patentadas, como Bluetooth, Wi-Fi, etc., algunas de estas a continuación se ofrecen comparaciones como el rango de Zigbee, estándares, etc.
¿Por qué velocidades de datos bajas en Zigbee?
Sabemos que en el mercado se encuentran disponibles diferentes tipos de tecnologías inalámbricas, como Bluetooth y WiFi, que proporciona alta velocidad de datos. Pero, las velocidades de datos en Zigbee son menores porque el propósito principal detrás del desarrollo de ZigBee es utilizarlo tanto en el control inalámbrico como en el monitor.
La cantidad de datos, así como la frecuencia de comunicación utilizada en tales aplicaciones, es extremadamente baja. Aunque es probable que una red como IEEE 802.15.4 alcance altas velocidades de datos, por lo que la tecnología Zigbee se basa en la red IEEE 802.15.4.
Tecnología Zigbee en IoT
Sabemos que Zigbee es un tipo de tecnología de comunicación similar a Bluetooth y WiFi, sin embargo, también existen numerosas nuevas alternativas de redes emergentes como Thread, que es una opción para las aplicaciones de domótica. En las principales ciudades, las tecnologías de espacio en blanco se implementaron para casos de uso de regiones más amplias basadas en IoT.
ZigBee es una especificación WLAN (red de área local inalámbrica) de bajo consumo. Proporciona menos datos utilizando menos energía mediante dispositivos conectados con frecuencia para apagar una batería. Debido a esto, el estándar abierto se ha conectado a través de la comunicación M2M (máquina a máquina), así como la IoT industrial (Internet de las cosas).
Zigbee se ha convertido en un protocolo de IoT aceptado a nivel mundial. Ya compite con Bluetooth, WiFi e Thread.
Dispositivos Zigbee
La especificación de IEEE 802.15.4 Zigbee incluye principalmente dos dispositivos como los dispositivos de función completa (FFD) y los dispositivos de función reducida (RFD). Un dispositivo FFD realiza diferentes tareas que se explican dentro de la especificación y puede adoptar cualquier tarea dentro de la red.
Un dispositivo RFD tiene capacidades parciales, por lo que realiza tareas limitadas y este dispositivo puede conversar con cualquier dispositivo dentro de la red. Debe actuar y prestar atención dentro de la red. Un dispositivo RFD puede conversar simplemente con un dispositivo FFD y se utiliza en aplicaciones sencillas como controlar un interruptor activándolo y desactivándolo.
En un IEEE 802.15.4 n / w, los dispositivos Zigbee juegan tres roles diferentes como Coordinador, Coordinador PAN y Dispositivo. Aquí, los dispositivos FFD son el Coordinador y el Coordinador PAN, mientras que el Dispositivo es un Dispositivo RFD / FFD.
La función principal de un coordinador es transmitir mensajes. En una red de área personal, un controlador PAN es un controlador esencial y un dispositivo se conoce como si el dispositivo no fuera un coordinador.
El estándar ZigBee puede crear tres dispositivos de protocolo dependiendo de los dispositivos Zigbee, el coordinador PAN, el coordinador y la especificación estándar de ZigBee como el coordinador, el enrutador y el dispositivo final que se describen a continuación.
Coordinador de Zigbee
En un dispositivo FFD, se utiliza un coordinador PAN para formar la red. Una vez que se establece la red, asigna la dirección de la red para los dispositivos utilizados dentro de la red. Y también enruta los mensajes entre los dispositivos finales.
Enrutador Zigbee
Un enrutador Zigbee es un dispositivo FFD que permite el alcance de la red Zigbee. Este enrutador se utiliza para agregar más dispositivos a la red. A veces, actúa como un dispositivo final Zigbee.
Dispositivo final Zigbee
Este no es un enrutador ni un coordinador que interactúe físicamente con un sensor, de lo contrario, realiza una operación de control. Según la aplicación, puede ser un RFD o un FFD.
¿Por qué ZigBee es mejor que WiFi?
En Zigbee, la velocidad de transferencia de datos es menor en comparación con WiFi, por lo que la velocidad más alta es simplemente 250 kbps. Es mucho menor en comparación con la menor velocidad de WiFi.
Otra de las mejores cualidades de Zigbee es la tasa de utilización de energía y la vida útil de la batería. Su protocolo tiene una duración de varios meses porque una vez montado se nos puede olvidar.
¿Qué dispositivos usan ZigBee?
La siguiente lista de dispositivos admite el protocolo ZigBee.
- Belkin WeMo
- Samsung SmartThings
- Cerraduras inteligentes Yale
- Philips Hue
- Termostatos de Honeywell
- Ikea Tradfri
- Sistemas de seguridad de Bosch
- Comcast Xfinity Box de Samsung
- Calefacción activa Hive y accesorios
- Amazon Echo Plus
- Amazon Echo Show
En lugar de conectar cada dispositivo Zigbee por separado, se requiere un concentrador central para controlar todos los dispositivos. Los dispositivos mencionados anteriormente, a saber, SmartThings y Amazon Echo Plus, también se pueden usar como un centro Wink para desempeñar un papel vital dentro de la red. El concentrador central escaneará la red en busca de todos los dispositivos compatibles y le brinda un control simple de los dispositivos anteriores con una aplicación central.
¿Cuál es la diferencia entre ZigBee y Bluetooth?
La diferencia entre Zigbee y Bluetooth se analiza a continuación.
Bluetooth | Zigbee |
| El rango de frecuencia de Bluetooth varía de 2.4 GHz a 2.483 GHz | El rango de frecuencia de Zigbee es de 2,4 GHz
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| Tiene 79 canales de RF | Tiene 16 canales de RF |
| La técnica de modulación utilizada en Bluetooth es GFSK | Zigbee utiliza diferentes técnicas de modulación como BPSK, QPSK y GFSK. |
| Bluetooth incluye nodos de 8 celdas | Zigbee incluye más de 6500 nodos celulares |
| Bluetooth utiliza la especificación IEEE 802.15.1 | Zigbee utiliza la especificación IEEE 802.15.4 |
| Bluetooth cubre la señal de radio hasta 10 metros | Zigbee cubre la señal de radio hasta 100 metros |
| Bluetooth tarda 3 segundos en unirse a una red | Zigbee tarda 3 segundos en unirse a una red |
| El rango de red de Bluetooth varía de 1 a 100 metros según la clase de radio.
| El alcance de la red de Zigbee es de hasta 70 metros. |
| El tamaño de la pila de protocolos de un Bluetooth es 250 Kbytes | El tamaño de la pila de protocolos de un Zigbee es de 28 Kbytes |
| La altura de la antena TX es de 6 metros, mientras que la antena RX es de 1 metro. | La altura de la antena TX es de 6 metros, mientras que la antena RX es de 1 metro. |
| Blue tooth usa baterías recargables
| Zigbee no usa baterías recargables |
| Bluetooth requiere menos ancho de banda | En comparación con Bluetooth, necesita un gran ancho de banda |
| La potencia TX de Bluetooth es de 4 dBm | La potencia TX de Zigbee es de 18 dBm
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| La frecuencia de Bluetooth es de 2400 MHz. | La frecuencia de Zigbee es 2400 MHz |
| La ganancia de la antena Tx de Bluetooth es 0dB mientras que la RX -6dB | La ganancia de la antena Tx de Zigbee es 0dB mientras que la RX -6dB |
| La sensibilidad es de -93 dB | La sensibilidad es de -102 dB |
| El margen de Bluetooth es de 20 dB | El margen de zigbee es de 20 dB |
| El alcance de Bluetooth es de 77 metros | El rango de Zigbee es de 291 metros. |
¿Cuál es la diferencia entre LoRa y ZigBee?
La principal diferencia entre LoRa y Zigbee se analiza a continuación.
| LoRa | Zigbee |
| Las bandas de frecuencia de LoRa van desde 863-870 MHz, 902-928 MHz y 779-787 MHz | Las bandas de frecuencia de Zigbee son 868MHz, 915 MHz, 2450 MHz |
| LoRa cubre la distancia en áreas urbanas como 2 a 5kms mientras que en áreas rurales 15kms | Zigbee cubre la distancia de 10 a 100 metros |
| La utilización de energía de LoRa es baja en comparación con Zigbee | La utilización de energía es baja |
| La técnica de modulación utilizada en LoRa es FSK, de lo contrario GFSK | La técnica de modulación utilizada en Zigbee es OQPSK y BPSK. Utiliza el método DSSS para cambiar bits a chips. |
| La velocidad de datos de LoRa es de 0,3 a 22 Kbps para la modulación LoRa y 100 Kbps para GFSK | La velocidad de datos de Zigbee es de 20 kbps para la banda de frecuencia 868, 40 Kbps para la banda de frecuencia 915 y 250 kbps para la banda de frecuencia 2450) |
| La arquitectura de red de LoRa incluye servidores, LoRa Gateway y dispositivos finales. | La arquitectura de red de los enrutadores, el coordinador y los dispositivos finales Zigbee. |
| La pila de protocolos de LoRa incluye PHY, RF, MAC y capas de aplicación | La pila de protocolos de Zigbee incluye PHY, RF, MAC, seguridad de red y capas de aplicación. |
| La capa física de LoRa utiliza principalmente un sistema de modulación e incluye capacidades de rectificación de errores. Incluye un preámbulo con el propósito de sincronización y utiliza un CRC de cuadro completo y un CRC de encabezado PHY. | Zigbee incluye dos capas físicas como 868/915 Mhz y 2450 MHz. |
| LoRa se utiliza como WAN (red de área amplia) | Zigbee se utiliza como LR-WPAN (red de área personal inalámbrica de baja velocidad) |
| Utiliza el estándar IEEE 802.15.4g y Alliance es LoRa | Zigbee utiliza la especificación IEEE 802.15.4 y Zigbee Alliance |
Ventajas y desventajas de la tecnología Zigbee
Las ventajas de Zigbee incluyen las siguientes.
- Esta red tiene una estructura de red flexible
- La duración de la batería es buena.
- El consumo de energía es menor
- Muy sencillo de arreglar.
- Admite aproximadamente 6500 nodos.
- Menos costo.
- Es autocurativo y más fiable.
- La configuración de la red es muy fácil y simple.
- Las cargas se distribuyen uniformemente en la red porque no incluye un controlador central
- Monitorear y controlar los electrodomésticos es extremadamente simple usando el control remoto
- La red es escalable y es fácil de agregar / remoto dispositivo final ZigBee a la red.
Las desventajas de Zigbee incluyen las siguientes.
- Necesita la información del sistema para controlar los dispositivos basados en Zigbee para el propietario.
- En comparación con WiFi, no es seguro.
- El alto costo de reemplazo una vez que ocurre algún problema dentro de los electrodomésticos basados en Zigbee
- La tasa de transmisión del Zigbee es menor
- No incluye varios dispositivos finales.
- Es muy arriesgado utilizarlo para información privada oficial.
- No se utiliza como sistema de comunicación inalámbrica para exteriores porque tiene un límite de cobertura menor.
- Al igual que otros tipos de sistemas inalámbricos, este sistema de comunicación ZigBee es propenso a molestar a personas no autorizadas.
Aplicaciones de la tecnología Zigbee
Las aplicaciones de la tecnología ZigBee incluyen las siguientes.
Automatización industrial: En las industrias de fabricación y producción, un enlace de comunicación monitorea continuamente varios parámetros y equipos críticos. Por lo tanto, Zigbee reduce considerablemente este costo de comunicación y optimiza el proceso de control para una mayor confiabilidad.
Automatización del hogar: Zigbee es ideal para controlar los electrodomésticos de forma remota como control de sistemas de iluminación, control de aparatos, control de sistemas de calefacción y refrigeración, operaciones y control de equipos de seguridad, vigilancia, etc.
Medición inteligente: Las operaciones remotas de Zigbee en medición inteligente incluyen respuesta al consumo de energía, soporte de precios, seguridad frente al robo de energía, etc.
Monitoreo de Smart Grid: Las operaciones de Zigbee en esta red inteligente implican monitoreo remoto de temperatura , localización de fallos, gestión de potencia reactiva, etc.
La tecnología ZigBee se utiliza para construir proyectos de ingeniería como el sistema de asistencia de huellas dactilares inalámbrico y la automatización del hogar.
Se trata de una breve descripción de la arquitectura, los modos de operación, las configuraciones y las aplicaciones de la tecnología Zigbee. Esperamos haberle proporcionado suficiente contenido sobre este título para que lo entienda mejor. Por lo tanto, se trata de una descripción general de la tecnología Zigbee y se basa en la red IEEE 802.15.4. El diseño de esta tecnología se puede realizar de forma extremadamente sólida para que funcione en todo tipo de entornos.
Proporciona flexibilidad y seguridad para diferentes entornos. La tecnología Zigbee ha ganado mucha popularidad en el mercado porque proporciona una red de malla consistente al permitir que una red controle una región extensa, y también proporciona comunicaciones de baja potencia. Así que esta es una tecnología de IoT perfecta. Aquí tiene una pregunta para usted, ¿cuáles son las diferentes tecnologías de comunicación inalámbrica disponibles en el mercado? Para obtener más ayuda y asistencia técnica, puede contactarnos comentando a continuación.
