O Zigbee e o Mundo da IoT

O que é Zigbee? Por que esta tecnologia é fundamental para a Internet das Coisas (IoT) e está modificando o mundo onde vivemos?

Zigbee é um protocolo de comunicação definido pelo IEEE 802.15.4 (vale lembrar que o Bluetooth é definido pelo IEEE 802.15), ou seja, é um protocolo de transmissão sem fio que os dispositivos usam para se conectar uns aos outros. Na verdade, o Zigbee já pode estar em sua casa agora e você ainda não percebeu.

Vou lhe dizer onde: se você mora em um condomínio predial novo e já foi instalado um medidor de água e gás individualizado, fatalmente já tem Zigbee na sua casa.

 

Exemplo de medidor de gás com pulsos transmitidos via Zigbee
Figura 1 – Exemplo de medidor de gás com pulsos transmitidos via Zigbee

 

O Zigbee melhora o conforto, uma vez que esta tecnologia trabalha para você, testando a temperatura do ambiente, controlando luzes, abrindo cortinas, entre outras diversas funções.

Mantém você seguro, uma vez que permite “ver” a sua casa quando você pessoalmente não pode, alertando-o para intrusos, fumaça, vazamento de gás, monóxido de carbono, controle de energia e até vazamentos de água.

Zigbee é confiável e aproveita o poder da malha (mesh) para conectar um dispositivo a todos os outros dispositivos. Desta forma, se um dos seus dispositivos falhar, os outros continuarão a se comunicar sem interrupção.

Zigbee é interoperável, uma vez que está muito bem padronizado desde a comunicação básica até a forma como o produto opera. Os produtos com o logotipo da aliança Zigbee funcionam perfeitamente, mesmo que sejam de diferentes empresas.

Zigbee consome baixa potência e permite que os dispositivos durem anos com uma única bateria (5 anos ou mais, dependendo do dispositivo).

Neste contexto, foi criada a Aliança Zigbee, que é a base e o futuro da IoT. Fundada em 2002, com uma ampla associação global que colabora para criar e desenvolver padrões universais abertos para os produtos, transformando a maneira como vivemos, trabalhamos e jogamos.

O quadro a seguir apresenta as principais características, definições e benefícios da tecnologia.

 

Características Definição Benefícios
IEEE 802.15.4 – transmissão via RF. Rádio bidirecional baseado em padrões internacionais. O padrão global garante um sólido desempenho.
Operação global em 2,4 GHz, 915 MHz nas Américas, 868 MHz Europa e 920 MHz no Japão. Zigbee suporta radiofrequências. Aprovado para operação conveniente e sem licença na maior parte do mundo.
Segurança da camada de link com AES-128-CCM. Segurança de dados sem fio para máxima proteção. As comunicações sem fio são protegidas usando algoritmos comprovados.
Compressão de cabeçalho 6LoWPAN. Os cabeçalhos IPv6 são compactados antes da transmissão via ar. A sobrecarga de transmissão reduzida aumenta a eficiência e o desempenho.
Rede de malha sem fio de autoconfiguração e autorecuperação. Arquitetura de rede. Fácil de usar com maior robustez e confiabilidade. Implementação sem toque, com seleção automática de canais, atribuição de endereço, estabelecimento de rotas etc.
Protocolos de rede escaláveis baseados em padrões da Internet. Protocolos de rede. Protocolos de rede comprovados e bem compreendidos.
Suporte e endereçamento do protocolo IPv6 em cada nó. Endereçamento do nó. Cada nó é individualmente acessível e pode ser endereçado através do protocolo IPv6.
Protocolo de roteamento IPv6 padrão. Protocolo de rede. O mesmo protocolo de rede usado na Internet.
Suporte para protocolos de transporte TCP e UDP para permitir o alcance total. Protocolos de transporte. Permite uma ampla gama de aplicativos da Internet (como HTTP etc.) a serem implantados.
Suporte para o encaminhamento multicast para suportar a descoberta de serviço baseada em mDNS. Protocolo de descoberta de serviço. Permite a descoberta do serviço via mDNS, protocolos DNS-SD.
Protocolo TLS v1.2 para segurança de ponta a ponta. Protocolos de segurança. Protocolos de segurança comprovados com gama de algoritmos criptográficos.
Suporte de comissionamento sem fio. Permite a criação de novas ferramentas de configuração para facilitar a adição de dispositivos a uma rede. Novas ferramentas de configuração podem ser usadas para adicionar dispositivos na rede, modificar a configuração da rede etc.
Hosts IPv6 de baixa potência com operação de rádio com rede de serviço. Baixo consumo de potência. A pilha de protocolos suporta operação de muito pouca energia e anos de duração da bateria.
Núcleos de sensor de baixo custo com pilha de rede IPv6 completa. Baixo custo. Menor custo em comparação com a maioria dos nós IPv6 sem fio.
Integração da rede de sensores com Internet mais ampla sem uso de gateways intermediários ou tradutores de protocolos. Internetworking. IPv6 de ponta a ponta permite que a rede de sensores IP Zigbee seja integrada de forma transparente com outras redes baseadas em IP.

 

Atualmente a Aliança Zigbee oferece três especificações que servem de sistema de rede base para facilitar os padrões de mercado interoperáveis. Essas especificações são suportadas por uma cadeia de suprimentos robusta e competitiva, tornando mais fácil para adicionar Zigbee aos produtos que são:

 

  • Especificação Zigbee PRO

O Zigbee PRO foi projetado para fornecer a base para a Internet de Coisas com recursos especificamente necessários para suportar redes de baixo custo e altamente confiáveis ​​de comunicação de dispositivo a dispositivo. É otimizado para baixo consumo de energia e para suportar grandes redes com milhares de dispositivos. É um sistema inovador, de autoconfiguração de nós redundantes, de baixo custo, de muito baixo consumo de energia, flexibilidade, mobilidade e a facilidade para se utilizar. O Zigbee PRO oferece uma característica inovadora, o Green Power, que suporta dispositivos autoalimentados que não dependem de baterias ou da rede elétrica.

 

  • Especificação Zigbee RF4CE

O Zigbee RF4CE foi projetado para aplicativos de controle de dispositivos bidirecionais simples, bidirecionais que não requerem recursos de rede de malha completos, oferecidos pela especificação do Zigbee. O Zigbee RF4CE oferece requisitos de tamanho de memória mais baixos, permitindo implementações de baixo custo. A simples topologia de dispositivo para dispositivo proporciona um fácil desenvolvimento e testes.

O Zigbee RF4CE fornece uma solução interoperável multifornecedor para produtos eletrônicos de consumo com uma rede de comunicação simples, robusta e de baixo custo para conectividade sem fio de duas vias.

 

  • Especificação Zigbee IP

O Zigbee IP é o primeiro padrão aberto para uma solução de rede de malha sem fio completa com base em IPv6 e fornece conexões de Internet perfeitas para controlar dispositivos de baixo consumo de energia e de baixo custo. Ele conecta dezenas de dispositivos diferentes em uma única rede de controle. O Zigbee IP foi projetado para suportar especificamente o Zigbee 2030.5, um padrão de aplicativo baseado em IP para uso por utilitários em casa.

A especificação Zigbee IP enriquece o padrão IEEE 802.15.4, adicionando camadas de rede e de segurança e uma estrutura de aplicativos. O Zigbee IP oferece uma arquitetura escalável com rede IPv6 de ponta a ponta, lançando as bases para a Internet das Coisas sem a necessidade de gateways intermediários. Ele oferece uma rede de malha sem fio econômica e eficiente em termos de energia, baseada em protocolos padrão da Internet como 6LoWPAN, IPv6, PANA, RPL, TCP, TLS e UDP. Também possui segurança comprovada de ponta a ponta usando o protocolo TLS1.2, a segurança da camada de link com base no algoritmo AES-128-CCM e suporte para infraestrutura de chave pública usando certificados X.509 v3 padrão e conjunto de cifras ECC-256. O Zigbee IP permite que dispositivos de baixa potência participem nativamente com outros dispositivos Ethernet, Wi-Fi e HomePlug habilitados para IPv6.

A partir desta base, os fabricantes de produtos podem usar o padrão Zigbee Smart Energy versão 2 para criar soluções interoperáveis ​​de vários fornecedores. Tal como acontece com qualquer especificação da Zigbee Alliance, aplicações personalizadas, conhecidas como perfis específicos do fabricante, podem ser desenvolvidas sem a interoperabilidade de múltiplos fornecedores.

As características do Zigbee IP incluem:

  1. operação global na faixa de frequência de 2,4 GHz de acordo com IEEE 802.15.4;
  2. operação regional em 915 MHz (Américas), 868 MHz (Europa) e 920 MHz (Japão);
  3. incorpora mecanismos de economia de energia para todas as classes de dispositivos;
  4. apoia desenvolvimento de mecanismos de descoberta com confirmação de aplicação completa;
  5. suporta o desenvolvimento de mecanismos de emparelhamento com confirmação de aplicação completa;
  6. topologia de estrela múltipla e comunicação de rede de área interpessoal (PAN);
  7. unicast e opções de transmissão multicast;
  8. mecanismo de atualização de chave de segurança;
  9. utiliza o esquema de segurança AES-128-CCM padrão da indústria;
  10. suporta padrões da Aliança ou inovações específicas do fabricante.

As redes IP do Zigbee são compostas por vários tipos de dispositivos: Zigbee IP Coordenador, Zigbee IP Roteador e Zigbee IP Hosts. Os coordenadores controlam a formação e a segurança das redes, os roteadores ampliam o alcance das redes e os hosts realizam funções específicas de detecção ou controle. Os fabricantes geralmente criam dispositivos que realizam múltiplas funções, por exemplo, um termostato de comunicação programável que também pode encaminhar mensagens para o restante da rede. A figura 2 ilustra um exemplo de topologia de Zigbee IP que inclui um coordenador, um roteador de borda para o acesso à Internet, cinco dispositivos de roteamento e dois dispositivos finais criando uma rede de controle. Um exemplo de rede em uma casa inteligente pode ser um coordenador sendo um termostato de comunicação programável com suporte avançado para uma exibição em casa. Dispositivos como tomadas inteligentes, termostatos e aparelhos inteligentes podem ser configurados como dispositivos de roteamento. Dispositivos simples, como aparelhos inteligentes e sensores de temperatura, podem ser dispositivos finais.

 

Topologia da rede Zigbee IP
Figura 2 – Topologia da rede Zigbee IP

 

Conclusão:

O Zigbee IP é a primeira especificação IPv6 baseada em padrões abertos para redes de sensores sem fio. A Aliança Zigbee fez um investimento significativo para trazer protocolos de rede IPv6 para redes de malha sem fio IEEE 802.15.4. A especificação IP do Zigbee oferece uma arquitetura escalável com redes IPv6 de ponta a ponta com base em protocolos padrão da Internet, como 6LowPAN, IPv6, PANA, RPL, TCP, TLS e UDP para criar uma rede de malha sem fio econômica e eficiente em termos de energia . O Zigbee IP permite que dispositivos de baixa potência participem nativamente com outros dispositivos Ethernet, Wi-Fi e HomePlug habilitados para IPv6 sem a necessidade de gateways intermediários.

A especificação Zigbee IP está disponível hoje para download público. Tanto os desenvolvedores de software como os fornecedores de chips criaram implementações da especificação Zigbee IP. Você pode encontrar uma lista completa na Aliança Zigbee – Zigbee Compliant Platforms.

 

Bibliografia

http://www.zigbee.org

 

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