Algumas Perguntas Frequentes Sobre o Zigbee

No artigo anterior, falamos do protocolo Zigbee e mostramos porque esta tecnologia é fundamental para a Internet das Coisas (IoT).

Agora, respondemos algumas perguntas frequentes sobre essa tecnologia.

 

Qual é a especificação do Zigbee IP?

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.

 

Quais recursos de Zigbee IP estão disponíveis atualmente?

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.

 

O Zigbee IP pode ser usado em outras tecnologias MAC/PHY baseadas em IEEE 802.15.4?

Sim, porque a especificação Zigbee IP é construída com uma arquitetura em camadas e, portanto, é adequada para qualquer camada de link dentro da família 802.15.4. O Zigbee IP incorpora tecnologias como 6LoWPAN e RPL que otimizam o engate e o roteamento para redes de sensores sem fio. Esta mistura de tecnologias resulta em uma solução que é adequada para estender as redes IP às tecnologias MAC/PHY baseadas no IEEE 802.15.4.

 

Qual é a relação entre o Zigbee IP e o Zigbee Smart Energy versão 2.0?

O Zigbee Smart Energy 2.0 é um padrão baseado em IP que oferece recursos de gerenciamento e eficiência de energia. O IP Zigbee foi projetado especificamente para fornecer uma pilha de protocolo IPv6 que pode operar em dispositivos de baixo custo e de baixa potência, e também suporta os requisitos do Zigbee Smart Energy 2.0. Esta combinação permitirá a criação de dispositivos sem fio com longa duração da bateria que serão elegíveis para obter o selo do produto certificado Zigbee.

 

Quais são os atributos técnicos IEEE 802.15.4 em que a especificação Zigbee é baseada?

O Zigbee IP aproveita ao máximo um poderoso padrão de rádio físico IEEE 802.15.4 e operações em bandas sem licença em todo o mundo, incluindo faixas de 2,4 GHz (global), 915 MHz (Américas), 868 MHz (Europa) e 920 MHz (Japão). As taxas brutas de transferência de dados de 250 kbps podem ser alcançadas a 2,4 GHz (16 canais), 40 kbps a 915 MHz (10 canais) e 20 kbps a 868 MHz (1 canal). As distâncias de transmissão variam de 50 a 200 metros, dependendo da potência e das características ambientais.

 

Quais métodos o Zigbee usa para alcançar baixo consumo de energia?

O Zigbee IP permite que os dispositivos alimentados por bateria funcionem por horas ou mesmo dias, reduzindo o uso da bateria. O ciclo de funcionamento dos nós alimentados por bateria dentro de uma rede Zigbee é projetado para ser muito baixo, oferecendo ainda mais eficiência energética e maior autonomia da bateria. Uma vez associada a uma rede, um nó Zigbee pode acordar, se comunicar com outros dispositivos Zigbee e voltar a dormir.

 

Como o Zigbee IP compensa possíveis interferências na banda de 2,4 GHz?

Os produtos Zigbee IP têm acesso a 16 canais separados de 5 MHz na faixa de 2,4 GHz. Vários destes não se sobrepõem com as versões europeias do Wi-Fi. O Zigbee incorpora um mecanismo CSMA-CA definido pelo IEEE 802.15.4 que reduz a probabilidade de interferir com outros usuários, além usar retransmissão automática de dados para garantir a robustez da rede. Como o ciclo de trabalho de um produto Zigbee geralmente é extremamente baixo, são transmitidas poucas unidades de dados por pacotes, reduzindo a probabilidade de transmissão infrutífera. Além disso, o conjunto de protocolos IP do Zigbee contém mecanismos que permitem que uma rede operacional se mova para um canal diferente.

 

Como o Zigbee IP aborda a confiabilidade sem fio?

O IP Zigbee foi projetado para os ambientes hostis de RF que rotineiramente existem em aplicações comerciais convencionais. Ao utilizar Direct Sequence Spread Spectrum com recursos, incluindo evitação de colisões, detecção de energia do receptor, indicação de qualidade de link, avaliação de canais claros, reconhecimento, segurança, slots e frescura de pacotes, as redes Zigbee oferecem aos fabricantes de produtos uma solução altamente confiável.

 

Como as redes IP do Zigbee estão protegidas?

O Zigbee IP oferece recursos de segurança extensivos, incluindo autenticação de rede baseada em PANA/EAP e controle de admissão, re-keying de rede, criptografia de camada 2 baseada em AES-128-CCM e autenticação e criptografia de camada de aplicativo TLS.

 

O Zigbee IP suporta diferentes modos de segurança?

A segurança IP do Zigbee pode ser adaptada para atender uma grande variedade de necessidades do mercado.

 

Quantos dispositivos uma rede IP do Zigbee pode suportar?

As redes IP do Zigbee usam protocolos de Internet escaláveis ​​que não impõem qualquer limitação explícita ao tamanho da rede. Na prática, o tamanho da rede geralmente é limitado pela quantidade de dados transmitidos e a memória disponível nos dispositivos individuais. Para as plataformas e aplicativos baseados em IEEE 802.15.4, uma rede pode suportar dezenas de dispositivos. Os coordenadores do Twork podem operar redes separadas que coexistam na mesma área física e isso pode aumentar ainda mais o número de dispositivos suportados. A Zigbee Home Automation ou outros padrões desenvolvidos da Zigbee Alliance são executados no Zigbee IP. Somente o Zigbee 2030.5 foi planejado para funcionar no Zigbee IP. O Zigbee IP foi projetado especificamente para suportar esse padrão devido aos seus requisitos exclusivos. Nenhum outro padrão Zigbee é capaz de operar em uma rede IP e, portanto, não pode utilizar esta especificação. No entanto, os fabricantes individuais podem estar desenvolvendo seus próprios aplicativos no Zigbee IP.

 

O que os padrões IETF suportam do Zigbee IP?

O Zigbee IP suporta 6LoWPAN para compressão de cabeçalho, IPv6, PANA para autenticação, RPL para roteamento, TLS e EAP-TLS para segurança, TCP e protocolos de transporte UDP. Outras aplicações da Internet, como HTTP e mDNS, podem ser suportadas como aplicativos que operam em relação ao Zigbee IP.

 

Os dispositivos Zigbee IP e os dispositivos Zigbee PRO interoperam?

Os dispositivos IP Zigbee e os dispositivos Zigbee PRO não podem ser instalados na mesma rede. Eles só podem se comunicar através do uso de um gateway especial que está equipado com ambas as especificações.

 

Redes Zigbee IP, Zigbee PRO e Zigbee RF4CE coexistem no mesmo espaço?

Todas as redes Zigbee podem funcionar juntas com sucesso em qualquer ambiente doméstico, comercial ou industrial. Eles também coexistem com outras tecnologias sem fio.

 

As redes IP do Zigbee interoperam com outras tecnologias, como Wi-Fi?

A especificação IP do Zigbee é baseada no protocolo da Internet. O Zigbee 2030.5 foi projetado especificamente para usar o Zigbee IP, permitindo a troca de informações perfeitamente entre dispositivos que utilizam qualquer MAC/PHY habilitado para IP (Wi-Fi, Ethernet, HomePlug etc.).

 

Bibliografia

http://www.zigbee.org

 

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