Protocolo ZigBee
Resumo
ZigBee é uma das tecnologias de rede que surge no mundo de hoje. É amplamente utilizado em casas inteligentes e dispositivos baseados em IoT. ZigBee é um padrão de rede mesh sem fio de baixo custo e baixo consumo que oferece comunicação de baixa latência. Para entender o ZigBee em detalhes, precisamos examinar as profundezas da sua arquitetura e como ele opera. Neste projeto elaboraremos sobre a arquitetura e transmissão de dados com as suas aplicações e comparação com outras tecnologias de rede similares emergentes atualmente.
Introdução ao ZigBee: O que é o ZigBee?
No mundo de tecnologias em crescimento como WiFi e Bluetooth, por que precisamos de tecnologias como ZigBee? O problema com essas tecnologias é que elas abordaram a questão da alta taxa de dados, como a necessária para transmissão de vídeo, áudio e Internet. Portanto, há necessidade de novas tecnologias para sensores e dispositivos de controle que não exijam alta largura de banda, alta velocidade e alta potência. Isso levou ao desenvolvimento da nova tecnologia sem fio chamada ZigBee. ZigBee é uma tecnologia de rede de área pessoal sem fio projetada para dispositivos de baixa potência, baixa manutenção, baixo custo e curta distância que são interconectados. O ZigBee foi projetado de tal forma que é escalável para qualquer número de dispositivos conectados usando a rede mesh. Também não permite perda de sinal; portanto, é altamente confiável.
O conceito de fazer sensores e dispositivos de controle que possam transmitir as informações ou realizar alguma função específica não é novidade. Existem outras tecnologias como WiFi e Bluetooth anteriores ao ZigBee, mas seu poder e a restrição de custo persuadiram os engenheiros a desenvolver um novo protocolo de comunicação que pode se dimensionar sem exigir nenhuma administração de rede externa. A conclusão do protocolo IEEE 802.15.4 levou ao desenvolvimento bem-sucedido do ZigBee. ZigBee é construído em cima deste padrão IEEE que possui camada de controlo de acesso físico e de mídia (MAC). O próprio padrão IEEE define a tecnologia de baixa potência, baixo custo e baixa manutenção baseada no espectro de 2,4 GHz, 900 MHz e 868 MHz. Maior largura de banda.
O próprio protocolo ZigBee é uma combinação do padrão IEEE e dos protocolos de rede, aplicação e segurança. O novo padrão IEEE foi revisto novamente em 2004 e encapsula o MAC e a camada física como parte do seu protocolo de rede. Portanto, os dispositivos ZigBee encapsulam automaticamente o padrão IEEE como parte do seu protocolo de rede.
O que torna o ZigBee eficiente em energia é sua característica de ligá-lo apenas quando a bateria é necessária. Outros dispositivos que trabalham em tecnologia diferente têm o rádio ligado mesmo quando o dispositivo não está se comunicando ou executando qualquer função. O ZigBee considera essa desvantagem e liga o rádio apenas quando necessário; portanto, um dispositivo acaba usando menos de 1% da sua bateria e pode durar anos de maneira semelhante. Cada unidade de controlo de um dispositivo ZigBee é composta por uma quantidade fixa de memória que pode ser construída sobre uma estrutura de RAM/ROM de 8 bits. É composto por um microprocessador com pilhas IEEE e ZigBee que permitem executar aplicativos ZigBee.
Arquitetura do Protocolo ZigBee
O ZigBee é composto por várias camadas de rede em sua pilha de protocolos de comunicação. As camadas incluem camada de rede, camada de aplicação, subcamada de aplicação, controle de acesso à mídia e camada física. Todas as camadas são interconectadas através do ponto de entrada de acesso ao serviço e possui dois tipos de entidades: entidade de gerenciamento de dados e entidade de gerenciamento de rede. A figura abaixo mostra todas as diferentes camadas da arquitetura do protocolo ZigBee.
O funcionamento das camadas do ZigBee é bastante semelhante ao das camadas de rede. A camada física é projetada com o ponto de vista de acomodar alto nível de dados, mas com baixo custo. A camada física usa sequência direta que evita que os engenheiros implementem uma estrutura complexa para resolver o problema. A camada é responsável por modular e demodular os sinais de saída e entrada. Ele também decide a taxa de dados e o número do canal alocados para cada banda de frequência. A camada de controlo de acesso ao meio faz parte do protocolo IEEE e é responsável por transferir os dados de e para a camada física e da camada de rede. A camada de rede fica entre o MAC e a camada física e é responsável por acompanhar todos os dispositivos ativos que estão disponíveis na rede. Além disso, ele também descobre os seus vizinhos e os nós de conexão e inicia a rede. Seguindo a camada de rede está a subcamada de suporte a aplicativos que basicamente fornece a interface entre os objetos de rede e os objetos de dispositivo ZigBee. Ele é responsável por solicitar algo, confirmar, estabelecer conexão e enviar de volta a mensagem de resposta. A última vem a camada de Aplicação responsável por conectar vários dispositivos conectados a uma mesma rede e se comunicar entre eles. e enviando de volta a mensagem de resposta. A última vem a camada de Aplicação responsável por conectar vários dispositivos conectados a uma mesma rede e se comunicar entre eles. e enviando de volta a mensagem de resposta. A última vem a camada de Aplicação responsável por conectar vários dispositivos conectados a uma mesma rede e se comunicar entre eles.
Cada dispositivo conectado a uma rede ZigBee é chamado nó. O próprio padrão IEEE suporta até 65.000 dispositivos que podem ser interconectados. Na parte inferior da hierarquia da rede há um dispositivo que monitora as atividades dos outros nós sendo chamado ZigBee End Device (ZED). Além do ZED, há outro dispositivo primário na rede chamado ZigBee Coordinator (ZC) cuja tarefa é iniciar a rede. O ZED decide qual tarefa é atribuída a cada nó, cada nó também funciona à medida que passa para os nós subsequentes.
Existem dois tipos de dispositivos, conforme definido pelo ZigBee, ou seja, dispositivo funcional completo (FFD) e dispositivo funcional reduzido (RFD). O RFD segue a topologia funcional, ou seja, só pode se comunicar com o FFD e não com outros RFDs, enquanto o FFD segue a topologia funcional completa, ou seja, pode se comunicar com outros RFDs e FFDs. Os RFDs seguem uma funcionalidade mínima e é por isso usados para aplicações mais simples, como switches e dispositivos de comunicação passiva. Os respetivos dispositivos e como eles se comunicam podem ser observados na sessão Transmissão de Dados abaixo.
Transmissão de dados em ZigBee
A transmissão de dados é uma parte importante da rede ZigBee. Além do baixo consumo de energia, a transmissão de dados eficiente também é necessária. Embora a rede ZigBee consuma pouca energia, ela pode ter problemas relacionados à transmissão de dados ineficiente quando o número de dispositivos aumenta, portanto, o tráfego da rede. Isso, no que lhe concerne, aumenta o consumo de energia do dispositivo, levando a uma transferência de dados não confiável pelo dispositivo. Isso mostra que a transmissão de dados ineficiente também pode prejudicar o recurso de baixa potência do ZigBee. Portanto, precisamos de uma solução confiável e eficiente que possa nos fornecer uma transmissão de dados eficiente. Os três dispositivos na rede ZigBee: o nó pai que pode ser o coordenador ZigBee (ZC) ou o roteador ZigBee (ZR), e o dispositivo de economia de energia que é o ZigBee End Device (ZED) desempenha um papel importante na transmissão de dados. ZED é o principal componente que causa transferência de dados ineficiente. Como o problema está relacionado ao ZED, a solução também está associada ao ZED. Aqui, olharemos para os problemas e, em seguida, discutir uma solução eficiente.
Problemas de transmissão de dados com o atual ZED de economia de energia
Na rede ZigBee, os dados são transferidos de 3 maneiras, ou seja, coordenador para coordenador, coordenador para dispositivo final e dispositivo final para o coordenador. Como o ZED só pode se comunicar com o nó pai, ou seja, o coordenador ou o roteador, e não com outros dispositivos, ele participa de apenas duas das três formas de transferência de dados acima. Ele economiza energia enquanto se comunica com o coordenador (ou seja, o nó pai). O atual ZED Power Saving não recebe os dados de forma confiável devido à falta de eficiência na atual estrutura e processo de transmissão de dados. O nó pai na rede ZigBee atual não contém nenhum recurso de economia de energia, portanto, a energia precisa ser recebida por ele. Para habilitar a economia de energia, o recetor de RF não precisa estar ligado o tempo todo. ZED liga ou desliga o recetor de RF para economizar energia. Se houver dados que precisam ser transmitidos entre o nó pai e ele mesmo, o recetor de RF será LIGADO e, se não houver dados, o recetor de RF será DESLIGADO. No entanto, a questão aqui é com que frequência o recetor de RF será ligado e desligado e como o ZED saberá se há dados para transmitir ou não? Esta pergunta é respondida na discussão abaixo.
As figuras abaixo demonstram como os dados são recebidos pelo ZED do nó pai.
A partir da Fig. 3 e da Fig. 4, pode-se ver que o ZED envia a mensagem de solicitação de dados ao nó pai para verificar se há algum dado que precise ser transmitido. Isso é feito periodicamente alternando o estado do receptor de RF para LIGADO ao verificar, caso contrário, o receptor de RF permanece DESLIGADO o tempo todo. Ao receber a solicitação de dados, é verificado pelo nó pai se há algum dado restante para enviar. Em ambos os casos de dados pendentes ou sem dados pendentes, uma confirmação é enviada pelo nó pai ao ZED. No reconhecimento, há um campo chamado frame pendente (FP) que é diferente para os dois casos. No caso de dados pendentes, FP é definido como 1 durante o envio da confirmação (ACK). Então quando este ACK é recebido pelo ZED, ele mantém o receptor RF ligado. Este estado ON é mantido até que o nó pai transmita os dados de seu buffer, como mostrado na Fig 4. No outro caso, quando FP é definido como 0, o ZED fica sabendo que não há dados e muda o estado do receptor de RF para DESLIGADO. Desta forma, o receptor de RF não precisa estar sempre ligado e o ZED economiza energia determinando através de solicitações de dados se há dados pendentes ou não e, em seguida, determinando o estado do receptor de RF.
O processo de transmissão de dados descrito acima é eficiente em termos de energia e também transfere os dados, mas não transfere os dados de forma eficiente. Há muitos problemas associados a este processo. Conforme dito acima, a ZED envia periodicamente a solicitação de dados para eventuais dados disponíveis para serem recebidos. Isso significa que o ZED envia solicitação de dados mesmo quando não há dados disponíveis no nó pai, como vimos acima (quando FP = 0). No pior cenário possível, pode haver uma situação em que, na maioria das vezes, as solicitações de dados retornem de mãos vazias sem nenhum dado disponível. Essas solicitações de dados são inúteis, pois não servem a nenhum propósito, aumentam o tráfego de rede desnecessariamente e levam a mais uso de energia. Além disso, o nó pai não pode transferir os dados sem uma solicitação de dados do ZED, o que leva ao desperdício de tempo se a solicitação de dados do ZED for perdida. Por último, mas não menos importante, o nó pai está relutante em enviar dados importantes e confidenciais devido ao desconhecimento da identidade do ZED. Todos esses problemas abrem caminho para uma melhor técnica de transmissão de dados que é o ZEDDT.
Transmissão de Dados Eficiente através do ZEDDT
O método ZEDDT é uma solução que supera todas as desvantagens do ZED de economia de energia, reduzindo o tráfego de rede, fornecendo informações sobre o ZED ao nó pai e minimizando o consumo de energia. Anteriormente no ZED, o nó pai transferia dados somente após receber solicitações de dados do ZED porque não sabia o tempo do estado LIGADO do receptor de RF. Isso geralmente levava ao aumento do tráfego de rede devido a solicitações de dados desnecessárias quando não havia dados disponíveis. Agora, com o ZEDDT, todos esses problemas são resolvidos, pois o ZEDDT permite que o nó pai tenha todas as informações sobre o ZED e também os tempos de estado ON do receptor de RF. Isso facilita para o nó pai enviar dados para o ZED.
Como podemos ver na Fig. 5, o ZED não envia nenhuma solicitação de dados ao nó pai. O ZEDDT funciona com base nos tempos ZED INFO e RF armazenados com o nó pai. Inicialmente, não há informações sobre o ZED com o nó pai, então o ZED precisa iniciar a comunicação enviando uma solicitação de comando quando o receptor de RF estiver LIGADO. Em seguida, depois de receber um ACK do nó pai, o ZED manterá o receptor RF LIGADO até que receba uma solicitação do nó pai para enviar os tempos ZED INFO e RF LIGADO. Uma vez que ele envia a resposta contendo as informações solicitadas para o nó pai, ele desliga o receptor de RF como mostrado na Fig. 5. Esta informação é agora armazenada pelo nó pai para enviar os dados para o ZED no futuro. Uma vez que o nó pai tem as temporizações do receptor RF ON e ZED INFO, ele não precisa esperar que o ZED envie uma solicitação de dados. Isso omite a etapa de envio de requisições de dados pelo ZED que era a principal causa do tráfego de rede. Sempre que algum dado estiver disponível para ser transmitido, o nó pai só precisa verificar se o receptor de RF está ligado naquele momento e o endereço ZED, e então os dados podem ser enviados para o ZED facilmente. Depois disso, o ligar e desligar do receptor de RF segue a mesma lógica do processo original. Desta forma, o tráfego de rede torna-se menor, pois contém apenas o tráfego devido ao envio dos dados e não quaisquer outras solicitações de verificação de disponibilidade de dados. Também torna o processo confiável porque o nó pai está ciente das informações do ZED. Assim, os dados são transferidos de forma mais confiável e eficiente. o nó pai só precisa verificar se o receptor de RF está ligado naquele momento e o endereço ZED, e então os dados podem ser enviados para o ZED facilmente. Depois disso, o ligar e desligar do receptor de RF segue a mesma lógica do processo original. Desta forma, o tráfego de rede torna-se menor, pois contém apenas o tráfego devido ao envio dos dados e não quaisquer outras solicitações de verificação de disponibilidade de dados. Também torna o processo confiável porque o nó pai está ciente das informações do ZED. Assim, os dados são transferidos de forma mais confiável e eficiente. o nó pai só precisa verificar se o receptor de RF está ligado naquele momento e o endereço ZED, e então os dados podem ser enviados para o ZED facilmente. Depois disso, o ligar e desligar do receptor de RF segue a mesma lógica do processo original. Desta forma, o tráfego de rede torna-se menor, pois contém apenas o tráfego devido ao envio dos dados e não quaisquer outras solicitações de verificação de disponibilidade de dados. Também torna o processo confiável porque o nó pai está ciente das informações do ZED. Assim, os dados são transferidos de forma mais confiável e eficiente. o tráfego de rede torna-se menor, pois contém apenas o tráfego devido ao envio de dados e não a qualquer outra solicitação de verificação de disponibilidade de dados. Também torna o processo confiável porque o nó pai está ciente das informações do ZED. Assim, os dados são transferidos de forma mais confiável e eficiente. o tráfego de rede torna-se menor, pois contém apenas o tráfego devido ao envio de dados e não a qualquer outra solicitação de verificação de disponibilidade de dados. Também torna o processo confiável porque o nó pai está ciente das informações do ZED. Assim, os dados são transferidos de forma mais confiável e eficiente.
Aplicativos ZigBee e dispositivos ZigBee
Devido à baixa potência e eficiência da rede ZigBee, ela é utilizada em diversos dispositivos para diversas finalidades. Tem aplicações em vários campos. É amplamente utilizado em dispositivos de automação e monitoramento em tempo real. Dentre suas diversas aplicações, duas delas serão discutidas nesta seção. O primeiro é o uso da tecnologia ZigBee na rede inteligente usada para geração renovável distribuída e sistemas de medição inteligente. Outro uso do ZigBee está nos dispositivos de automação residencial para controlar a coordenação dos eletrodomésticos.
Os dispositivos ZigBee são valiosos, robustos e flexíveis quando usados em uma rede inteligente devido à sua eficiência no monitoramento de dados em tempo real em sistemas de medição inteligente. Ao considerar a geração renovável distribuída, o ZigBee é eficaz na superação de todas as interferências encontradas em um sistema de energia fotovoltaica pertencente ao tratamento e distribuição de água. Os roteadores ZigBee são usados na casa de controle de parques eólicos para evitar a interferência causada por portas metálicas reforçadas. Além disso, os dispositivos ZigBee também podem ser usados em todos os edifícios urbanos para superar as interferências causadas pelas paredes ou poços de elevadores.
Ao discutir as aplicações do ZigBee, ele pode ser usado na vida cotidiana em residências inteligentes que exigem automação residencial e coordenação entre eletrodomésticos. Para controlar a casa de forma inteligente, é necessário um sistema eficiente e de baixo consumo de energia. Essas duas características são fornecidas pelo ZigBee. No projeto de automação residencial, o ZigBee é usado para transmitir e receber sinais entre aparelhos controlados. Desta forma, o software de comunicação ZigBee e um módulo transmissor-receptor sem fio ZigBee são usados para obter os sinais ZigBee convertidos e comunicar-se com os dispositivos controladores enviando comandos. Isso torna o ZigBee um componente importante na automação residencial.
Vantagens do ZigBee sobre outras tecnologias como Z-Wave
O ZigBee é um protocolo de rede sem fio que possui várias vantagens sobre outras tecnologias, como o Z-wave. Alguns deles incluem eficiência de energia e taxa relativamente menor de transmissão de dados. Devido à sua baixa potência e baixa taxa de dados, a configuração da rede é bastante simples. A rede ZigBee consiste principalmente em um roteador, coordenador e dispositivos finais, conforme ilustrado na Fig. 6. O roteador é responsável pela transmissão de dados e é capaz de estender o escopo da rede ZigBee. Também é referido como um nó de retransmissão. O coordenador é uma espécie de controlador que não apenas controla, mas também mantém a rede ZigBee. Para que outros nós possam ingressar na rede ZigBee, o coordenador também atribui endereços de rede a esses nós. Os dispositivos finais transmitem os dados coletados ao coordenador ou ao roteador.
Devido à configuração simples da rede e ausência de um controlador central, é fácil monitorar e controlar os aparelhos remotamente. A rede ZigBee é escalável e as cargas são distribuídas uniformemente por toda a rede. Portanto, adicionar ou remover dispositivos finais na rede é viável. O ZigBee utiliza bateria de lítio, reduzindo assim o custo de substituição da bateria, pois as baterias de lítio duram mais. A configuração da rede ZigBee também é econômica. O ZigBee oferece boa segurança, pois usa o algoritmo de criptografia AES. Tem uma largura de banda de trabalho flexível e um pequeno atraso. ZigBee tem uma grande capacidade de rede e pequeno alcance efetivo.
Em comparação com a onda Z, o ZigBee é um protocolo aberto. As redes mesh do ZigBee têm um alcance maior e permitem pular por mais dispositivos. O ZigBee também possui baixa taxa de consumo de energia e menos problemas de congestionamento. Como o ZigBee usa uma frequência de rádio de 2,4 GHz internacionalmente, é conveniente onde quer que se viaje. Destina-se principalmente à comunicação WPAN (~ 10 m). No entanto, não é desconhecido que o ZigBee atinja cerca de 100 m. A Fig. 7 ilustra as diferenças entre o ZigBee e outros protocolos.
Embora o ZigBee tenha várias vantagens em relação a outros protocolos, a rede apresenta algumas deficiências. Devido à sua baixa taxa de dados, o ZigBee é ideal se usado em uma área significativamente menor. ZigBee não é compatível com muitos protocolos, pois a maioria deles foi originalmente baseada no protocolo IP. No entanto, devido ao seu número crescente de vantagens, o ZigBee, em geral, fornece uma rede mesh confiável.
Autenticação, Integridade e Criptografia
ZigBee fornece autenticação forte, integridade e serviços de criptografia. Ele fornece criptografia de ponta a ponta forte. Sua pilha define a segurança para as camadas de aplicação, rede e MAC. O ZigBee fornece uma maneira eficiente e fácil de proteger os pacotes na camada de aplicação.
Autenticação
O ZigBee usa uma chave compartilhada para autenticar dispositivos, fornecendo uma maneira segura de transmitir e receber informações entre dispositivos. Uma chave de rede ativa é usada para autenticação de camada de rede e uma chave de link é usada para autenticação de camada de aplicativo.
Integridade
O ZigBee utiliza o MIC, que é um código de integridade da mensagem para proibir a modificação de informações sem que o usuário tenha a chave criptográfica. Ele também autentica o fato de que as informações vieram do proprietário legítimo, evitando assim que um invasor modifique as informações. O comprimento de bits do MIC pode assumir valores como 0, 32, 64, 128. Conforme ilustrado na Fig. 8., ZigBee é capaz de adicionar cabeçalhos aos quadros de dados em MAC, NWK, bem como nas camadas APS.
Criptografia
Este serviço usa uma chave simétrica para transmitir dados com segurança e, portanto, as informações não podem ser enviadas ou recebidas sem uma chave criptográfica. ZigBee usa algoritmo AES com 128 bits. O ZigBee usa três tipos de chaves de segurança: mestre, link e rede. A segurança do ZigBee depende principalmente da instalação e inicialização das três chaves.
Conclusão
Em poucas palavras, ZigBee é uma tecnologia sem fio que usa uma rede mesh para interconectar vários dispositivos. A principal característica do ZigBee que levou ao seu desenvolvimento é o seu design para dispositivos de baixa potência e curta distância. A arquitetura do ZigBee inclui camada de rede, camada de aplicação, subcamada de aplicação, controle de acesso à mídia e camada física e o ponto de entrada de acesso ao serviço interconecta essas camadas. A comunicação ZigBee inclui três dispositivos principais que são ZigBee Coordinator, ZigBee Router e ZigBee End Device. A transmissão de dados em ZigBee através do método ZEDDT possui o recurso de economia de energia que controla e minimiza o tráfego de rede juntamente com baixo consumo de energia. Uma das muitas vantagens do ZigBee é sua forte autenticação e serviços de segurança, o que o torna a tecnologia sem fio preferida. É amplamente utilizado em dispositivos de automação residencial e IoT. Portanto, os recursos e vantagens do ZigBee o tornam a tecnologia sem fio preferida que é usada em vários campos e leva ao crescimento técnico.
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