Tecnología ZigBee® Prof. Julián R. Camargo.

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1 Tecnología ZigBee® Prof. Julián R. Camargo

2 Qué es ZigBee? Es un estándar de comunicaciones inalámbricas ZigBee® diseñado por la ZigBee Alliance (una asociación de mas de 100 empresas, sin ánimo de lucro, reunidas para crear un estándar inalámbrico de bajo costo, bajo consumo de energía que además cubra algunos vacíos dejados por Bluetooth) está basado en la norma IEEE para redes inalámbricas de área personal WPAN (Wireless Personal Area Network, por sus siglas en inglés). Las aplicaciones del estándar ZigBee® van desde la domótica, el control industrial hasta soluciones en equipos médicos.

3 Características Trabaja en la banda libre ISM de 2.4GHz (siempre que no se superen los 100mW de potencia) en la mayoría de casos con 16 canales disponibles para la comunicación RF. Modulación O-QPSK (Ofsset Quadradure Phase Shift Keying), que consiste en realizar una transición de fase en cada intervalo de señalización de bits, por cuadratura. Velocidad de comunicación entre 20KBs y 250KBs (suficiente para aplicaciones de domótica y automatización). Rango de alcance de la comunicación de 10 a 100mts (para dispositivos de baja potencia 1mW).

4 Sensibilidad en el receptor de -85dBm (en la banda de 2.4GHz).
Tamaño de la red ZigBee®: se puede tener hasta nodos en la red agrupados en subredes de hasta 255 nodos. Direccionamiento de la red en formato de 16 (direccionamiento reducido) o 64 bits (direccionamiento extendido). Soporta diversas topologías de red típicas: punto a punto, estrella, malla, árbol. Bajo consumo de energía (30 mA. cuando se trasmite, 3mA. en reposo). Los canales de comunicaciones cambian de forma automática cuando se presenta ruido en la señal de comunicaciones. Cifrado AES (Advanced Encryption Standard) de 128 bits que provee conexiones seguras entre los dispositivos ZigBee® de la red.

5 Modelo OSI para el estándar ZigBee®
La norma IEEE para redes inalámbricas de área personal WPAN define la primeras dos capas del modelo OSI (Open System Interconnection) para el estándar ZigBee®, la capa física y la capa de acceso al medio MAC (CSMA/CA y DSSS). La capa de red es definida por la ZigBee Capa Física (PHY) Capa de Acceso al Medio (MAC) Capa de Aplicación Capa de Red (NWK) Soporte de Aplicaciones (APS) Func. de Seguridad (SSP) ZDO Imagen tomada y modificada de Alliance que incluyen los perfiles de uso, ajustes de seguridad y la mensajería (tal como se muestra en la figura), finalmente la capa de aplicación es generada por cada fabricante de productos ZigBee®.

6 Tipos de dispositivos en una red ZigBee®
Coordinador ZigBee® (ZC): Dispositivo con todas las funcionalidades del estándar ZigBee® implementadas, debe existir por lo menos uno en la red a implementar. La función principal del Coordinador ZigBee® es realizar el control general de la red. Router ZigBee® (ZR): Es el encargado de la interconexión de aquellos dispositivos que estén separados del Coordinador (opera como un puente entre el Coordinador y los dispositivos finales ZigBee® ).

7 Dispositivo ZigBee® Final (ZED):
Es un dispositivo con funcionalidades reducidas, que tiene la capacidad de comunicarse únicamente con un Coordinador o con un Router ZigBee® utilizado para la conexión de los actuadores finales de la aplicación, normalmente está dormido la mayor parte del tiempo por lo que su consumo de energía es mínimo. ZC ZR ZED Red ZigBee® Típica Modelo de red. (Imagen tomada y modificada de

8 Módulos ZigBee® comerciales
Especificaciones Wi.FS24-100 Rendimiento Alcance en ambientes interiores/zonas urbanas 300 + (+ de 100 m) Alcance de RF en Línea de Visión para ambientes exteriores (+ de 1200 m) Potencia de Salida en Transmisión 10 mW, 100 mW (controlado por software) Régimen RF de datos 250,000 bps Sensibilidad del Receptor -92 dBm (1% PER) Requerimientos de potencia Suministro de Voltaje 2.4 – 3.6 V Corriente de Transmisión (típico) Corriente de Recepción (típico) 42mA < Corriente Power-Down 5uA < Información General Frecuencia ISM 2400 a 2483,5 MHz Dimensiones 1.0" x 1.4" (2,54cm x 3,556cm) Temperatura de Operación -40 to 85º C (industrial) Opciones de Antena Antena integrada en PCB Trabajo en Red y Seguridad Topologías permitidas en la Red Punto a punto, Punto a multipunto, Malla (Z-Star solamente) Cantida máxima de nodos en la red 65.543 Número de Canales 16 (canal 16 se fija en un nivel de potencia reducida) Capas de Filtración de la Red Más de direcciones de red

9 Especificaciones XBee XBeePro Rendimiento Alcance en ambientes interiores/zonas urbanas hasta 100’ (30 m) hasta 300’ (100 m) Alcance de RF en Línea de Visión para ambientes exteriores hasta 4000’ (1200 m) Potencia de Salida en Transmisión 1 mW (0 dBm) 60 mW (18 dBm), 100 mW EIRP Régimen RF de datos 250,000 bps Sensibilidad del Receptor -92 dBm (1% PER) -100 dBm (1% PER) Requerimientos de potencia Suministro de Voltaje 2.8 – 3.4 V Corriente de Transmisión (típico) V V Corriente de Recepción (típico) V 55 V Corriente Power-Down < 10 μA Información General Frecuencia ISM 2.4 GHz Dimensiones 0.960” x 1.087” (2.438cm x 2.761cm) 0.960” x 1.297” (2.438cm x 3.294cm) Temperatura de Operación -40 to 85º C (industrial) Opciones de Antena Conector U.FL, Antena Chip, o alambre de antena Trabajo en Red y Seguridad Topologías permitidas en la Red Punto a Punto, Punto a Multipunto, Igual a Igual y Mesh Número de Canales 16 Canales de Secuencia Directa (software seleccionable) 12 Canales de Secuencia Directa (software seleccionable) Capas de Filtración de la Red PAN ID & Direcciones 64-bit

10 Módulos ZigBee XBee/XBeePro

11 Distribución y manejo de pines

12 Conexión a un Microcontrolador
Conexión directa del módulo ZigBee al Microcontrolador (teniendo en cuenta voltajes de operación). Comunicación serial asincrónica. Velocidad de comunicaciones entre el módulo y el microcontrolador configurable. Operación en modo transparente (opera como un puerto serie inalámbrico), en modo API (Application Programming Interface), en modo de Comandos (AT).

13 Operación en modo API En modo API todos los datos que ingresan o salen del módulo están contenidos en tramas que definen las operaciones o eventos dentro del módulo. Las tramas RF transmitidas incluyen: - Los datos de la trama de transmisión RF - Trama de Comandos Las tramas de datos RF recibidas contienen: - Los datos de la trama RF recibida - Comandos de respuesta - Notificaciones de eventos tales como: reset, asociación, desasociación, etc. Operaciones de Transmisión de datos hacia múltiples destinatarios sin ingresar al modo Comando. Estatus de recepción exitosa o fallida para cada uno de los paquetes RF transmitidos. Identificación de las direcciones fuente de cada paquete recibido.

14 Operación en modo Transparente
Por defecto estos módulos ZigBee® trabajan en modo transparente. Actuando como una línea serial normal, así todo dato recibido en el pin DI (Data In), es puesto en el buffer para la transmisión RF, de igual forma, cuando un dato RF es recibido, el mismo es transmitido a través del pin DO (Data Out). Cuando el dato recibido desde el host no puede ser transmitido inmediatamente (debido a que en ese momento el dispositivo está recibiendo datos RF), el mismo es almacenado en el búfer DI hasta que pueda ser enviado. Los datos son empaquetados y enviados cada vez que el tiempo RO (programable por el usuario) se cumpla o cuando el módulo a recibido 100 bytes (máximo tamaño del buffer). Si el búfer DI empieza a llenarse, se debe implementar algún tipo de control de flujo ya sea vía hardware o vía software, esto con el fin de prevenir pérdidas de datos.

15 Direccionamiento de los módulos
Todo paquete de datos RF que es enviado por aire tiene un campo para la Dirección de Origen y otro para la Dirección de Destino en su cabecera. Los módulos soportan direcciones cortas de 16 bits o largas de 64 bits. Una única dirección de origen de 64 bits es asignada de fábrica a cada dispositivo, esta dirección puede ser leída usando los comandos AT: SL (Serial Low Number, Número Serial Bajo) y SH (Serial High Number, Número Serial Alto). El direccionamiento corto debe ser configurado manualmente. Un dispositivo XBEE utilizará esta dirección de 64 bits propia como dirección de Origen, si el valor del parámetro MY (Source Address, Dirección de Origen de 16 bits) es 0xFFFF ó 0xFFFE.

16 Modo Unicast Por defecto, todo módulo RF opera en este modo. El modo Unicast es el único que soporta re-envío de datos. Esto quiere decir que el dispositivo receptor enviará un ACK (Acknowledge o acuse de recibo) para asegurar la recepción de cada paquete RF, esta confirmación le llegará al transmisor, mas si el mismo no recibe dicha confirmación, entonces procederá a re-enviar el paquete de datos tres veces más o hasta que reciba el acuse de recibo.

17 Direcciones cortas de 16 bits:
Cada módulo puede ser configurado para que trabaje utilizando direcciones cortas de 16 bits como dirección de origen, esto se consigue a través de la asignación de un valor para el parámetro MY (el cuál debe ser menor a 0xFFFE). Poniendo en cero el parámetro DH (DH = 0), se determinará la Dirección de Destino como una dirección corta de 16 bits (si Dl es menor a 0xFFFE). Para que dos módulos se comuniquen utilizando direcciones cortas, la dirección de destino del dispositivo transmisor debe ser la misma que el parámetro MY del dispositivo receptor. La siguiente tabla muestra una configuración de una red que podría ser utilizada en el modo Unicast usando direcciones cortas de 16 bits: Parámetro Módulo RF 1 Módulo RF 2 MY (Dirección de Origen) 0x01 0x02 DH (Dirección de Destino Alta) DL (Dirección de Destino Baja)

18 Direcciones largas de 64 bits:
El número serial de cada módulo (parámetro SL concatenado con parámetro SH), puede ser usando como una dirección de destino de 64 bits, siempre y cuando el parámetro MY se encuentre deshabilitado (MY = 0xFFFF ó = 0xFFFE). Cuando un punto final (End Point) se asocia con un coordinador, su parámetro MY se debe hacer 0xFFFE, esto habilita el direccionamiento de 64 bits. Para enviar un paquete de datos hacia un módulo específico, la dirección de destino (DH + DL) de un dispositivo debe ser igual al número serial (SH + SL) del otro dispositivo.

19 Modo Broadcast Cualquier módulo RF que se encuentre dentro del alcance del transmisor, aceptará un paquete que contenga una dirección broadcast. Cuando han sido configurados para operar en modo Broadcast, los dispositivos receptores no enviarán acuse de recibo (ACK), y los dispositivos transmisores no re-enviarán automáticamente la información, como sucede en el modo Unicast. Para enviar un paquete broadcast hacia todos los módulos sin considerar el direccionamiento (ya sea de 16 o 64 bits), se deben configurar las direcciones de destino de todos los módulos tal como se muestra a continuación: - DL (Dirección Baja de Destino) = 0x0000FFFF - DH (Dirección Alta de Destino) = 0x (valor por defecto)

20 Modos de Operación Modo IDLE:
En este modo se encuentra todo dispositivo que no este ni transmitiendo ni recibiendo información, corresponde a un modo de espera o modo ocioso. 2. Modos de Transmisión o Recepción: Estos modos permiten transmitir o recibir información, ya sea paquetes RF (transmisión sobre el aire) o datos de comunicación con el host (comunicación serial). 3. Modo Sleep: Los dispositivos pueden ser configurados para dormirse o dejar de trabajar siempre que no tengan nada para transmitir ni tengan datos por recibir, esto ayudará a reducir el consumo de energía. 4. Modo Command (Comando): Este módulo sirve para configurar parámetros del dispositivo por medio de comandos AT.

21 El Software X-CTU El X-CTU es un software que provee Digi, utilizado para la configuración de los módulos XBee/XBeePro incluye una interfaz que facilita este proceso, sin necesidad de hacer uso de manera directa de comandos AT. Permite realizar las siguientes tareas: Configuración del PC (PC Settings): Permite configurar las características del puerto serial del PC que se utilizará para la comunicación con el módulo de RF.

22 2. Prueba de Rango (Range test): Donde se puede realizar un test del rango (alcance) del módulo ZigBee, además presenta una pantalla con los paquetes recibidos y transmitidos.

23 3. Terminal: Usado con el fin de configurar o leer los parámetros del dispositivo ZigBee utilizando para ello comandos AT (es similar al Hyperterminal de Windows).

24 4. Configuración del Modem (Modem Configuration): Para configurar o leer los parámetros del módulo ZigBee.

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26 Muchas gracias por su atención!