ZIGBEE

1. INTRODUÇÃO

A necessidade de comunicar-se faz com que surjam novas tecnologias cada vez mais viáveis, e de grande vantagem para a sociedade, podendo proporcionar avanços tecnológicos, uma dessas recém descobertas tecnologias é o ZigBee, rede sem fio pessoal de curta distância, atualmente pouco conhecido

“ZigBee é um padrão que será definido por uma aliança de empresas de diferentes segmentos do mercado, chamada “ZigBee Alliance”. Este protocolo está sendo projetado para permitir comunicação sem fio confiável, com baixo consumo de energia e baixas taxas de transmissão para aplicações de monitoramento e controle. Para implementar as camadas MAC (Medium Access Control) e PHY (Phisical Layer) o ZigBee utiliza a definição 802.15.4 do IEEE, que opera em bandas de freqüência livre.” (FRIAS, 2004)

O objetivo principal deste artigo é proporcionar aos estudantes e profissionais de informática conhecimentos sobre esta nova tecnologia, suas aplicabilidades e benefícios para a sociedade.

2. ZIGBEE

2.1 CARACTERÍSTICAS

O ZigBee funciona a uma taxa de freqüência livre de até no máximo 2,4Ghz podendo variar de acordo com a localização do país e velocidade de transmissão de até no máximo 250Kbps baseado na taxa de freqüência.

“Os dispositivos baseados na tecnologia ZigBee operam na faixa ISM que não requer licença para funcionamento, incluindo as faixas de 2,4Ghz (Global), 915Mhz (América) e 868Mhz (Europa) e com taxas de transferência de dados de 250Mbps em 2,4 Ghz, 40Kbps em 915 Mhz e 20Kps em 868Mhz.” (PINHEIRO, 2004)

O padrão IEEE802.15.4 possui funções de definir as camadas de rede, aplicação e de segurança, gerenciar a evolução da tecnologia ZigBee e a interoperabilidade.

O ZigBee funciona a uma distância de alcance de cerca de 10m suportando a tecnologia Mesh, redes sem fio em malha, com nós repetidores, podendo utilizar repetidores para atingir o destino final até um alcance de no máximo 100m, onde se um dos nós parar os outros se estruturam para continuar funcionando sem interrupção do sinal, de forma descentralizada, sem um nó fixo, desta forma torna-se auto-configurado e auto-reinstalado.

De acordo com Maria Isabel Moreira da Revista Info Online, Redes WiMesh ou tecnologia Mesh são:

“Rede sem fio descentralizada, na qual cada nó atua como ponto de passagem para outros. No caso da queda de um dos nós, os pacotes de dados são roteados para nós alternativos. Essas redes são auto configuráveis e podem ter seu alcance estendido indefinidamente desde que haja nós distribuídos por toda área de utilização.”

As camadas que formam a arquitetura do ZigBee são três, camada física (PHY) permite uma implementação simples e conseqüentemente baixo custo, responsável pela transmissão e recepção de dados, controle da energia no canal de transmissão, ativação e desativação do sinal de rádio e verificação da freqüência no canal, camada de controle de acesso (MAC) permite múltiplas topologias (estrela, malha e árvore) e a camada de rede (NWK) controla o consumo das baterias e o desempenho das aplicações.

A tecnologia ZigBee é utilizada principalmente no controle e monitoração de equipamentos eletrônicos tais como, portões eletrônicos, equipamentos de segurança que controla o fluxo de pessoas que entram e saem nos prédios e residências, controle de abertura de portas e janelas em residências, equipamentos da área de saúde, controle de temperatura, iluminação, equipamentos de industrias, monitoração da agricultura, controles remotos de TV, e também periférico de informática tais como, mouse, teclado e impressoras.

2.2 VANTAGENS E DESVANTAGENS

a) Vantagens

• Implementação simples
• Baixo custo
• Baixo consumo de energia
• Auto-configurável
• Auto-reinstalado
• Conexões seguras
  

Segundo Frias (2004), “Os principais requisitos deste tipo de rede são baixa latência, otimização para baixo consumo de energia, possibilidade de implementação de redes com elevado número de dispositivos e baixa complexidade dos nós de rede.”

b) Desvantagens

• Funciona apenas via rádio.

2.3 TOPOLOGIAS DO ZIGBEE E FUNCIONAMENTO

O ZigBee padrão IEEE 802.15.4 pode ser implementado baseado em três topologias de rede, árvore (cluster tree), malha (nós repetidores, tecnologia Mesh) e estrela (nó central - roteador).

Topologia Estrela funciona com auxílio de um coordenador, espécie de roteador, implementação simples, mas que se o coordenador parar compromete o funcionamento da rede ZigBee, pois o mesmo controla o envio e recebimento do sinal de transmissão entre origem e destino na troca de informações, topologia utilizada principalmente na implantação de ZigBee em residências, hospitais para monitoramento de pacientes e periféricos de computadores. Implementada baseada em dispositivos físicos FFD (Full Function Device) ou RFD (Reduced Function Device).

A vantagem e desvantagem da topologia estrela segundo Pinheiro:

“Sua principal vantagem é a facilidade de implementação e coordenação. A desvantagem está na presença de um único coordenador, o que gera a dependência de todos os clientes para este e o alcance do sinal de RF que nesse tipo de rede não é muito grande.” (PINHEIRO, 2006)

Uma segunda topologia que pode ser utilizada para implementar o ZigBee é a malha, baseada na tecnologia Mesh onde os nós funcionam como repetidores (roteadores), ou seja, funcionam ponto a ponto, onde cada nó mantém contato com outro componente da rede e se um deles falhar se auto-configuram mantendo a rede funcionando.

De acordo com Pinheiro (2006) a topologia malha apresenta seguinte característica, “Essa topologia permite que, com a entrada de novos dispositivos, a rede se ajuste automaticamente durante sua inicialização, otimizando o tráfego de dados.”

Outro tipo de topologia seria em árvore, cluster tree, onde pode ocorrer a união dos nós ponto a ponto, ou seja, através de um coordenador, responsável pelo aglomerado ou união de redes com topologia do tipo malha, por exemplo, e implementar o ZigBee.

Segundo Pinheiro (2006), a topologia em árvore apresenta a seguinte característica, “Essa topologia é formada por sub-redes que se comunicam entre si através de elementos roteadores.”

As topologias em malha e árvore são implementadas com base em dispositivos físicos da classe FFD.

“[...] em topologias com configuração estrela, uma rede ZigBee requer pelo menos um dispositivo FFD atuando como coordenador da rede e os demais dispositivos podem ser do tipo RFD para reduzir o custo do sistema. Para topologias ponto-a-ponto (Peer-to-peer) e em árvore, todos os dispositivos devem ser FFD.” (PINHEIRO, 2004)

Os dispositivos físicos FFD (Full Function Device), têm a característica de funcionar em qualquer topologia, como coordenador e roteador e o RFD (Reduced Function Device) tem fácil implementação, apenas comunica-se com o coordenador ou roteador, não exerce a função deles e é limitado a topologia estrela.

2.4 CASOS DE SUCESSO DA TECNOLOGIA ZIGBEE NO BRASIL

a) LG

A tecnologia ZigBee está inclusa no projeto da LG com implantação em residências para questões de segurança e também dispositivos eletrônicos.

“No seu novo projeto para casas digitais, a LG escolheu a tecnologia sem fio ZigBee. O sistema da empresa, o HomNet, foi desenvolvido para controlar a automação das casas, cuidando de itens como a segurança, a eficiência da energia e os dispositivos eletrônicos. Isso com uma vantagem: um baixo consumo de energia.” FORTES (2007)

b) Sistema de Estacionamento – São Paulo

O ZigBee é utilizado em um sistema desenvolvido por alunos de Engenharia Elétrica da USP – São Paulo que controla o fluxo de carros em estacionamentos.

De acordo com a WNews (2007), “O sistema utiliza a tecnologia ZigBee, protocolo de rede que possibilita a comunicação entre dois aparelhos digitais, neste caso entre os módulos e um computador.”

O sistema tem o seguinte funcionamento, na entrada do estacionamento tem uma tela informativa indicando as vagas disponíveis e as ocupadas, o controle das vagas do estacionamento é realizado através de um aparelho associado a placa do carro, armazenada no banco de dados do computador, e é entregue ao motorista na entrada do estacionamento, fica no automóvel durante a permanência do mesmo no local estacionado, este aparelho se comunica com os outros através de comunicação ZigBee trazendo os dados necessários para o computador que armazena no banco de dados e joga para a tela informativa da entrada as informações sobre a ocupação do estacionamento.

A WNews explica baseado em entrevista concedida por Guilherme Hiroshi Fujii, um dos desenvolvedores do sistema, como é o procedimento para encontrar as vagas disponíveis e ocupadas no estacionamento.

“[...] é mapeado em um banco de dados, assim que um módulo se encontra dentro dos limites de alguma vaga, ela é considerada ocupada. Isso faz com que o display localizado na entrada do estacionamento seja atualizado, passando a exibir a vaga como ocupada.” WNEWS (2007)

Outra função é encontrar o veículo estacionado através da comunicação do aparelho que é entregue ao motorista e das três antenas que estão instaladas no local utilizando a técnica de triangulação do cálculo numérico, calcula a distância e transmite o resultado para o PC que com os dados do veículo armazenados no banco de dados, compara e informa sobre a localização do automóvel no estacionamento.

Local interessante para implantação desse sistema seriam os estacionamentos de shoppings.
Em entrevista concedida a WNews, Guilherme Hiroshi Fujii, explica o funcionamento do sistema para encontrar o veículo no estacionamento.

“Os módulos trocam mensagens entre si, o que é usado para medir a potência do sinal recebido por cada um. Ao medir a potência, o sistema calcula a distância em que o veículo se encontra das três antenas fixas do estacionamento. Com esses dados e usando a técnica de triangulação, o sistema pode localizar o módulo e, conseqüentemente, o veículo” WNEWS (2007)

c) Control4 – Disac (São Paulo)

A Control4 empresa americana representada pela Disac no Brasil localizada em São Paulo desde Janeiro de 2007, desenvolve sistemas de automação de residências utilizando a tecnologia ZigBee, com o intuito de controle da residência em termos de segurança, conforto e controle de energia, havendo uma diminuição do consumo, com a instalação de toda a infra-estrutura no local, poderá através de um controle remoto monitorar a luz que acende e apaga, temperatura do ambiente, música, vídeo, aparelhos eletrônicos que ligam e desligam através deste controle, entre outros benefícios.

“Por um único controle remoto, pelo telefone, pelo computador ou através de qualquer dispositivo móvel conectado à internet sem fio, se consegue acionar persianas, aparelhos de ar condicionado e luzes dos cômodos, ligar e desligar equipamentos de áudio e vídeo de última geração, ou ainda ativar saunas e futuristas banheiras de hidromassagem de dentro do carro ou do escritório, a caminho de casa” (NEIVA, 2007)

2.5 SEGURANÇA

A tecnologia apresenta segurança robusta com conexões seguras e confiáveis, pois controla o acesso do usuário a rede, o tempo de envio e recebimento dos pacotes durante a transmissão do sinal e apresenta criptografia simétrica de dados AES 128bits onde o algoritmo de criptografia traz rotinas de segurança que auxiliam na integridade e confidencialidade dos dados transmitidos, sendo ativada a criptografia os dados circulam totalmente ocultos.

Autor: Maylane Menezes Lima Oliveira