No atual mundo da comunicação, existem vários padrões de comunicação de alta taxa de dados disponíveis, mas nenhum deles atende aos padrões de comunicação dos sensores e dispositivos de controle. Esses padrões de comunicação de alta taxa de dados exigem baixa latência e baixo consumo de energia, mesmo em larguras de banda mais baixas. A tecnologia Zigbee dos sistemas sem fio proprietários disponíveis é de baixo custo e baixo consumo de energia e suas características excelentes tornam esta comunicação mais adequada para vários aplicativos embutidos , controle industrial e automação residencial e assim por diante. A gama de tecnologia Zigbee para distâncias de transmissão varia principalmente de 10 a 100 metros com base na saída de energia, bem como nas características ambientais.

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O que é a tecnologia Zigbee?

A comunicação Zigbee é especialmente construída para redes de controle e sensores no padrão IEEE 802.15.4 para redes de área pessoal sem fio (WPANs) e é o produto da aliança Zigbee. Esta padrão de comunicação define camadas físicas e de controle de acesso à mídia (MAC) para lidar com muitos dispositivos em taxas de dados baixas. Essas WPANs da Zigbee operam nas frequências de 868 MHz, 902-928 MHz e 2,4 GHz. A taxa de dados de 250 kbps é mais adequada para transmissão de dados bidirecional periódica e intermediária entre sensores e controladores.

O que é a tecnologia Zigbee?

Zigbee é uma rede mesh de baixo custo e baixa potência amplamente implementada para controlar e monitorar aplicações onde cobre de 10 a 100 metros dentro do alcance. Este sistema de comunicação é menos caro e mais simples do que os outros proprietários de curto alcance redes de sensores sem fio como Bluetoot he Wi-Fi.

Modem Zigbee

Zigbee oferece suporte a diferentes configurações de rede para comunicações mestre para mestre ou mestre para escravo. E também, pode ser operado em diferentes modos, como resultado, a energia da bateria é conservada. As redes Zigbee podem ser estendidas com o uso de roteadores e permitem que muitos nós se interconectem para construir uma rede de área mais ampla.

História da Tecnologia Zigbee

No ano de 1990, as redes de rádio digital com auto-organização ad hoc foram implementadas. A especificação Zigbee como IEEE 802.15.4-2003 foi aprovada no ano de 2004, em 14 de dezembro. A Especificação 1.0 foi anunciada pela Zigbee Alliance no ano de 2005, em 13 de junho, chamada de Especificação de ZigBee 2004.

Biblioteca de Cluster

No ano de 2006, setembro, a Especificação do Zigbee 2006 foi anunciada ao substituir a pilha de 2004. Portanto, esta especificação substitui principalmente a estrutura de pares de valor-chave, bem como a mensagem utilizada na pilha de 2004 por meio de uma biblioteca de cluster.

Uma biblioteca inclui um conjunto de comandos consistentes, planejados em grupos chamados clusters com nomes como Home Automation, Smart Energy & Light Link de ZigBee. No ano de 2017, a biblioteca foi renomeada para Dotdot pela Zigbee Alliance e anunciada como um novo protocolo. Portanto, este Dotdot funcionou para aproximadamente todos os dispositivos Zigbee como a camada de aplicativo padrão.

Zigbee Pro

No ano 2007, Zigbee Pro como Zigbee 2007 foi finalizado. É um tipo de dispositivo que opera em uma rede Zigbee legada. Devido às disparidades nas opções de roteamento, esses dispositivos devem se transformar em ZEDs sem roteamento ou dispositivos finais Zigbee (ZEDs) em uma rede Zigbee legada. Os dispositivos Zigbee legados devem se transformar em dispositivos finais Zigbee em uma rede de Zigbee Pro. Ele funciona na banda ISM de 2,4 GHz e também inclui uma banda sub-GHz.

Como funciona a tecnologia Zigbee?

A tecnologia Zigbee funciona com rádios digitais, permitindo que diferentes dispositivos conversem entre si. Os dispositivos usados nesta rede são um roteador, um coordenador e também dispositivos finais. A principal função desses dispositivos é entregar as instruções e mensagens do coordenador para os dispositivos de extremidade única, como uma lâmpada.

Nessa rede, o coordenador é o dispositivo mais essencial que está na origem do sistema. Para cada rede, existe apenas um coordenador, utilizado para realizar diferentes tarefas. Eles escolhem um canal adequado para fazer a varredura de um canal, bem como para encontrar o mais adequado através do mínimo de interferência, alocam um ID exclusivo, bem como um endereço para cada dispositivo dentro da rede para que as mensagens de outra forma, instruções possam ser transferidas na rede .

Os roteadores são organizados entre o coordenador, bem como os dispositivos finais que são responsáveis pelo roteamento de mensagens entre os vários nós. Os roteadores recebem mensagens do coordenador e as armazenam até que seus dispositivos finais estejam em condições de recebê-las. Eles também podem permitir que outros dispositivos finais, bem como roteadores, conectem a rede

Nesta rede, as pequenas informações podem ser controladas por dispositivos finais, comunicando-se com o nó pai como um roteador ou coordenador com base no tipo de rede Zigbee. Os dispositivos finais não conversam diretamente entre si. Em primeiro lugar, todo o tráfego pode ser roteado para o nó pai como o roteador, que mantém esses dados até que a extremidade receptora do dispositivo esteja em uma situação para obtê-los estando ciente. Os dispositivos finais são usados para solicitar qualquer mensagem que esteja esperando do pai.

Arquitetura Zigbee

A estrutura do sistema Zigbee consiste em três tipos diferentes de dispositivos como Zigbee Coordinator, Roteador e Dispositivo final. Cada rede Zigbee deve consistir em pelo menos um coordenador que atua como raiz e ponte da rede. O coordenador é responsável por manipular e armazenar as informações enquanto realiza as operações de recebimento e transmissão de dados.

Os roteadores Zigbee agem como dispositivos intermediários que permitem que os dados passem por eles para outros dispositivos. Os dispositivos finais têm funcionalidade limitada para se comunicar com os nós pais, de forma que a energia da bateria é economizada conforme mostrado na figura. O número de roteadores, coordenadores e dispositivos finais depende do tipo de rede, como estrela, árvore e rede em malha.

A arquitetura do protocolo Zigbee consiste em uma pilha de várias camadas onde IEEE 802.15.4 é definido por camadas físicas e MAC, enquanto este protocolo é concluído acumulando as próprias camadas de rede e aplicativos do Zigbee.

Arquitetura de tecnologia ZigBee

Camada física : Esta camada realiza operações de modulação e demodulação ao transmitir e receber sinais, respectivamente. A frequência desta camada, a taxa de dados e uma série de canais são fornecidos abaixo.

Camada MAC : Esta camada é responsável pela transmissão confiável de dados acessando diferentes redes com a detecção de portadora para evitar colisões de acesso múltiplo (CSMA). Isso também transmite os quadros de beacon para sincronização de comunicação.

Camada de rede : Esta camada cuida de todas as operações relacionadas à rede, como configuração da rede, conexão do dispositivo final e desconexão da rede, roteamento, configurações do dispositivo, etc.

Subcamada de suporte de aplicativo : Esta camada habilita os serviços necessários para objetos de dispositivo Zigbee e objetos de aplicativo para fazer interface com as camadas de rede para serviços de gerenciamento de dados. Essa camada é responsável por combinar dois dispositivos de acordo com seus serviços e necessidades.

Application Framework : Fornece dois tipos de serviços de dados como par de valores-chave e serviços de mensagens genéricas. A mensagem genérica é uma estrutura definida pelo desenvolvedor, enquanto o par chave-valor é usado para obter atributos nos objetos do aplicativo. O ZDO fornece uma interface entre os objetos do aplicativo e a camada APS nos dispositivos Zigbee. É responsável por detectar, iniciar e vincular outros dispositivos à rede.

Modos operacionais Zigbee e suas topologias

Os dados bidirecionais do Zigbee são transferidos em dois modos: modo Non-beacon e modo Beacon. Em um modo de farol, os coordenadores e roteadores monitoram continuamente o estado ativo dos dados de entrada, portanto, mais energia é consumida. Neste modo, os roteadores e coordenadores não dormem porque a qualquer momento qualquer nó pode acordar e se comunicar.

No entanto, ele requer mais fonte de alimentação e seu consumo geral de energia é baixo porque a maioria dos dispositivos fica inativa por longos períodos na rede. Em um modo beacon, quando não há comunicação de dados dos dispositivos finais, os roteadores e coordenadores entram em um estado de hibernação. Periodicamente, esse coordenador acorda e transmite os beacons para os roteadores da rede.

Essas redes de beacon funcionam para intervalos de tempo, o que significa que operam quando a comunicação necessária resulta em ciclos de trabalho mais baixos e uso de bateria mais longo. Esses modos de farol e não farol do Zigbee podem gerenciar tipos de dados periódicos (dados de sensores), intermitentes (interruptores de luz) e repetitivos.

Topologias Zigbee

Zigbee oferece suporte a várias topologias de rede, no entanto, as configurações mais comumente usadas são topologias estrela, malha e árvore de cluster. Qualquer topologia consiste em um ou mais coordenadores. Em uma topologia em estrela, a rede consiste em um coordenador que é responsável por iniciar e gerenciar os dispositivos na rede. Todos os outros dispositivos são chamados de dispositivos finais que se comunicam diretamente com o coordenador.

Isso é usado em indústrias onde todos os dispositivos de endpoint são necessários para comunicar com o controlador central , e essa topologia é simples e fácil de implementar. Em topologias mesh e tree, a rede Zigbee é estendida com vários roteadores onde o coordenador é responsável por fazer o seu start-up. Essas estruturas permitem que qualquer dispositivo se comunique com qualquer outro nó adjacente para fornecer redundância aos dados.

Se algum nó falhar, as informações são roteadas automaticamente para outros dispositivos por essas topologias. Como a redundância é o principal fator nas indústrias, a topologia de malha é mais usada. Em uma rede cluster-tree, cada cluster consiste em um coordenador com nós folha, e esses coordenadores são conectados ao coordenador pai que inicia toda a rede.

Devido às vantagens da tecnologia Zigbee, como modos de operação de baixo custo e baixo consumo de energia e suas topologias, esta tecnologia de comunicação de curto alcance é mais adequada para várias aplicações em comparação com outras comunicações proprietárias, como Bluetooth, Wi-Fi, etc. alguns destes comparações como intervalo de Zigbee, padrões, etc., são fornecidas abaixo.

Por que taxas de dados baixas no Zigbee?

Sabemos que diferentes tipos de tecnologias sem fio estão disponíveis no mercado, como Bluetooth e também WiFi que fornece alta velocidade de dados. Mas, as taxas de dados no Zigbee são menores porque o principal objetivo por trás do desenvolvimento do ZigBee é utilizá-lo no controle sem fio, bem como no monitor.

A quantidade de dados, bem como a frequência de comunicação usada em tais aplicações, é extremamente baixa. Embora seja provável que uma rede como IEEE 802.15.4 alcance altas taxas de dados, a tecnologia Zigbee é baseada na rede IEEE 802.15.4.

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Tecnologia Zigbee em IoT

Sabemos que o Zigbee é um tipo de tecnologia de comunicação semelhante ao Bluetooth e também ao WiFi, no entanto, também existem inúmeras novas alternativas de rede em ascensão como o Thread, que é uma opção para as aplicações de automação residencial. Nas grandes cidades, as tecnologias de espaço em branco foram implementadas para casos de uso de regiões mais amplas com base em IoT.

ZigBee é uma especificação de WLAN (rede local sem fio) de baixa potência. Ele fornece menos dados usando menos energia por dispositivos frequentemente conectados para desligar a bateria. Devido a isso, o padrão aberto foi conectado através da comunicação M2M (máquina a máquina), bem como da IoT industrial (internet das coisas).

Zigbee se tornou um protocolo IoT aceito globalmente. Ele já está competindo com Bluetooth, WiFi e Thread.

Dispositivos Zigbee

A especificação do IEEE 802.15.4 Zigbee inclui principalmente dois dispositivos como Full-Function Devices (FFD) e Reduced-Function Devices (RFD). Um dispositivo FFD executa diferentes tarefas que são explicadas nas especificações e pode adotar qualquer tarefa na rede.

Um dispositivo RFD tem recursos parciais para que execute tarefas limitadas e este dispositivo pode conversar com qualquer dispositivo na rede. Deve atuar e prestar atenção na rede. Um dispositivo RFD pode conversar simplesmente com um dispositivo FFD e é usado em aplicações simples, como controlar um switch, ativando-o e desativando-o.

Em um IEEE 802.15.4 n / w, os dispositivos Zigbee desempenham três funções diferentes, como Coordenador, Coordenador PAN e Dispositivo. Aqui, os dispositivos FFD são coordenadores e também coordenadores PAN, enquanto o dispositivo é um dispositivo RFD / FFD.

A principal função de um coordenador é transmitir mensagens. Em uma rede de área pessoal, um controlador PAN é um controlador essencial e um dispositivo é conhecido como se o dispositivo não fosse um coordenador.
O padrão ZigBee pode criar três dispositivos de protocolo dependendo dos dispositivos Zigbee, coordenador PAN, coordenador e a especificação padrão do ZigBee como o coordenador, roteador e dispositivo final que são discutidos abaixo.

Coordenador Zigbee

Em um dispositivo FFD, é um Coordenador PAN usado para formar a rede. Depois que a rede é estabelecida, ele atribui o endereço da rede para os dispositivos usados na rede. E também, ele roteia as mensagens entre os dispositivos finais.

Zigbee Router

Um roteador Zigbee é um dispositivo FFD que permite o alcance da rede Zigbee. Este roteador é usado para adicionar mais dispositivos à rede. Às vezes, ele atua como um dispositivo final Zigbee.

Dispositivo final Zigbee

Este não é um roteador nem um coordenador que faz interface com um sensor fisicamente, caso contrário, executa uma operação de controle. Com base na aplicação, pode ser um RFD ou um FFD.

Por que ZigBee é melhor do que WiFi?

No Zigbee, a velocidade de transferência de dados é menor em comparação com o WiFi, portanto, a velocidade mais alta é simplesmente 250 kbps. É muito menos em comparação com a menor velocidade do WiFi.

Outra melhor qualidade do Zigbee é a taxa de utilização de energia, bem como a vida útil da bateria. Seu protocolo dura vários meses porque uma vez montado, podemos esquecer.

Quais dispositivos usam ZigBee?

A lista de dispositivos a seguir oferece suporte ao protocolo ZigBee.

Belkin WeMo
Samsung SmartThings
Yale smart locks
Philips Hue
Termostatos da Honeywell
Ikea Tradfri
Sistemas de Segurança da Bosch
Comcast Xfinity Box da Samsung
Aquecimento Hive Active e acessórios
Amazon Echo Plus
Amazon Echo Show

Em vez de conectar cada dispositivo Zigbee separadamente, um hub central é necessário para controlar todos os dispositivos. Os dispositivos mencionados acima, ou seja, SmartThings e Amazon Echo Plus, também podem ser usados como um hub Wink para desempenhar um papel vital na rede. O hub central fará a varredura da rede para todos os dispositivos suportados e fornece controle simples dos dispositivos acima com um aplicativo central.

Qual é a diferença entre ZigBee e Bluetooth?

A diferença entre Zigbee e Bluetooth é discutida abaixo.

Bluetooth	Zigbee
A faixa de frequência do Bluetooth varia de 2,4 GHz a 2,483 GHz	A faixa de frequência do Zigbee é 2,4 GHz
Possui 79 canais RF	Possui 16 canais RF
A técnica de modulação usada no Bluetooth é GFSK	Zigbee usa diferentes técnicas de modulação como BPSK, QPSK e GFSK.
Bluetooth inclui nós de 8 células	Zigbee inclui mais de 6500 nós de células
Bluetooth usa especificação IEEE 802.15.1	Zigbee usa a especificação IEEE 802.15.4
Bluetooth cobre o sinal de rádio em até 10 metros	Zigbee cobre o sinal de rádio em até 100 metros
Bluetooth leva 3 segundos para se conectar a uma rede	Zigbee leva 3 segundos para entrar em uma rede
O alcance da rede do Bluetooth varia de 1 a 100 metros com base na classe de rádio.	O alcance da rede do Zigbee é de até 70 metros
O tamanho da pilha de protocolo de um Bluetooth é 250 Kbytes	O tamanho da pilha de protocolo de um Zigbee é de 28 Kbytes
A altura da antena TX é de 6 metros, enquanto a antena RX é de 1 metro	A altura da antena TX é de 6 metros, enquanto a antena RX é de 1 metro
Dente azul usa baterias recarregáveis	Zigbee não usa baterias recarregáveis
Bluetooth requer menos largura de banda	Em comparação com o Bluetooth, ele precisa de alta largura de banda
O TX Power do Bluetooth é de 4 dBm	O TX Power do Zigbee é 18 dBm
A frequência do Bluetooth é 2400 MHz	A frequência do Zigbee é 2400 MHz
O ganho da antena Tx do Bluetooth é 0dB enquanto que o RX -6dB	O ganho da antena Tx do Zigbee é 0dB enquanto o RX -6dB
A sensibilidade é -93 dB	A sensibilidade é -102 dB
A margem do Bluetooth é de 20 dB	A margem do zigbee é de 20 dB
O alcance do Bluetooth é de 77 metros	O alcance de Zigbee é de 291 metros

Qual é a diferença entre LoRa e ZigBee?

As principais diferenças entre LoRa e Zigbee são discutidas abaixo.

LoRa	Zigbee
As bandas de frequência de LoRa variam de 863-870 MHz, 902-928 MHz e 779-787 MHz	As bandas de frequência do Zigbee são 868 MHz, 915 MHz, 2450 MHz
LoRa cobre a distância em áreas urbanas de 2 a 5kms, enquanto em áreas rurais 15kms	Zigbee cobre a distância de 10-100 metros
A utilização de energia de LoRa é baixa em comparação com Zigbee	A utilização de energia é baixa
A técnica de modulação usada em LoRa é FSK, caso contrário GFSK	A técnica de modulação usada no Zigbee é OQPSK & BPSK. Ele usa o método DSSS para transformar bits em chips.
A taxa de dados de LoRa é de 0,3 a 22 Kbps para modulação LoRa e 100 Kbps para GFSK	A taxa de dados do Zigbee é de 20 kbps para a banda de frequência de 868, 40Kbps para a banda de frequência de 915 e 250 kbps para a banda de frequência de 2.450)
A arquitetura de rede do LoRa inclui servidores, LoRa Gateway e dispositivos finais.	A arquitetura de rede dos roteadores Zigbee, coordenador e dispositivos finais.
A pilha de protocolo do LoRa inclui camadas PHY, RF, MAC e de aplicação	A pilha de protocolo do Zigbee inclui PHY, RF, MAC, segurança de rede e camadas de aplicação.
A camada física de LoRa usa principalmente um sistema de modulação e inclui habilidades de retificação de erros. Inclui um preâmbulo para fins de sincronização e usa um CRC de cabeçalho de CRC e PHY de quadro inteiro CRC.	O Zigbee inclui duas camadas físicas como 868/915 Mhz e 2450 MHz.
LoRa é usado como uma WAN (Wide Area Network)	Zigbee é usado como LR-WPAN (rede de área pessoal sem fio de baixa taxa)
Ele usa o padrão IEEE 802.15.4g e Alliance é LoRa	Zigbee usa especificação IEEE 802.15.4 e Zigbee Alliance

Vantagens e desvantagens da tecnologia Zigbee

As vantagens do Zigbee incluem o seguinte.

Esta rede tem uma estrutura de rede flexível
A duração da bateria é boa.
O consumo de energia é menor
Muito simples de consertar.
Suporta aproximadamente 6.500 nós.
Menos custo.
É autocurativo, além de mais confiável.
A configuração da rede é muito fácil e simples.
As cargas são distribuídas uniformemente pela rede porque não inclui um controlador central
O monitoramento e o controle de eletrodomésticos são extremamente simples com o uso remoto
A rede é escalável e é fácil adicionar / remoto dispositivo final ZigBee à rede.

As desvantagens do Zigbee incluem o seguinte.

Ele precisa das informações do sistema para controlar os dispositivos baseados em Zigbee para o proprietário.
Em comparação com o WiFi, não é seguro.
O alto custo de substituição, uma vez que qualquer problema aconteça nos eletrodomésticos baseados em Zigbee
A taxa de transmissão do Zigbee é menor
Não inclui vários dispositivos finais.
É altamente arriscado ser usado para informações privadas oficiais.
Não é usado como sistema de comunicação sem fio externo porque tem menos limite de cobertura.
Semelhante a outros tipos de sistemas sem fio, este sistema de comunicação ZigBee é propenso a incomodar por pessoas não autorizadas.

Aplicações da tecnologia Zigbee

As aplicações da tecnologia ZigBee incluem o seguinte.

Automação industrial: Nas indústrias de manufatura e produção, um link de comunicação monitora continuamente vários parâmetros e equipamentos críticos. Assim, o Zigbee reduz consideravelmente este custo de comunicação, bem como otimiza o processo de controle para maior confiabilidade.

Automação residencial: Zigbee é perfeitamente adequado para controlar eletrodomésticos remotamente como um controle do sistema de iluminação, controle do aparelho, controle do sistema de aquecimento e resfriamento, operações e controle do equipamento de segurança, vigilância e assim por diante.

“unidade de frequência variável monofásica ”

Medição inteligente: As operações remotas da Zigbee em medição inteligente incluem resposta ao consumo de energia, suporte de preços, segurança contra roubo de energia, etc.

Monitoramento de Smart Grid: As operações da Zigbee nesta rede inteligente envolvem monitoramento remoto de temperatura , localização de falhas, gerenciamento de energia reativa e assim por diante.

A tecnologia ZigBee é usada para construir projetos de engenharia como sistema de atendimento por impressão digital sem fio e automação residencial.

Trata-se de uma breve descrição da arquitetura, modos de operação, configurações e aplicativos da tecnologia Zigbee. Esperamos ter fornecido conteúdo suficiente sobre este título, para que você possa entendê-lo melhor. Portanto, trata-se de uma visão geral da tecnologia Zigbee e é baseada na rede IEEE 802.15.4. O design desta tecnologia pode ser feito de forma extremamente robusta para que funcione em todos os tipos de ambientes.

Ele oferece flexibilidade e segurança para diferentes ambientes. A tecnologia Zigbee ganhou muita popularidade no mercado porque fornece rede mesh consistente, permitindo que uma rede controle uma extensa região, e também fornece comunicações de baixo consumo de energia. Portanto, esta é uma tecnologia IoT perfeita. Aqui está uma pergunta para você, quais são as diferentes tecnologias de comunicação sem fio disponíveis no mercado? Para mais ajuda e assistência técnica, você pode entrar em contato conosco comentando abaixo.