O Que é ZigBee

  

ZigBee é um padrão de comunicação wireless desenvolvido pela ZigBee Alliance, parceria entre centenas de empresas, de fabricantes de circuitos integrados e desenvolvedores de software até fabricantes de equipamentos eletrônicos e instaladores. Visa atender aplicações que necessitem de baixa taxa de dados e exijam custos de implantação e consumo de energia bastante reduzidos.

O movimento das abelhas

O nome ZigBee é uma analogia com o método de comunicação utilizado pelas abelhas. Para a transmissão de uma mensagem entre as diversas abelhas, espalhadas por uma grande extensão, até a colmeia, é utilizada uma técnica de retransmissão. Cada abelha inicia um movimento específico de zigue-zague, que é repetido pelas outras abelhas até chegar ao seu destino. Da forma semelhante o ZigBee, operando na topologia de malha, utiliza os diversos dispositivos da rede para reproduzir a informação até o destino.

O padrão pode operar em três diferentes faixas de frequências, que variam conforme padrões específicos em cada região do planeta. A primeira, entre 868 e 868,6 MHz, é utilizada na Europa para diversas aplicações, incluindo redes wireless de curto alcance. As outras duas, de 902 a 928 MHz e 2400 até 2483,5 MHz são parte da faixa destinada a aplicações industriais, científicas e médicas (faixa ISM), sendo respectivamente usadas na America do Norte e no restante do mundo. A taxa máxima de dados suportada pelo protocolo é 250 quilobit/segundo.

A rede ZigBee é considerada uma rede autogerenciada, ou seja, o próprio protocolo se encarrega da manutenção da comunicação entre os equipamentos. Dessa forma, novos dispositivos podem automaticamente encontrar uma rede e se conectarem a ela, rotas de comunicação podem ser criadas e modificadas e providências podem ser tomadas no caso de falhas na transmissão ou recepção de mensagens, entre outras funcionalidades, com uma mínima necessidade de intervenção humana. Outra das principais características da tecnologia é a interoperabilidade, que garante a comunicação entre diferentes dispositivos e fabricantes, mesmo em situações em que a criptografia dos dados é necessária. 

A principal aplicação do ZigBee é a construção de uma rede de sensores. É possível, portanto, montar uma rede ZigBee para controle de iluminação ou utilizar sensores ZigBee para obter informações sobre a temperatura ambiente. O fato de não haver fiação para a transmissão dos dados e o baixo consumo, que permite que as baterias durem anos, conforme o caso, facilita a implantação desse tipo de sistema. O padrão foi desenvolvido com foco na automação residencial e predial, mas pode ser usado para qualquer aplicação que possua os mesmos requisitos.

Funções bem definidas

Existem dois tipos básicos de dispositivos em uma rede ZigBee: Os dispositivos de funções plenas (FFD – Full-Function Device) e os dispositivos de funções reduzidas (RFD – Reduced-Function Device). Os primeiros são capazes de executar todas as tarefas descritas na especificação do ZigBee, enquanto que um RFD possui capacidade limitada. Por exemplo, um FFD é capaz de se conectar com qualquer dispositivo da rede, porém um RFD só pode estabelecer comunicação com um FFD.

Uma única rede pode suportar mais de 65.500 equipamentos (65.527 para ser exato). A estrutura de rede é baseada em hierarquia, e o controle da rede é centralizado. Dessa forma, os dispositivos são classificados conforme as suas capacidades, e de acordo com essas são definidas as suas funções possíveis dentro da rede. A classificação é feita em três categorias: Coordenador (coordinator), roteador (router) e dispositivo terminal (end-device).

Deve, obrigatoriamente, existir um coordenador na rede, sendo que apenas um dispositivo pode assumir essa função. É sua responsabilidade iniciar, controlar e manter a rede. Um roteador é um dispositivo capaz de trabalhar com tabelas de roteamento, ou seja, redirecionar e encaminhar mensagens dentro da rede. Roteador e controlador são essencialmente idênticos do ponto de vista de suas funcionalidades, sendo ambos dispositivos de funções plenas (FFD). De maneira simplificada, um coordenador é um roteador com atribuições adicionais. Por fim, um dispositivo terminal é o componente mais simples da rede, possuindo capacidades e funções reduzidas, ou seja, não possui atribuições de controle nem é capaz de redirecionar mensagens. Em termos de tipos de dispositivos, um dispositivo FFD pode assumir qualquer função na rede, enquanto que um RFD pode ser unicamente um dispositivo terminal.

Uma rede, múltiplas possibilidades

Uma rede ZigBee pode assumir uma de três topologias: estrela, malha ou árvore. Na topologia em estrela existe um único dispositivo central, que é o controlador da rede. Todos os demais, sejam FFD ou RFD, assumem a função de dispositivos terminais. O controlador é responsável por iniciar e manter os dispositivos na rede. Algumas aplicações que podem fazer uso dessa topologia são automação residencial e controle de periféricos de um computador.

Quando existe a possibilidade de múltiplas conexões entre os dispositivos a rede é dita em malha. Nessa topologia os dispositivos podem se comunicar com qualquer outro dispositivo que esteja no raio de alcance. Essa estrutura de rede permite que sejam realizados múltiplos saltos até que a mensagem atinja o seu destino. Além disso, adiciona confiabilidade a rede, pela existência de múltiplos caminhos de comunicação.

A topologia em árvore constitui um caso especifico da topologia em malha, em que são formadas rotas de comunicação entre os dispositivos, com alguns roteadores atuando como concentradores. Os dispositivos terminais conectam-se nas extremidades da rede. As funções dos dispositivos e hierarquia são definidas pelo coordenador no momento da inicialização da rede. Existe ainda a opção de um ou mais dispositivos atuarem como concentradores. Nesse caso, os dados de diversos sensores são direcionados para um único equipamento, que atua como uma central.

Garantindo a coexistência com outras tecnologias

Um dos principais inconvenientes de se utilizar uma faixa de frequências livre é o compartilhamento do espectro com diversas outras tecnologias. Wi-Fi e Bluetooth são exemplos de protocolos que operam dentro da faixa de 2.4 GHz. Alguns modelos de telefone sem fio também trabalham nessa faixa. Todos estes são frequentemente utilizados nos mesmos ambientes a que se destina o ZigBee. É possível estabelecer modos de operação cooperativos entre essas tecnologias de maneira a evitar a interferência de uma sobre a outra. No entanto, a maioria das situações irá exigir que o ZigBee opere sem a existência dessa cooperação. A pilha de protocolos do ZigBee oferece diversas ferramentas para garantir o bom funcionamento nesses casos.

A primeira estratégia de coexistência se dá na inicialização da rede. O espectro de frequências utilizado pelo ZigBee é dividido em canais, e o coordenador executa testes no espectro de frequências procurando por um canal que esteja livre. A rede é então configurada para operar nesse canal selecionado. Esse procedimento evita também que uma nova rede ZigBee entre em conflito com alguma outra já existente, ou seja, que opere na mesma faixa de frequência.

Antes de cada envio de dados os dispositivos executam uma escuta no canal de operação, verificando se existe alguma transmissão em curso, seja de outro equipamento ZigBee ou outra tecnologia. Dessa forma são minimizadas as probabilidades de interferência e colisões nas mensagens. Do ponto de vista das outras tecnologias, existe pouca probabilidade de conflito, pois a operação se dá com sinais de baixa potência e, pela característica de baixa taxa de dados, cada transmissão permanece ativa por um período muito curto para provocar algum problema significativo. O ZigBee fornece ainda a possibilidade de se alterar dinamicamente os canais de operação, bem como a potência de transmissão e o tamanho das mensagens. Essas características conferem robustez e flexibilidade nas aplicações baseadas no padrão.

Vida longa às baterias

Conforme comentado no início, uma das principais características do padrão ZigBee é o baixo consumo de energia. Algumas metodologias para esse baixo consumo são adotadas pelo próprio protocolo, enquanto outras são apenas recomendações que devem ser observadas pelos projetistas de produtos em suas aplicações.

A capacidade de uma bateria é medida em corrente vezes horas (A.h ou uma fração desta). Dessa forma, de maneira simplificada, é possível estimar a durabilidade da carga como sendo a razão entre a durabilidade e a corrente média. Por exemplo, se uma bateria possui capacidade de 300 mAh e sua aplicação necessita de 2 mA, pode-se estimar que a carga da bateria irá durar 150 h. Na prática o comportamento de descarga não é linear, além de variar bastante de acordo com as características construtivas e tecnologia da bateria. Mas o ponto a ser ressaltado é que quanto menor a corrente média, maior será a duração da carga. E essa é a principal maneira pela qual o ZigBee estende a vida útil de suas baterias, mantendo o dispositivo grande parte do tempo em baixo consumo de energia (sleep). Nesse estado, a corrente requerida é mínima, e o dispositivo só utiliza sua corrente nominal na parcela de tempo em que precisa efetivamente se comunicar ou realizar alguma outra operação.

Em nível de hardware, há diversas estratégias que podem ser aplicadas. O uso de mais de uma classe de osciladores, permite que aqueles que possuem maior consumo de energia sejam utilizados apenas quando é necessária precisão. Para aplicações menos críticas, são utilizados osciladores menos precisos, e consequentemente mais econômicos. A mesma ideia pode ser aplicada à fonte de alimentação, fornecendo apenas a potência estritamente necessária para a aplicação que está sendo realizada. Também é possível compartimentar os blocos de função do hardware, evitando que todo o circuito esteja em operação ao mesmo tempo. Por exemplo, enquanto o conversor analógico/digital do sensor é utilizado, não é necessário manter o transmissor de rádio ligado.

A operação da rede também é importante para manter a eficiência. Rotas com bons níveis de sinal e baixa interferência permitem potências de transmissão mais baixas. Por outro lado, uma distribuição equilibrada das mensagens através dos links evita o consumo excessivo de dispositivos específicos dentro da rede. O ZigBee inclui também protocolos que permitem obter informações sobre a carga das baterias. Essas informações podem ser utilizadas tanto para melhorar a eficiência energética da rede como para registrar e identificar possíveis falhas em um dispositivo.

Onde pode ser encontrado

Embora tenha sido inicialmente concebido com foco na automação residencial e predial, o ZigBee tem se mostrado bastante versátil, sendo aplicado em todo tipo de situação. Na maioria das vezes a decisão por sua utilização se dá como uma alternativa ao uso de comunicação cabeada em sistemas de automação. Em redes com grande número de sensores, o uso de dispositivos ZigBee pode resultar em uma economia considerável no que se refere a aquisição de cabos e seus custos de instalação. A opção pelo ZigBee geralmente também permite menor interferência no ambiente construído (instalação de dutos, furações, etc.), mais liberdade no posicionamento dos sensores e maior agilidade na instalação dos sistemas, características especialmente desejáveis quando a instalação é feita em uma edificação mais antiga que não tenha sido projetada com esse fim.

Ambientes externos são outro caso onde o uso de cabos pode ser problemático, já que estão sujeitos a intempéries, influência da vegetação, ataque de animais, danos pela circulação de veículos ou pessoas, entre outros. Nesse tipo de situação o ZigBee tende a ser mais vantajoso, principalmente se as distâncias envolvidas forem relativamente grandes (na ordem de dezenas ou centenas de metros). Outro exemplo são aplicações em que os sensores precisam estar em movimento, como botões de pânico que permitem que pessoas solicitem socorro sem limitar sua locomoção dentro de uma determinada área. Até mesmo aplicações espaciais podem fazer uso dessa tecnologia, tendo a NASA testado com sucesso o uso de módulos ZigBee em uma sonda-foguete lançada ao espaço.

A variedade de equipamentos que utilizam essa tecnologia é grande: sensores de presença, detectores de fumaça, interruptores e centrais de alarme são alguns exemplos. Graças a sua grande flexibilidade, o ZigBee vem ganhando espaço como uma boa alternativa para a implantação de conceitos como inteligência predial, cidades inteligentes e internet das coisas. Em resumo, trata-se de uma tecnologia com muitas soluções a oferecer.