Sistema Inalámbrico para apoyo a discapacitados auditivos

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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y

ELÉCTRICA

UNIDAD PROFESIONAL “ADOLFO LÓPEZ MATEOS”

INGENIERÍA EN COMUNICACIONES Y ELÉCTRONICA

“

Sistema Inalámbrico para apoyo a discapacitados

auditivos

”

TESIS

QUE PARA OBTENER EL TITULO DE:

INGENIERO EN COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA

PRESENTAN:

Gilberto Cortés Rueda

Eduardo González Martínez

José Eduardo Luna Montijo

ASESORES:

Ing. Fernando Cruz Martínez

M. en C. Pedro Gustavo Magaña del Río

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Instituto Politécnico Nacional E S I M E

AGRADECIMIENTOS

GILBERTO CORTES RUEDA

Agradezco a mí madre Isabel Rueda Fuentes por apoyarme en todo momento, por lo valores que me han inculcado, y por haberme dado la oportunidad de tener una excelente educación en el transcurso de mí vida. Sobre todo, por ser un excelente ejemplo de vida y ayudarme a superarme día a día.

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EDUARDO GONZALEZ MARTINEZ

Dedico el presente trabajo a quien en todo momento estuvo a mi lado apoyándome, y que gracias a su gran ejemplo de esfuerzo y superación logré terminar mis estudios, ella es mi madre María Del Carmen Martínez Razo a quien siempre le agradeceré todo las enseñanzas que me ha compartido y sigue haciendo, gracias a ellas continuo creciendo personalmente y profesionalmente.

A mi hermana Martha Lizbeth González Martínez por todo su apoyo en todo momento, sus consejos y su inmenso amor de hermana.

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JOSE EDUARDO LUNA MONTIJO

A toda mi familia maravillosa dedico el presente trabajo, porque han fomentado en mí, el deseo de superación y de triunfo en la vida. Lo que ha contribuido a la consecución de este logro.

En primera instancia quiero agradecer la confianza y el apoyo brindado por mi madre María Guadalupe Montijo Huerta, que sin duda alguna en el trayecto de mi vida me ha demostrado su amor incondicional, corrigiendo mis faltas y celebrando mis triunfos.

Finalmente dedico este trabajo a una persona muy importante en mi vida mi hermano Héctor David Eleno Beltrán por otorgado en la realización de este trabajo y principalmente por brindarme la oportunidad de integrarme a su familia.

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“SISTEMA

INALÁMBRICO PARA

APOYO A

DISCAPACITADOS

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O B J E T I V O

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JUSTIFICACIÓN.

En la actualidad se han creado infinidad de tecnologías para ayudar al ser humano a tener un mejor nivel de vida. Sustentado en esta premisa el, presente trabajo busca a portar una opción real, concreta y sencilla; donde esa personas puedan tener una mejor vida cotidiana.

Así mismo, la pretensión de una nueva tecnología de bajo costo con la calidad de transmisióninalámbrica enfocada bajo el sistema Zigbeesería otra opción para las personas que tienes discapacidad auditiva.

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10 | Página ÍNDICE

JUSTIFICACIÓN... 9

INTRODUCCIÓN. ... 14

Capitulo 1 ANTECEDENTES. ... 17

1.1 Suvag (Sistema Universal Verbal Auditivo de Guberina). ... 23

1.2 Tc-Soft. ... 23

1.3 Amplificadores. ... 24

1.4 Moneual Smart Care. ... 25

1.5 Tablet PC. ... 26

1.6 Vídeo Teléfono. ... 27

Tabla 1. COMPARACIÓN DE LOS DIFERENTES DISPOSITIVOS EXISTENTES ... 28

CAPÍTULO 2 SISTEMAS INALAMBRICOS. ... 30

2.1 Categorías de Redes Inalámbricas. ... 31

2.1.1Redes Inalámbricas de Área Personal(WPAN). ... 32

2.1.2Redes de Área Local Inalámbricas (WLAN). ... 32

2.1.3Redes Inalámbricas de Área Metropolitana(WNAM). ... 33

2.1.4Redes Inalámbricas de Área Extensa (WWAN). ... 33

2.1.5 Red de Sensores Inalámbricos (WSN). ... 34

2.2ZigBee. ... 34

CAPÍTULO 3 ZigBee ... 37

3.1 IEEE 802.15.4 ... 38

3.1.2 Arquitectura de los protocolos ... 39

3.1.3 Nivel físico ... 40

3.1.4 Nivel enlace de datos ... 41

3.2EspecificaciónZigBee... 42

3.2.1 Nivel de red... 42

3.2.2 Nivel de aplicación ... 43

3.2.3 Servicios de seguridad ... 43

3.2.4 Componentes principales ... 43

3.3 Dispositivos que constituyen ZigBee. ... 43

3.4 Comunicación y descubrimiento de dispositivos ... 45

3.5 Modos de funcionamiento de ZigBee ... 46

3.5.1 Con balizas ... 47

3.5.2 Sin balizas ... 47

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3.6 Servicios de fiabilidad y seguridad ... 49

3.6.1 Modelo basico de seguridad ... 49

3.6.2 Arquitectura de seguridad ... 50

3.7 Modelo de redes de ZigBee ... 51

3.7.1 Topologia en estrella ... 53

3.7.2 Topología en árbol ... 54

3.7.3 Topología en malla ... 55

3.7.4 Árbol de clusters... 56

3.8 Modos de Conexión. ... 57

3.8.1 Punto a Punto. ... 57

3.8.2 Punto a Multipunto. ... 58

3.9 Otros medios de transmisión de datos ... 59

3.9.1 ZigBee vs. Bluetooth ... 59

3.9.2Wireless USB ... 60

3.9.3 Wi-Fi ... 61

3.9.4 Wibree ... 62

3.9.5 TinyOS... 63

3.10 Comparativa general ... 65

CAPITULO 4 SISTEMA INALÁMBRICO EN APOYO PARA DISCAPACITADOS(SIADA). ... 68

4.1 Diseño del proyecto ... 68

4.2 Búsqueda de los módulos ZigBee ... 70

4.2.1 EasyBeeZigBeeTransceiver ... 70

4.2.3Modulo ZB-21 ZigBee OEM ... 72

4.2.3 Modulo MICAz ... 73

4.2.4 ModuloXBee-PRO ZNet 2.5 RF ... 75

4.3 Modulo XBeeZNet 2.5 RF ... 76

4.3.1 MÓDULO XBEE ZB. ... 77

4.3.2 Distribución de Pines. ... 78

[image:10.612.79.542.81.397.2]

4.3.3 Modos de Operación. ... 79

Figura 4.9: MODOS DE OPERACIÓN. ... 79

4.3.4 Modo AT ... 79

4.3.5 Modo Transmisión/Recepción. ... 80

4.3.6 Modo de Bajo Consumo (SLEEP MODE- MODO DORMIDO). ... 80

4.3.7 Modo de comando. ... 81

4.3.8 Modo Transparente... 81

4.3.9 Modo de Operación API. ... 82

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4.5 Direccionamiento de los Módulos. ... 83

4.6 SimpliciTI Network Protocol ... 84

4.8 Implementación del proyecto ... 86

4.8.1 Configuración de los dispositivos ... 86

Bloque de Transmisión. ... 88

Bloque de Recepción. ... 89

4.8.3 Configuración del Xbee. ... 91

4.8.4 Alimentación de los módulos. ... 92

4.8.5 Adaptación de los sensores ... 93

4.9 Pruebas y Resultados. ... 98

4.3.1 Pruebas. ... 98

4.3.2 Resultados. ... 98

CONCLUSIONES ... 101

ANEXO ... 103

1 DIARIO OFICIAL ... 103

2.-MaxStream. ... 106

3.- DSSS (Espectro Ensanchado por Secuencia Directa). ... 107

4.- DATASHEET XBEE SERIE 1 ... 108

5.- CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)... 109

6.- Elaboración física del prototipo. ... 111

7.-DATASHEET BC54 ... 119

.-DATASHEET SL74HC164... 122

9.-DATASHEET 4N25M ... 127

COMANDOS AT ... 131

ABREVIACIONES Y ACRÓNIMOS ... 133

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INTRODUCCIÓN.

El trabajo propone una soluciónen la construcción de un dispositivo auditivo para proporcionar una herramienta que facilite la ejecucion de tareas domésticas y ser aprovechada en las futuras aplicaciones en el ramo o especialidad.

El proceso de investigación condujo a indagar los antecedentes, la arquitectura basada en el protocolo Zigbee; cuya tecnología se sustenta en una aplicación sencilla. Lo que se presenta en este trabajo parte del mismo diseño, así como, la construcción del dispositivo que aprovecha las tecnologías existentes actuales. Los sensores de presión, temperatura, humedad, etc., normalmente proporcionan información a una velocidad muy baja. Cuando se requiere transmitir datos hacia una estación central, se tiene dos opciones: una es tender cables, y la otra es utilizar una conexión inalámbrica, para realizar dicha transmisión.

En el mercado existe una gran variedad de tipos de redes para la adquisición de datos y transmisión de información en forma inalámbrica. Entre las más importantes se pueden mencionar: ZigBee para el control de sensores, Bluetooth para voz y datos, y WiFi para redes locales inalámbricas entre otras.

Cuando lo que se necesita es enviar una gran cantidad de información, la alternativa es WiFi o Bluetooth. Sin embargo para una velocidad de transmisión baja, las alternativas tecnológicas son: 802.15.4, también llamado ZigBee, es usado para trasmisiones inalámbricas de datos, a una tasa baja, pero con un alcance intermedio (aprox. 30m)

Existen varias tecnologías en el mercado una de ellas es el aparato electroacústicas que amplifican el sonido que reciben en su entrada, de manera que el sonido obtenido en su salida es mayor que el recibido, otro ejemplo seriaelaudífono dental soundbite, que no requiere cirugía. Con este audífono el paciente lleva un micrófono en el conducto auditivo externo que recoge el sonido y lo lleva a un emisor situado detrás de la oreja

Con el primer capítulo se expone una breve reseña histórica sobre los tipos de tecnologías y así como sus antecedentes más recientes en la actualidad.

En el segundo capítulo se tiene la intención de explicar sobre los sistemas inalámbricos y los diferentes protocolos IEEE 802, con sus principales características. Así mismo, dar un panorama general sobre la tecnología Zigbee y la elección de esta.

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Capítulo 1 ANTECEDENTES.

En los últimos años en México y en el mundo se ha notado un incremento alarmante en la población con discapacidad, siendo así que profesionales y la sociedad en común, han tratado de atacar la problemática, dificultades y barreras que afectan las personas con discapacidad, provocando una cascada de información que confirma la gravedad del problema, un ejemplo de ello es que, una de cada diez personas en el mundo tiene alguna discapacidad. Son alrededor de 650 millones personas de las cuales unas 450 millones están en edad productiva, siendo este punto el más preocupante.

Es por eso que durante la última década, distintas dependencias gubernamentales han sumado esfuerzos para promover políticas que propicien la integración social y laboral de estas personas. Lo que por consecuencia ha provocado que el sector privado tanto médico como tecnológico también aporte a la solución del problema, siendo este sector que ha visto la oportunidad de ayudar como una oportunidad de expandir o hacer mercado, con la creación de soluciones capaces de ayudar parcial o totalmente con la discapacidad de cada individuo.

Estudios reflejan que algunas discapacidades afectan por lo menos a un órgano que influye directa o indirectamente con alguno de los cinco sentidos, siendo aquí donde se encuentran las soluciones parciales de discapacidad, es por eso que basándose en la función principal de los sentidos, que es alertar y poder percibir eventos que están sucediendo en el entorno, ha provocado que todos los dispositivos tecnológicos creados para ayudar, compartan y realicen el mismo principio, que es una utilización óptima de todos los sentidos del ser humano.

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Consecuentemente, se han propuesto numerosos programas de intervención para este tipo de dificultades en el lenguaje y la comunicación.

La mayoría de las veces, los avances científicos y tecnológicos, tratan de beneficiar a la inmensa mayoría de las personas, y hasta un cuarto plano a los grupos minoritarios.

Es por eso que la tecnología enfoca su principal objetivo en facilitarle la vida a cualquier integrante de estos grupos minoritarios.

Este es el caso de SIADA, (sistema inalámbrico en apoyo para discapacitados auditivos) dispositivo para personas con discapacidades auditivas, que primordialmente basa su utilización dentro de los hogares de manera que a las personas con esta discapacidad puedan saber lo que sucede en su entorno a través de vibraciones y alertas visuales gracias a este dispositivo. El cual se fundamenta en el protocolo 802.15.4, donde se permite tener una comunicación efectiva cubriéndolas diferentes áreas del hogar.

De acuerdo con la consulta hecha al sitio WEB del INEGI en (abril del 2013) (www.inegi.gob.mx), aparecen publicados los resultados correspondientes al Censo general de población y vivienda del año 2000, mostrando que en ese mismo año en México cerca de 1.8 millones de mexicanos tiene algún tipo de discapacidad, de los cuales poco más 281,793 tiene discapacidad auditiva.

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[image:18.612.68.585.135.397.2]

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Figura 1 INEGI XII CENSO GENERAL DE POBLACION Y VIVIENDA 2000 EDADES[1]

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[image:19.612.90.564.70.311.2]

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Figura 2 INEGI XII CENSO GENERAL DE POBLACION Y VIVIENDA 2000 SEXO [2]

A nivel nacional, existen tres personas con discapacidad auditiva por cada mil habitantes; esto es que el 55.3% equivalentes 281 mil personas sonvarones. Cabe señalar que el 31.2% vive en zonas marginales lejos de cualquier apoyo social o gubernamental existente.

Con frecuencia las limitaciones o dificultades que suponen las discapacidades para las personas que las padecen, se unen el insuficiente acceso a recursos y los pocos medios para satisfacer sus demandas y necesidades.

Las circunstancias especiales en las que viven las personas con discapacidad auditiva deben ser motivo de reflexión y compromiso permanente tanto del gobierno como de la sociedad misma.

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21 | Página

La Federación Mundial de Sordos en el apartado 2 del artículo 2 de sus estatutos,

menciona que el término “sordo” se refiere a cualquier persona con pérdida auditiva,

especialmente a quienes utilizan la lengua de signos como primera lengua (González y Labra, 2006).

En los países emergentes es mínimo el porcentaje de la población que conoce o práctica una lengua de señas, y particularmente en México, el interés que esto ha despertado por defender los derechos de los sordos ante una sociedad, permanece plasmado desde noviembre del 2001, al presentarse ante el Pleno de la República una iniciativa de la Ley Federal de la Cultura del Sordo, publicada en la Gaceta Parlamentaría, cuya aprobación en las Cámaras de Diputados y Cenadores con la respectiva publicación en el Diario Oficial de la Federación permanecen pendientes. En la sinopsis de esta iniciativa, se expresa el elemento principal de comunicación para un sordo para defender sus derechos culturales y lingüísticos,

Finalmente el 30 de mayo del 2013 el ex presidente FELIPE DE JESÚS CALDERÓN HINOJOSA, decreta LA LEY GENERAL PARA LA INCLUSIÓN DE LAS PERSONAS CON DISCAPACIDAD.1

La persona con discapacidad auditiva, ha descubierto y desarrollado otras formas de comunicarse, como lo es el caso particular del lenguaje a señas; en donde existen distintas formas de entablar una conversación como pueden ser los sentidos, los gestos, el movimiento de las manos, la mirada, las expresiones artísticas, la escritura, las señales, los signos, por mencionar solo algunos.

Por otra parte el ser humano oyente ha reducido estas formas de comunicación al no utilizarlas en todo su potencial, excepto en actividades en específico, como en el deporte, uso militar, navegación, etc.

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El sistema de escritura y lectura táctil es considerado un lenguaje natural que tiene gramática independiente a la comunicación oral. Esto ha sido demostrado por numerosos investigadores como Stokoe (1960).

La lengua de signos es una lengua visual, gestual basada en el movimiento de las manos, los ojos, la boca, la cara y el cuerpo. El lenguaje de signos es una respuesta creativa de los sordos ante la experiencia de una sordera profundaes independiente de cualquier lenguaje oral. Brinda a las personas sordas la oportunidad de expresarse o comunicarse, desarrollando totalmente su potencial en una forma en que el lenguaje oral no se lo permite. (Federación Mundial de Sordos, 1993).

En el mercado actual existe un amplio número de dispositivos para facilitar la vida de las personas con discapacidad. Una parte importante de este conjunto de herramientas se relaciona directamente con el uso de la computadora, en tanto que otra tiene un carácter completamente independiente y autónomo de esta tecnología, como es el caso de los audífonos o los detectores de sonido.

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1.1 Suvag (Sistema Universal Verbal Auditivo de Guberina).

En la figura 1.1 se muestra un instrumento que forma parte de la intervención propuesta desde el método verbotonal de Guberina. Dicho aparato cumple funciones de amplificador y filtrador de sonidos con finalidad diagnóstica y de intervención. [3]

Figura 1.1: SUVAG. [3]

1.2 Tc-Soft.

Es un teclado en pantalla que permite mediante su uso por el ratón o cualquier otro tipo de dispositivo adaptado a minusvalías simular las funciones que se pueden hacer con el teclado convencional. El objetivo de escribir este texto mediante el Tc-Soft es mandarlo a cualquier aplicación Windows, ya sea este correo electrónico, chat, Word, etc. (ver figura 1.2). [4]

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1.3 Amplificadores.

Dentro de esta función compensadora la ayuda más clásica y comúnmente conocida es el audífono, como se muestra en la figura 1.3. El amplificador diminuto que en el caso de algunas pérdidas auditivas puede proporcionar información sonora a la persona sorda. En las sorderas más ligeras o moderadas, el audífono puede ayudar a captar el lenguaje oral, conforme se avanzo en la severidad de la pérdida auditiva puede colaborar en la aportación de matices acústicos que en conjunción con la lectura labiofacial u otros métodos de apoyo también contribuirán a cierta comprensión del lenguaje oral. En otros casos tan sólo cumplirá la función de detección de presencia de sonido en el medio circundante a modo de alerta, mientras que habrá algunos casos donde la naturaleza de la sordera hace inviable su aplicación.

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1.4 Moneual Smart Care.

El sistema Moneual Smart Care está diseñado para personas con discapacidad auditiva. Detecta una amplia gama de ruidos y sonidos que se producen, como por ejemplo el ruido que emiten los coches en la calle, teléfonos, alarmas, nivel de batería del dispositivo….

[image:24.612.204.422.363.602.2]

A través de la transmisión de estos ruidos gracias a la pantalla del producto, los usuarios con discapacidad auditiva son capaces de reproducirlos y actuar según su necesidad a los fenómenos que ocurren a su alrededor. [6]

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26 | Página 1.5 Tablet PC.

Es un modelo de computadora cuyo diseño permite ser empleado tanto por personas con discapacidad como por personas sin discapacidad.

[image:25.612.150.471.315.534.2]

Las funciones del Tablet PC son exactamente iguales a las desarrolladas por cualquier otro tipo de ordenador (sea de torre o portátil). La única diferencia es la interactividad mediante la pantalla, que se puede manejar con un lápiz electromagnético.

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1.6 Vídeo Teléfono.

[image:26.612.148.484.297.510.2]

La incorporación reciente de cámaras y monitores posibilita la aparición de modelos de teléfono capaces de sumar a la voz, la imagen. El inconveniente de estos sistemas utilizando líneas convencionales es que debido a la baja velocidad de trasmisión que soportan la imagen que trasmiten, en ocasiones se visualiza como a cámara lenta por lo que, considerando la utilización de Lengua de Signos para la comunicación, dificultaría la comprensión del mensaje. [8].

Figura 1.6: VÍDEO TELÉFONO [8]

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[image:27.612.86.586.93.662.2]

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Tabla 1. COMPARACIÓN DE LOS DIFERENTES DISPOSITIVOS EXISTENTES

DISPOSITIVO PRECIO (m.n) VENTAJAS DESVENTAJAS

VIDEOTELEFONO

_{$ 6, 000}

 Transmite una imagen moderna y actual

 Comunicación en tiempo real  Precio

económico

 Se debe tener una infraestructura telefónica

 Solamente se puede tener una

comunicación con el mismo sistema

AMPLIFICADOR

_{$ 12, 000}

 Consumen menos energía  Ajuste a la

necesidad de cada usuario

 No son reparables  No hay servicio

técnico ni repuestos para su mantención  No admiten

adaptación de molde sobre medida

MONEUAL SMART CARE

Aprox.

$ 15,000

 Trabaja

silenciosamente  No atrae el

polvo

 Todavía no se encuentra en el mercado

TABLET PC

_{$ 8, 000}

 Son accesibles para

aplicaciones  Permiten que la

productividad sea portátil, pudiendo manejar un calendario y el correo

electrónico

 Costosos de reparación técnica  Son propensos a

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C

APÍTULO 2

|

“

Sistemas

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CAPÍTULO 2 SISTEMAS INALAMBRICOS.

Una conexión inalámbrica es, una red en la que dos o más terminales en donde se pueden comunicar sin la necesidad de una conexión por cable.

Con la conexión inalámbrica, un usuario puede mantenerse conectado cuando se desplaza dentro de una determinada área geográfica. Por esta razón, a veces se utiliza el término "movilidad" cuando se trata de dicho tema.

Este tipo de conexiones se basan en un enlace que utiliza ondas electromagnéticas en lugar de cableado estándar. Hay muchas tecnologías diferentes que se diferencian por la frecuencia de transmisión que utilizan, el alcance y la velocidad de sus transmisiones.

Las conexiones inalámbricas permiten que los dispositivos remotos se conecten sin dificultad, ya se encuentren a unos metros de distancia como a varios kilómetros. Asimismo, la instalación de estas redes no requiere de ningún cambio significativo en la infraestructura existente como pasa con las redes cableadas. Tampoco hay necesidad de perforar las paredes para pasar cables ni de instalar portacables o conectores. Esto ha hecho que el uso de esta tecnología se extienda rápidamente en el mundo.

Las ventajas de los sistemas inalámbricos son:

 No existen cables físicos (no hay cables que se enreden)

 Suelen ser más baratas

 Permiten gran movilidad dentro del alcance de la red (las redes hogareñas inalámbricas suelen tener hasta 100 metros de la base transmisora)

 Suelen instalarse más fácilmente

 Permite la conexión de gran cantidad de dispositivos móviles. Desventajas

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2.1 Categorías de Redes Inalámbricas.

Existen algunas cuestiones relacionadas con la regulación legal del espectro electromagnético. Las ondas electromagnéticas se transmiten a través de muchos dispositivos (de uso militar, científico y de aficionados), pero son propensos a las interferencias. Por esta razón, todos los países necesitan regulaciones que definan los rangos de frecuencia y la potencia de transmisión que se permite a cada categoría de uso.

[image:30.612.90.544.331.637.2]

Por lo general, las redes inalámbricas se clasifican en varias categorías, como se muestra en la figura 2.1 de acuerdo al área geográfica desde la que el usuario se conecta a la red (denominada área de cobertura):

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2.1.1Redes Inalámbricas de Área Personal (WPAN).

Incluye redes inalámbricas de corto alcance que abarcan un área de algunas decenas de metros. Este tipo de red se usa generalmente para conectar dispositivos periféricos (por ejemplo, impresoras, teléfonos móviles y electrodomésticos) o un asistente personal digital (PDA) a un sistema sin conexión por cables. También se pueden conectar de forma inalámbrica dos sistemas cercanos.

La tecnología principal WPAN es Bluetooth, lanzado por Ericsson en 1994. Ofrece

una velocidad máxima de 1 Mbps con un alcance máximo de unos treinta metros. La tecnología Bluetooth, también conocida como IEEE 802.15.1, tiene la ventaja de tener un bajo consumo de energía, algo que resulta ideal para usarla en periféricos de pequeño tamaño.

2.1.2Redes de Área Local Inalámbricas (WLAN).

Es una red que cubre un área equivalente a la red local de una empresa, con un alcance aproximado de cien metros. Permite que las terminales que se encuentran dentro del área de cobertura puedan conectarse entre sí. Existen varios tipos de tecnologías:

 Wi-Fi con el respaldo de WECA( Wireless Ethernet Compatibility Alliance) ofrece una velocidad máxima de 54 Mbps en una distancia de varios cientos de metros.

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Mbps en un área aproximada de cien metros, y transmite dentro del rango de frecuencias de 5150 y 5300 MHz.

2.1.3Redes Inalámbricas de ÁreaMetropolitana (WNAM).

Las WMAN también se conocen como lazo local inalámbrico (WLL Wireless Local Loop).Las WMAN se basan en el estándar IEEE 802.16.

Los lazos locales inalámbricos ofrecen una velocidad total efectiva de 1 a 10 Mbps, con un alcance de 4 a 10 kilómetros, algo muy útil para compañías de telecomunicaciones.

La mejor red inalámbrica de área metropolitana es WiMAX, que puede alcanzar una velocidad aproximada de 70 Mbps en un radio de varios kilómetros.

2.1.4Redes Inalámbricas de Área Extensa (WWAN).

Las WWAN tienen el alcance más amplio de todas las redes inalámbricas. Por esta razón, todos los teléfonos móviles están conectados a una red inalámbrica de área extensa. Las tecnologías principales son:

 GSM (Global Systemfor Mobile Communication): puede conectarse a través de su teléfono con su computador y enviar y recibir mensajes por correo electrónico, faxes, navegar por Internet, acceder con seguridad a la red informática de una compañía.

 GPRS (General Packet Radio Service): se puede utilizar para servicios como el acceso mediante el Protocolo de Aplicaciones Inalámbrico (WAP), el servicio de mensajes cortos (SMS) y multimedia (MMS), acceso a Internet y correo electrónico.

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 CDMA: multiplexación por división de código, acceso múltiple por división de códigoes un término genérico que define una interfaz de aire inalámbrica basada en la tecnología de espectro extendido (spread spectrum). Para telefonía celular, CDMA es una técnica de acceso múltiple especificada

2.1.5Red de SensoresInalámbricos (WSN).

Es una red inalámbrica que consiste en dispositivos distribuidos espaciados autónomos utilizando sensores para monitorear condiciones físicas o ambientales. El protocolo inalámbrico depende en los requerimientos de la aplicación. Algunos de los estándares disponibles incluyen radios de 2.4 GHz basados en los estándares IEEE 802.15.4 o IEEE 802.11 (Wi-Fi) o radios propietarios, los cuales son regularmente de 900 Mhz.

Al hablar de redes de sensores inalámbricas, es imprescindible hablar de Zigbee ya que es un protocolo de comunicaciones inalámbrico basado en el estándar de comunicaciones para redes inalámbricas IEEE_802.15.4.

Zigbee permite que dispositivos electrónicos de bajo consumo puedan realizar sus comunicaciones inalámbricas. Es especialmente útil para redes de sensores en entornos industriales, médicos y, sobre todo, domesticos.

2.2ZigBee.

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[image:34.612.64.553.88.341.2]

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Figura 2.2: Aplicaciones de ZigBee. [10]

En este apartado se tratará de forma amplia y específica el funcionamiento de este tipo de conexión, partiendo de una definición de ZigBee y posteriormente estudiando tanto sus principales características como su funcionamiento en una red ZigBee.

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CAPÍTULO 3 ZigBee

ZigBee es el nombre de la especificación de un conjunto de protocolos de alto nivel de comunicación inalámbrica. Esta especificación define una solución para comunicaciones inalámbricas de bajo costo y consumo. El principal objetivo que pretende satisfacer una red de comunicación ZigBee es la de comunicar aplicaciones que requieren comunicaciones seguras, con baja tasa de envío y maximización de la vida útil de sus baterías. La red, en su conjunto, utilizará una cantidad muy pequeña de energía de forma que cada dispositivo individual pueda tener una autonomía de hasta 5 años antes de necesitar un recambio en su sistema de alimentación.

La ZigBee Alliance es el grupo encargado de su desarrollo. La primera versión 1.0 fue aprobada el 14 de diciembre de 2004. En diciembre de 2006 se aprobó el protocolo ZigBee 2006, y actualmente se está trabajando en nuevas versiones.

El medio de transmisión ZigBee trabaja sobre la banda ISM para usos industriales, científicos y médicos; en concreto, 868MHz en Europa, 915MHz en Estados Unidos y 2.4GHz en todo el mundo. Al ser éste último libre en todo el mundo, las empresas optan por esta opción a la hora de diseñar. En el rango de frecuencias de 2.4GHz se definen hasta 16 canales, cada uno de ellos con un ancho de banda de 5MHz.

La pila de protocolos ZigBee, también conocida como ZigBeeStack, se basa en el nivel físico (PHY) y el control de acceso al medio (MAC) definidos en el estándar IEEE 802.15.4, que desarrolla estos niveles para redes inalámbricas de área personal de baja tasa de transferencia La especificación ZigBee completa este estándar añadiendo cuatro componentes principales:

 Nivel de red.

 Nivel de aplicación.

 Objetos de dispositivo ZigBee (ZDO, ZigBeeDeviceObjects).  Objetos de aplicación definidos por el fabricante.

Además de añadir dos capas de alto nivel (nivel de red y de aplicación) a la pila de protocolos, el principal cambio es la adición de los ZDO ya que son los responsables de llevar a cabo una serie de cometidos, entre los que se encuentran el mantenimiento de los roles de los dispositivos, la gestión de peticiones de unión a una red, el descubrimiento de otros dispositivos y la seguridad.

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[image:37.612.181.449.102.379.2]

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Figura 3.1: ARQUITECTURA DE ZIGBEE.

3.1 IEEE 802.15.4

Antes de estudiar la especificación ZigBee, se tratara los niveles definidos por el estándar IEEE 802.15.4 específico para conexiones inalámbricas tales como el proyecto.

El estándar no define niveles superiores ni subcapas de interoperabilidad. Existen extensiones, como la especificación ZigBee, que complementan al estándar en la propuesta de soluciones completas.

IEEE 802.15.42_{es la base sobre la que se define la especificación de ZigBee, cuyo} propósito es ofrecer una solución completa para este tipo de redes construyendo los niveles superiores de la pila de protocolos que el estándar no cubre.

2

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El propósito del estándar es definir los niveles de red básicos para dar servicio a un tipo específico de red inalámbrica de área personal (WPAN) centrada en la habilitación de comunicación entre dispositivos con bajo costo y velocidad. Se enfatiza el bajo costo de comunicación con nodos cercanos y sin infraestructura, o con muy poca, para favorecer aún más el bajo consumo.

En su forma básica se concibe un área de comunicación de 10 metros con una tasa de transferencia de 250kbps. Como se ha indicado, la característica fundamental de 802.15.4 entre lasWPAN’s es la obtención de costos de fabricación excepcionalmente bajos por medio de la sencillez tecnológica, sin perjuicio de la generalidad o la adaptabilidad.

Entre los aspectos más importantes se encuentra la adecuación de su uso para tiempo real por medio de slots3de tiempo garantizados, evitación de colisiones por CSMA/CA y soporte integrado a las comunicaciones seguras. También se incluyen funciones de control de consumo de energía como calidad del enlace y detección de energía.

3.1.2 Arquitectura de los protocolos

Ladefinición de los distintos niveles se basa en el modelo OSI (Figura 3.2). Aunque los niveles inferiores (físico y enlace de datos) se definen en el estándar 802.15.4, se prevé la interacción con el resto de niveles por medio de un subnivel de Control de Enlace Lógico basado en IEEE 802.2 que acceda al Control de Acceso al Medio (MAC) a través de un subnivel de convergencia. La implementación puede basarse en dispositivos externos o integrarlo todo en dispositivos autónomo.

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Figura 3.2: Pila de protocolos del modelo OSI.

3.1.3 Nivel físico

El nivel físico (PHY) proporciona el servicio de transmisión de datos sobre el medio físico propiamente dicho, así como la interfaz con la entidad de gestión del nivel físico, por medio de la cual se puede acceder a todos los servicios de gestión del nivel y que mantiene una base de datos con información de redes de área personal relacionadas. De esta forma, PHY controla el transceptor de radiofrecuencia y realiza la selección de canales junto con el control de consumo y de la señal.

Como ya se ha comentado con anterioridad, se opera en una de las tres posibles bandas de frecuencia siguientes:

 868-868.8MHz: Europa. Permite de uno a tres canales.

 902-928MHz: Norte América. Permite de diez a treinta canales.

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La versión original del estándar (2003) especifica dos niveles físicos basados en Espectro Ensanchado por Secuencia Directa (DSSS, DirectSequence Spread Spectrum). Uno de los dos niveles físicos trabaja en las bandas de 868/915MHz con tasas de transferencia de entre 20 y 40kbps; el otro nivel trabaja en la banda de 2450MHz con hasta 250kbps. Posteriormente se realizó una revisión en el 2006 incrementando las tasas de datos máximas de las bandas de 868/915MHz, pasando a transmitir hasta 100 y 250kbps.

En el nivel físico se localiza cuatro niveles físicos distintos en base al método de modulación usado. Tres de estos cuatro niveles conservan el mecanismo DSSS: las bandas de 868-915MHz que usan modulación en fase binaria o por cuadratura en offset (OQPSK, Offset QuadraturePhaseShiftKeying). En la banda de 2450MHz se usa la técnica OQPSK.

Adicionalmente, se define una combinación opcional de modulación binaria y en amplitud para las bandas de menores frecuencias, basadas por lo tanto en una difusión de espectro paralela, no secuencial (PSSS). Si se usan éstas bandas de menor frecuencia, se puede cambiar dinámicamente el nivel físico usado entre los soportados.

3.1.4 Nivel enlace de datos

En este nivel se encontrara el Control de Acceso al Medio (MAC). Éste transmite tramas MAC usando para ello el canal físico. Además del servicio de datos, ofrece un interfaz de control y regula el acceso al canal físico y al balizado de la red. También controla la validación de las tramas y las asociaciones entre nodos, y garantiza slots de tiempo. Por último, ofrece puntos de enganche para servicios seguros.

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Figura 3.3: Pila de protocolos IEEE 802.15.4

3.2EspecificaciónZigBee

3.2.1 Nivel de red

Los cometidos principales del nivel de red son permitir el correcto uso del subnivel MAC y ofrecer un interfaz adecuado para su uso por parte del nivel inmediatamente superior (el de aplicación). Sus capacidades, incluyendo el ruteo, son las típicas de un nivel de red clásico.

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3.2.2 Nivel de aplicación

El nivel de aplicación es el más alto definido por la especificación y, por tanto, la interfaz efectiva entre el nodo ZigBee y sus usuarios. En él se ubican la mayor parte de los componentes definidos por la especificación: tanto como sus procedimientos de control como los objetos de aplicación.

3.2.3 Servicios de seguridad

Uno de los aspectos más característicos de ZigBee son los servicios que ofrece para el soporte de comunicaciones seguras. Se protege el establecimiento y transporte de claves, el cifrado de trama y el control de dispositivos. Se apoya en el marco definido por IEEE 802.15.4; la seguridad depende de la correcta gestión de las claves simétricas y la adecuada implementación de los métodos y políticas de seguridad.

3.2.4 Componentes principales

El ZDO se encarga de la definición del rol de un dispositivo como Coordinador ZigBee o Dispositivo Final . Además, el ZDO identifica los dispositivos que se encuentran a un salto en la red (dispositivos vecinos) y los servicios que ofrecen. Tras ello, puede proceder a establecer enlaces seguros con dispositivos externos y responder peticiones.

El subnivel de soporte a la aplicación (APS, ApplicationSupportSublayer) es el segundo componente básico del nivel. Como tal, ofrece una interfaz bien definida y servicios de control asociados. Trabaja como nexo de unión entre el nivel de red y el resto de componentes del nivel de aplicación. Mantiene actualizadas las tablas de asociaciones en forma de base de datos, que puede utilizarse para encontrar dispositivos adecuados en base a los servicios demandados y ofrecidos. Como puente entre dos niveles, encamina los mensajes a lo largo de la pila de protocolos.

3.3 Dispositivos que constituyen ZigBee.

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 Coordinador: Es indispensable que exista un dispositivo coordinador para

que pueda existir una red zigbee. Es el encargado de proporcionar las direcciones dinámicas de red a sus dispositivos hijos .No puede haber más de un coordinador en una red zigbee, en el caso de existir más de una red zigbee en el mismo medio físico, cada una de ellas se distingue por un identificador diferente, y existe una red por cada grupo de coordinador y sus hijos.En el caso de que un coordinador intente crear una red zigbee con un identificador en el que ya existe otro coordinador, dicha red no se creará, prevaleciendo la que existía anteriormente. Como el coordinador tiene que estar continuamente escuchando el medio físico, el mismo no puede entrar en modo de bajo consumo y suele estar alimentado mediante fuente de tensión. Normalmente, el coordinador está conectado a algún ordenador o incluir un ordenador embebido y hace de pasarela entre la WSN y el software que la gestiona y monitoriza sus datos.

• Enrutador: Actúa como dispositivo hijo, en cuanto necesita que un padre (un coordinador u otro enrutador) le proporcione su dirección dinámica de red y le asocie a una red; pero también actúa como dispositivo padre, en cuanto puede proporcionar direcciones de red a otros dispositivos hijos (otros enrutador o enddevices). Por el mismo motivo que el coordinador, no puede entrar en modo de bajo consumo.

• Dispositivo final (ZigbeeEndDevice ZED): Sólo puede actuar como dispositivo

hijo, necesita comunicarse con un dispositivo padre para poder estar asociado a una red y que le proporcionen una dirección de red. Si el dispositivo padre cae y no encuentra otro padre, perderá su configuración de red, hasta que encuentre de nuevo un padre (el mismo o uno diferente) que le asigne una nueva configuración de red

Zigbee está recomendado para usarse en sistemas con requisitos de muy bajo consumo energético y tasas de transferencia de datos muy reducidas.

Vistas las funciones realizadas por los distintos tipos de dispositivos que forman una red ZigBee se clasifica, según su funcionalidad, en dos tipos de nodo definidos por el estándar 802.15.4:

 Dispositivo de Funcionalidad Completa (FFD, Full-FunctionDevice):

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una red de área personal (PAN) o como un nodo normal. Implementa un modelo general de comunicación que le permite establecer un intercambio con cualquier otro dispositivo pudiendo encaminar mensajes, en cuyo caso se le denomina coordinador (coordinador de la PAN si es el responsable de toda la red y no sólo de su entorno). Puede ser usado en dispositivos de red que actúen de interface con los usuarios.

 Dispositivo de Funcionalidad Reducida (RFD, Reduced-FunctionDevice):

Conocido también como nodo pasivo. Posee una capacidad y funcionalidad limitada para garantizar un bajo costo y una gran simplicidad, por ello sólo

pueden comunicarse con FFD’s y nunca pueden ser coordinadores.

Básicamente constituyen los sensores de la red.

3.4 Comunicación y descubrimiento de dispositivos

Para que los dispositivos que forman una aplicación puedan comunicarse, deben utilizar un protocolo de aplicación compartido. Estos acuerdos se agrupan en perfiles. En el momento de establecer una comunicación entre los distintos dispositivos se realiza mediante pares de identificadores fuente y destino (identificadores de cluster), agrupando las parejas en tablas de asociaciones. Dichas tablas estarán correctamente almacenadas en los Coordinadores ZigBee.

En base a la información disponible, el descubrimiento de dispositivos puede efectuarse utilizando varios métodos. En caso de conocer la dirección de red, se pide la dirección IEEE utilizando unicast4. Si no es así, se pide por broadcast5. Los Dispositivos Finales ZigBee responden a estas peticiones con sus direcciones propias, mientras que los Routers y Coordinadores ZigBee envían también las direcciones de todos los dispositivos asociados a ellos.

Los identificadores de clusterfavorecen la asociación entre entidades complementarias por medio de tablas de asociación, mantenidas en los

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Envio de información desde un único emisor a un único receptor 5

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Coordinadores ZigBee, ya que estas tablas siempre han de estar disponibles en una red. Los Coordinadores son los encargados de guardar las tablas ya que, de entre todos los nodos, son los que con mayor seguridad dispondrán de una alimentación continua. Para establecer asociaciones entre diferentes dispositivos se necesita que se haya formado un enlace de comunicación, tras ello se decide si es necesario adjuntar un nuevo nodo a la red en base a la aplicación y las políticas de seguridad. Nada más establecerse la asociación, pueden iniciarse las comunicaciones.

Existen dos modos de direccionamientos. Por una parte, el direccionamiento directo utiliza la dirección de radio y el número de endpoint6; por otra parte, el direccionamiento indirecto necesita toda la información relevante (dirección, endpoint, clustery atributo), y la envía al Coordinador de la red. El Coordinador es el encargado de traducir su petición y proporcionarle los datos deseados. Este último direccionamiento es especialmente útil para favorecer el uso de dispositivos muy sencillos y minimizar el almacenamiento interno.

3.5 Modos de funcionamiento de ZigBee

El funcionamiento de ZigBee debe cumplir la premisa del bajo consumo de sus nodos. Para ello un nodo ZigBee, tanto activo como pasivo, reduce su consumo gracias a que puede permanecer “dormido” la mayor parte del tiempo, incluso

muchos días seguidos. Cuando se dice que el nodo permanece “dormido” se refiere

a que está a la espera de ser activado por parte del Router o del Coordinador ZigBee.

Cuando se requiere su uso, el nodo ZigBee es capaz de despertar en un tiempo

ínfimo, para volverse a “dormir” cuando deje de ser requerido. El tiempo que tarda un

nodo cualquiera en despertarse es de aproximadamente 15ms.

Las redes ZigBee han sido diseñadas para conservar la potencia en los nodos esclavos (ZED), de esta forma se consigue el bajo consumo de potencia. La idea del funcionamiento ZigBee consiste en que los dispositivos esclavos en todo momento

permanecen en modo “dormido” a no ser que sean activados, de tal forma que solo

se “despiertan” por una fracción de segundo para confirmar que siguen en la red de

dispositivos de la que forman parte, es decir, que siguen “vivos”.

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En las redes ZigBee, se pueden usar dos modos de funcionamiento diferentes: con balizas o sin balizas.

3.5.1 Con balizas

En este modelo de funcionamiento, el camino de transmisión y recepción está permanentemente controlado por un distribuidor que se encarga de controlar el canal y dirigir las transmisiones. El distribuidor permite a todos los dispositivos saber cuándo pueden transmitir.

Para el control del canal se utilizan las balizas, elementos que se usan para poder sincronizar todos los dispositivos que conforman la red. Los intervalos de las balizas son asignados por el coordinador de la red (Coordinador ZigBee) y pueden variar desde los 15ms hasta los 4 minutos.

Este modo es más recomendable cuando el coordinador de red trabaja con una batería. Los dispositivos que conforman la red escuchan a dicho coordinador durante el balizamiento (envío de mensajes a todos los dispositivos -broadcast-, entre 0.015 y 252 segundos). Un dispositivo que quiere intervenir, lo primero que tendrá que hacer es registrarse para el coordinador, y es entonces cuando mira si hay mensajes para él. En el caso de que no haya mensajes, este dispositivo vuelve a “dormir”, y se

despierta de acuerdo a un horario que ha establecido previamente el coordinador. En cuanto el coordinador termina el balizamiento, todos los dispositivos de la red

vuelven a “dormirse”.

Como se observa, se trata de un mecanismo de control del consumo de potencia en la red.

3.5.2 Sin balizas

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que pretende transmitir, y de esta forma detecta si algún otro nodo que compone la red está transmitiendo o tiene intención de ello. Al tratarse de un medio inalámbrico, la detección de colisiones no es posible, por lo tanto para evitar dichas colisiones la estación que quiera transmitir, si no hay tráfico en el canal, podrá hacerlo pasado un cierto instante de tiempo; en caso de existir tráfico, deberá esperar un cierto tiempo de espera más otro cierto intervalo de tiempo aleatorio.

Este sistema se usa típicamente en los sistemas de seguridad, en los cuales sus dispositivos duermen prácticamente todo el tiempo. Para que se les tenga en cuenta, estos elementos se “despiertan” de forma regular para anunciar que siguen en la red.

Cuando se produce un evento, como por ejemplo que un sensor detecte algún

movimiento, el sensor “despierta” instantáneamente y transmite a la alarma

correspondiente. Es en ese momento cuando el coordinador de red recibe el mensaje enviado por el sensor y activa la alarma pertinente. En este caso, el coordinador de red se alimenta de la red principal durante todo el tiempo.

Los routerssuelen estar activos todo el tiempo, por lo que requieren una alimentación estable en general. Esto permite redes heterogéneas en las que algunos dispositivos pueden estar transmitiendo todo el tiempo, mientras que otros sólo transmiten ante la presencia de estímulos externos.

En general, los protocolos ZigBee que no hacen uso de las baliza, minimizan el tiempo de actividad para evitar el uso de energía. En las redes con balizas, los nodos sólo necesitan estar despiertos mientras se transmiten las balizas (además de cuando se les asigna tiempo para transmitir); si no hay balizas, el consumo de cada dispositivo será distinto ya que se encontrara nodos activos permanentemente y otros que sólo lo están esporádicamente.

3.5.3 Acceso al medio

El medio físico es un recurso al que se accede utilizando CSMA/CA. Las redes que no utilizan las balizas hacen uso de una variación del mismo basada en la escucha del medio, temporizada por un algoritmo de backoff7, salvo en el caso de las confirmaciones (ACK, Acknowledgement).

Estos mensajes de confirmación pueden ser opcionales en algunos casos. La recepción de una confirmación certifica el éxito del envío. En cualquier caso, si un dispositivo es incapaz de procesar una trama en un momento dado, no confirma su

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recepción. Pueden realizarse reintentos basados en timeoutun cierto número de veces, tras lo cual se decide si seguir intentándolo a dar error de transmisión.

El entorno de funcionamiento previsto para este tipo de redes exige que se maximice la vida de la fuente de energía, por lo que se favorecen los protocolos que conducen a estos fines. Para ello, se programan comprobaciones periódicas de mensajes pendientes, más o menos frecuentes según la aplicación concreta.

En lo que respecta a la seguridad en las comunicaciones, el subnivel MAC ofrece funcionalidades que los niveles superiores pueden utilizar para lograr alcanzar el nivel de seguridad deseado. Estos niveles superiores pueden especificar claves simétricas para proteger los datos y restringir éstos a un grupo de dispositivos o a un enlace punto a punto. Estos grupos se especifican en listas de control de acceso. Además, MAC realiza comprobaciones de frescura (freshnesscheck) entre recepciones sucesivas para asegurar que las tramas viejas cuyo contenido no se considera útil o válido ya, no transcienden a los niveles superiores.

3.6 Servicios de fiabilidad y seguridad

Uno de los aspectos más característicos de ZigBee son los servicios que ofrece para el soporte de comunicaciones seguras. Se protege el establecimiento y transporte de claves, el cifrado de trama y el control de dispositivos. La seguridad depende de la correcta gestión de las claves simétricas y de la adecuada implementación de los métodos y políticas de seguridad.

3.6.1 Modelo básico de seguridad

La piedra angular de la confidencialidad es la adecuada protección de todo el material de cifrado. Debe asumirse que se confía en la instalación inicial de las claves, así como en el procesado de la información de seguridad. Para que la implementación funcione en su conjunto, se asume su corrección.

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que consiste en la unión de un dispositivo desconfigurado a una red. La red ZigBee debe tener gran cuidado con este aspecto, puesto que una red ad hoc puede ser accesible físicamente a cualquier dispositivo externo, y el entorno de trabajo no se puede conocer de antemano. Las aplicaciones que se ejecutan utilizando el mismo transceptor deben, así mismo, confiar entre sí, ya que por motivos de costo no se asume la existencia de un cortafuego entre las distintas entidades del nivel de aplicación.

Los distintos niveles definidos dentro de la pila de protocolos no están separados criptográficamente, por lo que se necesitan políticas de acceso, que se asumen correctas en su diseño. Este modelo de confianza abierta (open trust) posibilita la compartición de claves, disminuyendo de este modo el costo de forma significativa. No obstante, el nivel que genera una trama es siempre el responsable de su seguridad. Todos los datos de las tramas del nivel de red han de estar cifrados, ya que podría haber dispositivos maliciosos, de forma que el tráfico no autorizado se previene de raíz. De nuevo, la excepción es la transmisión de la clave de red a un dispositivo nuevo, lo que dota a toda la red de un nivel de seguridad único. También es posible utilizar criptografía en enlaces punto a punto.

3.6.2 Arquitectura de seguridad

ZigBee utiliza claves de 128 bits en sus mecanismos de seguridad. Una clave puede asociarse a una red (utilizable por los niveles de ZigBee y el subnivel MAC) o a un enlace (en tal caso, adquirida por preinstalación, acuerdo o transporte). Las claves de enlace se establecen en base a una clave maestra que controla la correspondencia entre claves de enlace. Como mínimo la clave maestra inicial debe obtenerse por medios seguros (transporte o preinstalación), ya que la seguridad de toda la red depende de ella.

Los distintos servicios usarán variaciones unidireccionales (one-way) de la clave de enlace para evitar riesgos de seguridad.

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realizar el transporte como se ha descrito. Las aplicaciones que no requieran un nivel especialmente alto de seguridad utilizarán una clave enviada por el centro de confianza a través del canal inseguro transitorio.

Por lo tanto, el centro de confianza controla la clave de red y la seguridad punto a punto. Un dispositivo sólo aceptará conexiones que se originen con un clave enviada por el centro de confianza, salvo en el caso de la clave maestra inicial. La arquitectura de seguridad está distribuida entre los distintos niveles de la siguiente manera:

 El subnivel MAC puede llevar a cabo comunicaciones fiables de un solo salto. En general, utiliza el nivel de seguridad indicado por los niveles superiores.  El nivel de red gestiona el ruteo, procesando los mensajes recibidos y pudiendo

hacer broadcastde peticiones. Las tramas salientes usarán la clave de enlace correspondiente al ruteo realizado, si está disponible; en otro caso, se usará la clave de red.

 El nivel de aplicación ofrece servicios de establecimiento de claves al ZDO y las aplicaciones, y es responsable de la difusión de los cambios que se produzcan en sus dispositivos a la red. Estos cambios podrían estar provocados por los propios dispositivos (un cambio de estado sencillo) o en el centro de confianza, que puede ordenar la eliminación de un dispositivo de la red, por ejemplo. También encamina peticiones de los dispositivos al centro de seguridad y propaga a todos los dispositivos las renovaciones de la clave de red realizadas por el centro. El ZDO mantiene las políticas de seguridad del dispositivo.

3.7 Modelo de redes de ZigBee

Las redes están compuestas por grupos de dispositivos separados por distancias suficientemente reducidas. Cada dispositivo posee un identificador único de 64 bits, aunque si se dan ciertas condiciones de entorno en éste pueden utilizarse identificadores cortos de 16 bits. Probablemente éstos se utilizarán dentro del dominio de cada PAN separadas.

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 Topología en estrella.  Topología en árbol.

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 Topología de malla.

Figura 3.4: Topología de la rede ZigBee

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3.7.1 Topología en estrella

En redes en estrella el coordinador se sitúa en el centro, y toda conexión que se quiera realizar entre los distintos nodos de la red debe pasar por éste.

[image:52.612.214.404.237.398.2]

En la Figura 3.5 se observa ilustrada la típica estructura de una red en estrella.

Figura 3.5: Estructura de una red en estrella

Una red en estrella activa tiene un nodo central activo que normalmente tiene los medios para prevenir problemas. Se utiliza sobre todo para redes locales. La mayoría de las redes de área local que tienen un router, un switch o un hub8 siguen esta topología. El nodo central, en el caso de utilizar uno de estos dispositivos, sería el router, el switch o el hubpor el que pasan todos los paquetes.

Las ventajas que puede aportar una red en estrella sería la facilidad a la hora de implementarla, adecuada para redes temporales, el fallo de un nodo periférico no influiría en el comportamiento del resto de la red y no hay problemas con colisiones de datos ya que cada estación tiene su propia conexión al coordinador central.

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En contrapartida, la utilización de una red en estrella se limita tanto el número de nodos que pueden estar conectados a la red, como la longitud del cableado (en caso de ser una conexión cableada). También se debe tener muy en cuenta que los costos de mantenimientos pueden aumentar a largo plazo, y que el fallo del nodo central puede echar abajo la red entera.

A causa de todo ello, se confirma que una red en estrella puede ser poco fiable en el momento de realizar transferencias de información.

3.7.2 Topología en árbol

Topología de red en la que los nodos están colocados en forma de árbol (Figura 3.6). Para este tipo de topología el coordinador será la raíz del árbol. Desde una vista topológica, la conexión en árbol es parecida a una serie de redes en estrella interconectadas, salvo en que no tiene un nodo central. En cambio, tiene un nodo de enlace troncal, generalmente ocupado por un hubo switch, desde el que se ramifican los demás nodos.

Figura 3.6: Estructura de una red en árbol

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Los problemas asociados a este tipo de topología radican en que los datos son recibidos por todas las estaciones sin importar para quien vayan dirigidos. Por lo tanto es necesario dotar a la red de un mecanismo que permita identificar al destinatario de los mensajes. Además, debido a la presencia de un medio de transmisión compartido entre muchas estaciones, pueden producirse interferencias entre las señales cuando dos o más estaciones transmiten al mismo tiempo. La solución al primero de estos

Problemas aparece con la introducción de un identificador de estación destino. Para darle solución al segundo problema, hay que mantener una coordinación entre todas las estaciones, y para eso se utiliza cierta información de control en las tramas que controlan quien transmite en cada momento (utilización de tramas balizas mencionadas anteriormente).

3.7.3 Topología en malla

La topología más interesante es la topología de malla. Consiste en que al menos uno de los nodos tendrá más de dos conexiones. Con ello se consiguió que si, en un momento dado, un nodo del camino falla y se cae, pueda seguir la comunicación entre todos los demás nodos debido a que se rehacen todos los caminos.

El establecimiento de una red de malla es una manera de encaminar datos, voz e instrucciones entre los nodos. Las redes de malla se diferencian de otras redes en que las piezas de la red (los nodos) están conectadas unas con otras por uno u otro camino. Esta configuración ofrece caminos redundantes por toda la red, de modo que si falla un cable, otro se hará cargo del tráfico.

Esta topología, a diferencia de las vistas en apartados anteriores, no requiere de un servidor o nodo central, con lo que se reduce el mantenimiento. Un error en un nodo, sea importante o no, no implica la caída de toda la red.

Como ya se ha comentado anteriormente, las redes de malla son autogenerables. La red puede funcionar incluso cuando un nodo desaparece o la conexión falla, ya que el resto de nodos evitan el paso por ese punto. Consecuentemente, se forma una red muy confiable.

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[image:55.612.219.388.68.190.2]

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Figura 3.7: Estructura de una red en malla

Al igual que en la topología en árbol, las redes en malla permiten el uso de RoutersZigBee para habilitar la comunicación en el nivel de red. Éstos no son Coordinadores ZigBee, pero pueden serlo de sus respectivos espacios de operación personal definidos por 802.15.4.

Aunque la facilidad de solución de problemas y el aumento de la fiabilidad son ventajas muy interesantes, estas redes resultan caras de instalar, ya que utilizan mucho cableado. Es por ello que su uso se centra en redes inalámbricas, como es el caso del proyecto.

3.7.4 Árbol de clusters

Vistos los tipos de topologías que se puede manipular, se encontrara el estándar

menciona un tipo de red definido como “árbol de clusters”. Para ello se usan redes punto a punto.

Las redes punto a punto pueden formar patrones arbitrarios de conexionado, donde su extensión se ve limitada únicamente por la distancia existente entre cada par de nodos. Forman la base de redes ad hoc9_{auto organizativas. El estándar no define un}

nivel de red, por lo que no se soportan funciones de ruteo de forma directa, aunque sí ha dicho nivel se le añade se pueden realizar comunicaciones en varios saltos.

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Las estructuras árbol de clustersestán formadas por el conexionado entre nodos FFD y RFD. Puesto que se necesita de al menos un nodo FFD para poder conectar diferentes

RFD’s, se aprovecha de ello para generar estructuras donde los nodos RFD’s simbolizan las hojas de un árbol, y donde la mayoría de los nodos son FFD’s. A partir

de los árboles de clustersse puede generar grandes redes de malla, cuyos nodos sean árboles de clusterscon un coordinador local para cada cluster, junto con un coordinador global.

3.8 Modos de Conexión.

Existen básicamente 2 tipos de conexión. La diferencia principal radica en el número de nodos o puntos de acceso, y la forma en que éstos interactúan entre sí.

3.8.1 Punto a Punto.

Una redpunto a punto puede tomar diferente formas mediante la definición de las restricciones de los dispositivos que pueden comunicarse entre sí. Si no hay ninguna restricción, la red punto a punto es conocida como una topología de malla. Es la conexión ideal para reemplazar comunicación serial por un cable.

En la siguiente figura 3.9 se muestra un pequeño ejemplo donde las direcciones se eligieron arbitrariamente:

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3.8.2 Punto a Multipunto.

[image:57.612.188.417.273.504.2]

En la figura 3.10 se refiere a la comunicación que se logra a través de un específico y distinto tipo de conexión multipunto, ofreciendo varias rutas desde una única ubicación a varios lugares.Esta conexión, permite prestaciones extras.

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3.9 Otros medios de transmisión de datos

3.9.1 ZigBee vs. Bluetooth

Como ya se pudo comprobar, el desarrollo de la tecnología de ZigBee se centra en la sencillez y bajo costo de sus nodos y en el bajo nivel de transmisión de información. Es por ello que su utilización para el proyecto es la más adecuada en comparación con otras redes inalámbricas semejantes de la familia WPAN, como por ejemplo Bluetooth.

ZigBee es muy similar a Bluetooth, pero con algunas diferencias:

 Una red ZigBee puede constar de más de 65000 nodos distribuidos en subredes de 255 nodos, frente a los 8 máx. de una subred (piconet10) Bluetooth.

 Menor consumo eléctrico que el de Bluetooth. Este menor consumo se debe a que el sistema ZigBee, como ya se ha mencionado anteriormente, se queda la mayor parte del tiempo dormido, mientras que en una comunicación Bluetooth esto no se puede dar ya que suelen estar siempre transmitiendo y/o recibiendo. En la Tabla 2 se puede ver en términos exactos el consumo de ZigBee y de Bluetooth

Tabla 2: Consumo ZigBee vs Bluetooth

En transmisión En reposo

ZigBee 30mA 3μA

Bluetooth 40mA 0.2mA

 La velocidad ZigBee es menor a la de Bluetooth. ZigBee tiene una velocidad de hasta 250kbps, mientras que en Bluetooth es de hasta 1Mbps. Esta diferencia de valores es lógica si se toma en cuenta que ZigBee se basa en una transmisión de datos baja, y por lo tanto no afecta en gran medida en el momento de transmisión y recepción de datos.

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Se conoce como piconet a una red de dispositivos informáticos que se conectan utilizando Bluetooth. Un piconet puede constar de dos a ocho dispositivos, y sie pre ha rá u aestro y los de ás será

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Vistas las principales diferencias entre ZigBee y Bluetooth, se llega a la conclusión de que uno es más apropiado que el otro para ciertas aplicaciones. Haciendo referencia a la diferencia de velocidades, Bluetooth se usa para aplicaciones con mayor carga de información para transmitir, como por ejemplo para teléfonos móviles e informática casera; la velocidad de ZigBee se hace insuficiente para estas tareas, desviándolo a usos tales como los productos dependientes de la

Batería, artículos de juguetería y sensores médicos, en los cuales la transferencia de datos es menor. Éste último caso de utilización de ZigBee, los sensores médicos, garantiza que ZigBee será un medio idóneo para el proyecto que se basa en la transmisión de datos a partir de medidas capturadas por parte de un conjunto de sensores.

3.9.2Wireless USB

Wireless USB es un protocolo de comunicación inalámbrica por radio con gran ancho de banda, que combina la sencillez de uso de USB con la versatilidad de las redes inalámbricas.

Utiliza como banda frecuencia la plataforma UWB (Ultra-Wide Band), operando en los rangos de frecuencia de 3.1 a 10.6GHz. Puede lograr tasas de transmisión de hasta 480Mbps en rangos de tres metros y 110Mbps en rangos de diez metros.

Gracias a su alta tasa de transferencia, Wireless puede usarse para aplicaciones que requieren un flujo de transferencia elevado. Wireless USB se utiliza en mandos de videoconsola, impresoras, escáneres, transmisión y visualización de vídeos, etc.