UNIVERSIDAD
TÉCNICA
DEL
NORTE
CARRERA DE INGENIERÍA EN ELECTRÓNICA Y REDES
DE COMUNICACIÓN
TEMA:
DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA DE
ALARMA
COMUNITARIA
A
BASE
DE
MÓDULOS
INALÁMBRICOS UTILIZANDO TECNOLOGÍA ZIGBEE
PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TITULO DE
INGENIERO EN ELECTRÓNICA Y REDES DE
COMUNICACIÓN
AUTOR: DIEGO XAVIER CASTILLO IMBAQUINGO
DIRECTOR: ING. EDISON JÁCOME
UNIVERSIDAD TECNICA DEL NORTE
BIBLIOTECA UNIVERSITARIA
AUTORIZACIÓN DE USO Y PUBLICACIÓN A FAVOR
DE LA UNIVERSIDAD TÉCNICA DEL NORTE
1.- IDENTIFICACIÓN DE LA OBRA
La Universidad Técnica Del Norte dentro del proyecto Repositorio Digital Institucional determina la necesidad de disponer de textos completos en formato digital con la finalidad de apoyar los procesos de investigación, docencia y extensión de la Universidad.
Por medio del presente documento dejo sentada mi voluntad de participar en este proyecto, para lo cual pongo a disposición la siguiente información.
DATOS DE CONTACTO
CÉDULA DE IDENTIDAD 100274183-1
APELLIDOS Y NOMBRES CASTILLO IMBAQUINGO DIEGO XAVIER
DIRECCIÓN Av. Jaime Roldós 12-123 y José Miguel Vaca Flores
EMAIL [email protected]
TELEFONO MOVIL 093 070 928
DATOS DE LA OBRA
TITULO DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN
SISTEMA DE ALARMA COMUNITARIA A
BASE DE MÓDULOS INALÁMBRICOS
UTILIZANDO TECNOLOGÍA ZIG-BEE
AUTOR CASTILLO IMBAQUINGO DIEGO XAVIER
FECHA Marzo del 2012
PROGRAMA PREGRADO
TITULO POR EL QUE OPTA INGENIERIA EN ELECTRÓNICA Y REDES DE COMUNICACIÓN
II
2.- AUTORIZACIÓN DE USO A FAVOR DE LA UNIVERSIDAD
Yo, Diego Xavier Castillo Imbaquingo, con cedula de identidad Nro. 1002741831, en calidad de autor y titular de los derechos patrimoniales de la obra o trabajo de grado descrito anteriormente, hago entrega del ejemplar respectivo en forma digital y autorizo a la Universidad Técnica Del Norte, la publicación de la obra en el Repositorio Digital Institucional y uso del archivo digital en la biblioteca de la Universidad con fines académicos. Para ampliar la disponibilidad del material y como apoyo a la educación, investigación y extensión en concordancia con La Ley De Educación Superior Artículo 143.
UNIVERSIDAD TECNICA DEL NORTE
CESION DE DERECHO DE AUTOR DEL TRABAJO
DE GRADO A FAVOR DE LA UNIVERSIDAD
TÉCNICA DEL NORTE
Yo, Diego Xavier Castillo Imbaquingo, con cedula de identidad Nro. 100274183-1,
manifiesto mi voluntad de ceder a la Universidad Técnica Del Norte los derechos
patrimoniales consagrados en la Ley de Propiedad Intelectual del Ecuador, artículos 4, 5 y 6 en calidad de autor del trabajo de grado denominado: “DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA DE ALARMA COMUNITARIA A BASE DE MÓDULOS INALÁMBRICOS UTILIZANDO TECNOLOGÍA ZIG-BEE”, que ha sido desarrollado para optar por el titulo de: Ingeniería en Electrónica y Redes de
Comunicación quedando la Universidad Técnica Del Norte facultada para ejercer
plenamente los derechos cedidos anteriormente.
En mi condición de autor reservo los derechos morales de la obra antes citada.
En concordancia suscribo este documento en el momento en el que hago la entrega del
trabajo final en formato impreso y digital a la biblioteca de la Universidad Técnica Del
Norte.
Firma:______________________
Nombre: Diego Xavier Castillo Imbaquingo Cedula: 100274183-1
Ibarra, Marzo del 2012
IV
DECLARACIÓN
Yo , Die go Xa vie r Ca stillo Im b a qu in g o , co n ce d u la d e id e n tid a d Nro . 1 0 0 2 7 4 1 8 3 -1, d e cla ro b a jo ju ra m e n to qu e e l tra b a jo a qu í d e scrito e s d e m i a u to ría , y qu e e ste n o h a sid o p re via m e n te p re se n ta d o p a ra n in gú n gra d o o ca lif ica ció n p ro f e sio n a l.
A tra vé s d e la p re se n te d e cla ra ció n ce d o m is d e re ch o s d e p ro p ie d a d in te le ctu a l co rre sp o n d ie n te s a e ste trab a jo , a la Un i ve rs id a d T é cn ica d e l No rte , se gú n lo e sta b le cid o p o r la s L e ye s d e P ro p ie d a d In te le ctu a l y n o rm a ti va vi ge n te d e la Un i ve rsid a d T é cn ica d e l No rte .
Die go Xa vie r Ca sti llo Im b a qu in go C:I:1 0 0 2 7 4 1 83 -1
CERTIFICACIÓN
Un a ve z re visa d o e l p ro ye cto “DIS E ÑO E IMP LE ME NT ACIÓ N DE
UN S IS TE M A DE AL AR M A CO MUNI T ARI A A B AS E D E MÓDULOS IN AL ÁM B RICOS UTILIZ AN DO TE C NOLOGÍ A ZIG- BE E ”, re a li za d o
p o r e l se ñ o r e st u d ia n te Die go Xa vie r Ca st illo Im b a qu in go , co n ce d u la d e id e n tid a d Nro . 1 0 0 2 7 4 1 8 3 -1 , ce rtif ico qu e e l m e n cio n ado p ro ye cto f u e re a liza d o e n su tota lid a d p o r e l se ñ o r Die go Ca stillo .
ING. E d iso n Já co me DIRECTOR DE TESIS
VI
AGRADECIMIENTOS
A m is p a d re s, p o r qu e g ra cia s a su c a riñ o , a p o yo y co n f ia n za h e lle ga d o a re a l i za r d o s d e m is m á s gra n d e s m e ta s e n la vid a . L a cu lm in a ció n d e m i ca rre ra p ro f e sio n a l y e l h a ce r le s se n ti r o r gu llo so s d e e sta p e rso n a que ta n to lo s a ma .
A m is m a e stro s, co m p a ñ e ro s, am igo s y a qu ie n e s ja m á s e n co n tra ré la fo rma d e a gra d e ce r e l ca riñ o , co m p re n sió n y a p o yo b rin d a d o e n lo s mo m e n to s b u e no s y m a lo s d e m i vid a , h a go e ste triu n f o co mp a rtid o , só lo e sp e ra n d o qu e co m p re n da n qu e m is id e a le s y e sf u e rzo s so n in sp ira d o s e n ca d a un o d e u ste de s.
DEDICATORIA
Cu a n d o m ira mo s h a cia e l f utu ro , ve m o s n u m e ro sas in ce rtid u m b re s so b re lo qu e se rá el m u n d o d e nu e stro s h ijo s, d e n u e stro s n ie to s y d e lo s h ijo s d e n u e stro s n ie to s. P e ro a l m e n o s, d e a lgo p o d e m o s e sta r se gu ro s: si qu e re m o s qu e la T i e rra p u e d a sa tisf a ce r la s n e c e sid a d e s d e lo s s e re s h u m a n o s qu e la h a b ita n , e n to n ce s la so cie d a d h um a n a d e b erá tra n sf o rm a rse , y e d u ca rse . P o r lo cu a l d e d ic o e ste tra b a jo a l a s p e rso n a s qu e m e d ia n te su e sf ue rzo d e se a n ca m b ia r n u e stra so cie d a d , f o rm án d o se como p ro f e sio n a le s cap ace s d e cre a r u n f utu ro m e jo r p a ra la s sigu ie n te s ge n e ra cio n e s.
VIII
RESUMEN
E l p re se n te tra b a jo co n siste e n e l d is e ñ o e im p le m e n ta ció n d e u n siste m a d e a le rta co m u n ita rio in a lá m brico e n tre lo ca le s c o m e rcia le s, vi vie n d a s, d e p a rta m e n to s, e tc. E ste siste m a e sta com p u e sto p o r va r io s d isp o sit i vo s e le ctró n ico s qu e p e rm ite n co m u n ica ció n in a lá m b rica b a jo l a te cn o lo g ía Zi gb e e , lo s cu a le s d a n a vi so d e u n e ve n to (a sa lto , ro b o , e m e rge n cia , e tc.) m e d ia n te e l a ccio n a m ie n to d e se n so re s co n e cta d o s a l m ism o , e id e n tif ica n d o e l lu g a r d o n d e se o rig in o la a le rta .
E l d o cu m e n to in icia co n u n a re visió n d e l e stá n d a r Zi g b e e e n la e sp e cif ica ció n IEE E 8 0 2 .15 .4 , p a ra lu e go p a sa r a l d ise ñ o d e l siste m a re a li za n d o u n a d e scrip ció n d e lo s m ó d u lo s qu e f o rma n p a rte d e l S iste m a d e Ala rm a Co m u n ita ria y se ñ a la n d o e l p ro ce so d e se le cció n d e h a rdwa re y la co n stru c ció n d e l sof twa re , co m o tam b ién lo s d ia gra m a s d e co n e xió n d e ca d a d isp o siti vo y lo s d ia gra m a s d e f lu jo d e l p ro gra m a f u en te .
E n la te rce ra p a r te d e l d o cu m e n to se m u e stra la s d if e re n tes p ru e b a s d e h a rd wa re y so f twa re a l a s qu e f u e so me tid o e l siste m a d e a la rm a com un ita ria , co n la f in a lid a d d e co m p ro b a r e l f u n cio na m ie n to p a ra e l qu e f u e d ise ñ ad o .
Un a ve z im p le m e n ta d o e l siste m a y re a l i za d o p r u e b a s d e f u n cio na m ie n to se p ro ce d e a re a li za r u n p re su p u e sto e co n ó m ico d e im p le m e n ta ció n com o tam b ié n u n p la n d e co n tin ge n cia a ef e ctu a rse f re n te a la p re se n cia d e a le rta s.
Y f in a lm e n te co n to d a la in f o rm a ció n re co gid a e n e l d e s a rro llo d e l siste m a se p ro ce de a e sta b le ce r la s co n clu sio n e s re sp e ctiva s y a p ro p o n e r m e jo ra s e n e l d ise ñ o d e l siste m a y m a n e jo d el m ism o .
ABSTRACT
T h e p re se n t te xt co n sists o n th e d e sign a n d im p le m e n ta tio n of a S yste m o f Co mmu n ity A la rm wire l e ss a m on g lo ca l co mm e rcia l, h o u sin gs, d e p a rtme n ts, e tc. T h is syste m is com p o u nd f o r se ve ra l e le ctro n ic d e vice s th a t a llo w wire l e ss co m m u n ica tion u n d e r the te ch n o lo gy Zi gb e e , wh ich gi ve w a rn in g o f a n e ve n t (a ssa u lt, ro b b e ry, e m e rge n c y, e tc.) b y m e a n s o f th e wo rkin g o f con n e cted se n so rs to th e sam e on e , an d id en tif yin g th e p la ce wh e re o rigin a te s th e a le rt.
T h e d o cum e n t b e gin s with a re visio n o f th e sta n d a rd Zigb e e in th e sp e cif ica tio n IE E E 8 0 2 .1 5 .4 , af ter it, i s th e d e sign o f the syste m ca rr yin g o u t a d e scrip tio n o f th e m odu le s th a t a re pa rt o f th e S yste m o f Co mm u n ity A la rm a n d p o in tin g o u t th e p ro ce ss o f h a rd wa re se le ctio n a n d th e co n stru ctio n o f th e so f twa re , a s we ll a s th e d ia gra m s o f co n nectio n o f e a ch de vi ce a n d the d ia gra m s of f lo w o f th e p ro gra m so u rce .
In th e th ird p a rt o f th e d o cu m en t it is sh o wn th e h a rd wa re 's te sts a n d sof twa re 's te s ts th a t it wa s su b je cte d th e syste m o f co mm u n ity a la rm , with th e pu rp o se of che ckin g th e o p e ra tio n f or wh ich wa s d e sign e d .
On ce im p le m e n ted th e syste m a n d o p e ra tio n 's te sts, wa s p ro ce e d s to ca rry o u t a n e co n om ic bu d ge t o f im p le me n ta tio n a s we ll a s a co n tin ge n cy p la n to b e ma d e in p re se n ce of a a le rt.
A n d f in a lly with a ll th e in f o rm a tio n p icke d u p in th e d e ve lo p m e nt o f th e syste m , p ro ce e d s to e sta b lish th e re sp e ctive co n clu sio n s a n d to p ro p o se im p ro ve m e n ts in th e d e sign o f the syste m a n d h a nd lin g o f th e sa me o n e .
X
PRESENTACIÓN
A ctu a lm e n te lo s o rga n ism o s d e se gu rid a d , q u e tie n en co m p e te n cia y/o ju risd ic ció n e n la ciu d a d d e Ib a rra , n o cu e n ta n co n lo s m e d io s n e ce sa rio s p a ra re a li za r lo s co n tro le s su f icie n te s, e n to d o s lo s se cto re s d e la co m u n id ad ib a rre ñ a , lo qu e h a ce n e ce sa ria la co la b o ra ció n d e la co m u n id a d , f re n te a p o sib le p re se n cia d e d e lin cu e n te s e n las zo n a s d o n d e e xis te u n b a jo re sp a ldo p o licia l.
No se p u e d e d e sco n o ce r qu e la co m u n id a d , son lo s vig ila n te s co n sta n te s y co la b o ra d o re s in m e d iato s d e lo s e n te s d e co n tro l, y qu e a l i gu a l qu e lo s a n te rio re s ta m b ié n re qu ie re n d e m e ca n ism o s y h e rra m ie n ta s d e ap o yo qu e f o rta le zc a la se gu rid a d e n lo s d if e re n te s b a rrio s y co m u n a s qu e se e n cu e n tra n a zo ta d o s p o r la in se gu r id a d ya n o so lo e n la s c a lle s si n o ta m b ié n d e n tro d e su s vi vi e n d a s.
Fre n te a e sta n e c e sid a d se p la n te a e l d e sa rro l la r u n s iste m a d e a la rm a co m u n ita ria e l cu a l p e rm ita f om e n ta r la p a rticip a ció n ciu d a d a n a y b rin d a r u n a p o yo a la P o lic ía Na cio n a l p a ra te n e r u n m e jo r co n tro l d e se gu rid a d .
ÍNDICE DE CONTENIDOS
DECLARACIÓN ... IV DIRECTOR DE TESIS ... V AGRADECIMIENTOS ... VI RESUMEN ... VIII ABSTRACT ... IX PRESENTACIÓN ... X ÍNDICE DE CONTENIDOS ... XI ÍNDICE DE FIGURAS ... XIV ÍNDICE DE TABLAS ... XVI
CAPITULO I ... 1
1 ZIGBEE Y EL ESTÁNDAR 802.15.4. ... 1
1.1 INTRODUCCIÓNALATECNOLOGIAZIGBEE ... 2
1.2 DESCRIPCIÓNDELPROTOCOLOZIGBEE ... 4
1.2.1 CARACTERÍSTICAS GENERALES ... 4
1.2.2 TIPOS DE DISPOSITIVOS ... 5
1.2.3 TOPOLOGÍAS DE RED EN EL ESTÁNDAR ZIGBEE ... 6
1.2.3.1 Topología Estrella. ... 6
1.2.3.2 Topología Árbol (Cluster Tree). ... 7
1.2.3.3 Topología Malla (Mesh Network). ... 8
1.2.4 TIPOS DE TRÁFICO SOPORTADO ... 9
1.2.4.1 Tráfico Periódico. ... 9
1.2.4.2 Tráfico Intermitente... 9
1.2.4.3 Tráfico Repetitivo Con Baja Latencia. ... 10
1.2.5 ARQUITECTURA ... 10
1.2.5.1 Capa Física ... 11
1.2.5.2 Capa de Control de Acceso al Medio ... 13
1.2.5.3 Capa Red ... 15 1.2.5.4 Capa Aplicación ... 15 1.2.6 EMPAQUETAMIENTO Y DIRECCIONAMIENTO ... 17 1.2.6.1 PDU PHY ... 17 1.2.6.2 Trama MAC ... 17 1.2.6.3 PDU NWK. ... 20 1.2.6.4 PDU APS. ... 21
1.2.6.5 Mensajes AF (Entorno de aplicación) ... 21
1.2.7 FORMACIÓN DE LA RED ... 22
1.2.8 MODELO DE TRANSFERENCIA DE TRAMAS ... 24
1.2.8.1 Transferencia de datos hacia el coordinador ... 25
1.2.8.2 Transferencia de datos desde el coordinador ... 25
1.2.8.3 Transferencia de datos de igual a igual ... 26
1.3 ZIGBEEFRENTEAOTRASTEGNOLOGIASWPAN ... 26
1.3.1 ZIGBEE VS BLUETOOTH ... 26
XII
1.4 APLICACIONES. ... 28
CAPITULO II ... 29
2 DISEÑO E IMPLEMENTACION DEL SISTEMA DE ALARMA COMUNITARIA ... 29
2.1 DISEÑODEHARDWARE ... 30
2.1.1 ESQUEMA GENERAL DEL SISTEMA DE ALARMA COMUNITARIA ... 30
2.1.2 COMPONENTES DEL SCA - XBEE ... 31
2.1.2.1 Micro controlador ... 32
2.1.2.2 Módulo XBEE ... 34
2.1.2.3 Empaquetamiento serial a RF por el modulo XBEE. ... 36
2.1.2.4 Display LCD. ... 37
2.1.2.5 Teclado ... 39
2.1.2.6 Fuente de alimentación ... 39
2.1.2.7 Sensores ... 40
2.1.3 DIAGRAMAS CIRCUITALES DEL SCA-XBEE ... 43
2.1.3.1 Conexión Módulo Xbee a PIC 16f887 ... 43
2.1.3.2 Conexión LCD 16x2 a PIC 16F887 ... 44
2.1.3.3 Conexión de Teclado Matricial 4 x 4 a PIC 16f887 ... 45
2.1.3.4 Conexión de reguladores de voltaje... 46
2.1.3.5 Circuito para carga de batería de respaldo. ... 46
2.1.3.6 Conexión de terminales del sistema de alarma. ... 48
2.1.3.7 Diseño de Tarjeta Madre ... 49
2.2 DISEÑODESOFTWARE ... 50
2.2.1 DISEÑO DEL PROGRAMA FUENTE DEL MICROCONTROLADOR ... 50
2.2.1.1 Lenguaje de programación ... 50
2.2.1.2 Compilador y Depurador ... 51
2.2.1.3 Descripción del código fuente del microcontrolador ... 52
2.2.2 PROGRAMACIÓN DEL MÓDULO XBEE ... 68
2.2.2.1 Software X-CTU ... 68
2.2.2.2 Comandos AT para la configuración de módulos Xbee ... 70
2.2.2.3 Configuración del módulo Xbee ... 75
CAPITULO III ... 78
3 DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN (PRUEBAS DE OPERACIÓN) ... 78
3.1 PRUEBASDEHARDWARE ... 79
3.1.1 PRUEBAS DE VOLTAJE APLICADO A LOS DISPOSITIVOS ... 79
3.1.2 PRUEBA DE CONSUMO DE ENERGÍA ... 80
3.1.3 PRUEBA DE ALCANCE ... 81
3.1.3.1 Primer caso (Zonas de construcciones altas) ... 83
3.1.3.2 Segundo caso (Zonas semi-despejadas) ... 83
3.2 PRUEBASDESOFTWARE ... 84
3.2.1 PRUEBA DE RETENCIÓN DE DATOS EN MEMORIA EEPROM... 84
3.2.2 PRUEBA DE RECEPCION Y TRASMISIÓN DE DATOS ... 86
CAPITULO IV ... 90
4 COSTOS DE DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA DE ALARMA COMUNITARIA CON TEGNOLOGIA ZIGBEE ... 90
4.1 CALCULODELCOSTODECONSTRUCCIÓNDEUNDISPOSITIVOSCA-XBEE. ... 91
4.2 SISTEMASCA-XBEEFRENTEALSISTEMAGSM. ... 93
4.2.1 DISEÑO ... 93
4.2.2 COSTOS DE IMPLEMENTACIÓN Y OPERACIÓN. ... 94
4.2.2.2 Costos de Operación. ... 95 4.3 PLANDECONTINGENCIA ... 96 4.3.1 ORGANIZACIÓN ... 97 4.3.2 PROCEDIMIENTO ... 97 CAPITULO V ... 99 5 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ... 99 5.1 C O N C L U S I O N E S ... 100 5.2 R E C O M E N D A C I O N E S ... 102 BIBLIOGRAFÍA ... 104 ANEXOS ... 106
XIV
ÍNDICE DE FIGURAS
FIGURA 1-1.- CAPAS DE ARQUITECTURA ZIGBEE. ... 3
FIGURA 1-2.- TOPOLOGÍA ESTRELLA. ... 7
FIGURA 1-3.- TOPOLOGÍA ÁRBOL ... 8
FIGURA 1-4.- TOPOLOGÍA MESH ... 9
FIGURA 1-5.- ARQUITECTURA EN CAPAS ZIGBEE. ... 11
FIGURA 1-6.- CANAL DE TRANSMISIÓN DE LA BANDA DE 868.3MHZ PARA 802.15.4 ... 11
FIGURA 1-7.- CANALES DE TRANSMISIÓN DE LA BANDA DE 915MHZ PARA 802.15.4. ... 12
FIGURA 1-8.- CANALES DE TRANSMISIÓN DE LA BANDA DE 2,4GHZ PARA 802.15.4. ... 12
FIGURA 1-9.- MENSAJE ZIGBEE CON CABECERA DE CAPA FÍSICA. ... 17
FIGURA 1-10.- ESTRUCTURA DEL MENSAJE PDUPHY ... 17
FIGURA 1-11.- ESTRUCTURA DE LA TRAMA DE MAC DE DATOS. ... 18
FIGURA 1-12.- ESTRUCTURA TRAMA MAC DE ACK. ... 18
FIGURA 1-13.- ESTRUCTURA TRAMA MAC DE COMANDOS. ... 19
FIGURA 1-14.- ESTRUCTURA TRAMA BALIZA. ... 19
FIGURA 1-15.- ESTRUCTURA DE SUPERTRAMA. ... 20
FIGURA 1-16.- ESTRUCTURA MENSAJE PDU CAPA DE RED. ... 21
FIGURA 1-17.- ESTRUCTURA MENSAJE PDU DE SUB-CAPA SOPORTE DE APLICACIÓN. ... 21
FIGURA 1-18.- ESTRUCTURA MENSAJE KVP DE LA CAPA ENTORNO DE APLICACIÓN. ... 22
FIGURA 1-19.- ESTRUCTURA MENSAJE MSG DE LA CAPA ENTORNO DE APLICACIÓN. ... 22
FIGURA 1-20.- FORMACIÓN DE UNA NUEVA RED. ... 23
FIGURA 2-1- ESQUEMA GENERAL DEL SISTEMA DE ALARMA COMUNITARIA. ... 31
FIGURA 2-2.- DIAGRAMA DE BLOQUES DEL SCA-XBEE... 31
FIGURA 2-3.- DISTRIBUCIÓN DE PINES DEL PIC16F887. ... 33
FIGURA 2-4.- MÓDULOS XBEE (IZQUIERDA) Y XBEE PRO (DERECHA). ... 34
FIGURA 2-5.- PATRÓN DE RADIACIÓN DEL XBEE-PRO CON ANTENA WHIP. ... 35
FIGURA 2-6 TRAMA DE DATOS PARA LA COMUNICACIÓN SERIAL ... 37
FIGURA 2-7.- DISTRIBUCIÓN DE PINES DEL DISPLAY LCD DE 16 CARACTERES POR DOS LÍNEAS. ... 38
FIGURA 2-8- TECLADO MATRICIAL DE 4 FILAS Y 4 COLUMNAS. ... 39
FIGURA 2-9.- EMPAQUETADO TO92, COMÚN PARA REGULADOR DE VOLTAJE DE LA FAMILIA LM78XX. .... 40
FIGURA 2-10.- DETECTOR DE MOVIMIENTO. ... 41
FIGURA 2-11.- DIAGRAMA DE BLOQUES DEL DETECTOR DE MOVIMIENTO PARADOX ... 41
FIGURA 2-12.- CONTACTOS MAGNÉTICOS. ... 42
FIGURA 2-13.- BOTÓN DE PÁNICO CONECTADO A LOS TERMINALES DEL SCA-XBEE. ... 43
FIGURA 2-14.- DIAGRAMA DE CONEXIÓN MÓDULO XBEE A PIC16F887. ... 44
FIGURA 2-15.- DIAGRAMA DE CONEXIÓN LCD16X2 AL PIC16F887 ... 45
FIGURA 2-16.- DIAGRAMA DE CONEXIÓN DEL TECLADO MATRICIAL 4 X 4 AL PIC16F887... 45
FIGURA 2-17.- DIAGRAMA DE CONEXIÓN DE LOS REGULADORES DE VOLTAJE LM7812,LM7805 Y LM317 .. 46
FIGURA 2-18.- DIAGRAMA DE CARGADOR DE BATERÍA DE RESPALDO. ... 47
FIGURA 2-19.- DIAGRAMA DE CONEXIÓN DEL PIC LOS TERMINALES. ... 48
FIGURA 2-20.- DISEÑO PLACA MADRE DEL SCA-XBEE, VISTA CON DISPOSITIVOS Y ELEMENTOS ELECTRÓNICOS. ... 49
FIGURA 2-21.- DISEÑO PLACA MADRE DEL SCA-XBEE, RUTEO DE PISTAS. ... 49
FIGURA 2-22.- DIAGRAMA DE FLUJO DEL PROGRAMA PRINCIPAL DEL MICRO CONTROLADOR. ... 53
FIGURA 2-23.-DIAGRAMA DE FLUJO DEL SUBPROGRAMA PÁNICO(). ... 54
FIGURA 2-24.- DIAGRAMA DE FLUJO DEL SUBPROGRAMA EMERGENCIA(). ... 55
FIGURA 2-25.- DIAGRAMA DE FLUJO DEL SUBPROGRAMA MSJVECINO()... 56
FIGURA 2-26.- DIAGRAMA DE FLUJO DEL SUBPROGRAMA ACTIVAR(). ... 57
FIGURA 2-28.- DIAGRAMA DE FLUJO DEL SUBPROGRAMA CONFIGURAR(). ... 59
FIGURA 2-29.- DIAGRAMA DE FLUJO DEL SUBPROGRAMA FAMILIA() ... 60
FIGURA 2-30.- DIAGRAMA DE FLUJO DEL SUBPROGRAMA DIRECCIÓN() ... 61
FIGURA 2-31.- DIAGRAMA DE FLUJO DEL SUBPROGRAMA CLAVEDEACCESO() ... 62
FIGURA 2-32.- DIAGRAMA DE FLUJO SUBPROGRAMA TERMINALES () ... 63
FIGURA 2-33.- DIAGRAMA DE FLUJO SUBPROGRAMA VALIDAKEY(). ... 64
FIGURA 2-34.- DIAGRAMA DE FLUJO DEL SUBPROGRAMA LEECLAVE(). ... 65
FIGURA 2-35.- DIAGRAMA DE FLUJO DEL SUBPROGRAMA SETEAR(). ... 65
FIGURA 2-36.- DIAGRAMA DE FLUJO DEL SUBPROGRAMA TECLA(). ... 66
FIGURA 2-37.- DIAGRAMA DE FLUJO DEL SUBPROGRAMA LEELETRA(). ... 67
FIGURA 2-38.- DIAGRAMA DE FLUJO DEL SUBPROGRAMA LEENUMERO(). ... 67
FIGURA 2-39.- DIAGRAMAS DE FLUJO DE LOS SUBPROGRAMAS BEEPOK() Y BEEPBAD(). ... 68
FIGURA 2-40.- DIAGRAMA DE CONEXIÓN DE UN MÓDULO XBEE AL PUERTO SERIAL DE UN PC ... 70
FIGURA 2-41.- CONFIGURACIÓN DE DOS MÓDULOS XBEE PARA UNA RED BROADCAST. ... 77
FIGURA 3-1.-PRUEBA DE ALCANCE CON X-CTU. ... 82
FIGURA 3-2.- NOMBRE DE FAMILIA CONFIGURADA. ... 85
FIGURA 3-3.- DIRECCIÓN CONFIGURADA ... 85
FIGURA 3-4.- CLAVE CONFIGURADA ... 86
XVI
ÍNDICE DE TABLAS
TABLA 2-1.- DESCRIPCIÓN DE PINES REQUERIDOS POR MICROCONTROLADOR ... 32
TABLA 2-2.- CARACTERÍSTICAS GENERALES DEL PIC16F887 ... 33
TABLA 2-3.- CARACTERÍSTICAS GENERALES MÓDULOS XBEE ... 36
TABLA 2-4.- DESCRIPCIÓN DE PINES DEL DISPLAY LCD DE 16 CARACTERES POR DOS LÍNEAS ... 38
TABLA 2-5.- RESUMEN DE COMANDOS AT MÁS USADOS. ... 75
TABLA 2-6.- CANALES DE FRECUENCIA Y SU RESPECTIVA FRECUENCIA CENTRAL EN GHZ. ... 77
TABLA 3-1.- TABLA DE VOLTAJES MEDIDOS EN 1SCA-XBEE,(ERROR DE ±8%) ... 79
TABLA 3-2.- DURACIÓN DE BATERÍA MEDIDA EN UN MÓDULO ALARMA. ... 81
TABLA 3-3.- TABLA DE RESULTADOS DE PRUEBA DE ALCANCE EN ZONAS DE CONSTRUCCIONES ALTAS .... 83
TABLA 3-4.- TABLA DE RESULTADOS DE PRUEBA DE ALCANCE EN ZONAS DE CONSTRUCCIONES BAJAS .... 84
TABLA 3-5.- DATOS CONFIGURADOS EN UN SCA-XBEE(PRUEBAS DE OPERACIÓN) ... 85
TABLA 3-6.- CONFIGURACIÓN DE PARÁMETROS EN LOS SCA-XBEE. ... 86
TABLA 3-7.- TABLA DE RESULTADOS DE PRUEBA DE RECEPCIÓN Y TRANSMISIÓN DE DATOS ... 88
TABLA 4-1.- COSTOS DE CONSTRUCCIÓN DE UN DISPOSITIVO SCA-XBEE ... 92
TABLA 4-2.- COSTO TOTAL DE IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA SCA-XBEE ... 93
TABLA 4-3.-COSTOS DE IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA GSM ... 94
TABLA 4-4.-COMPARACIÓN DE COSTOS DE IMPLEMENTACIÓN ENTRE GSM Y SCA-XBEE ... 95
TABLA 4-5.-COSTOS DE OPERACIÓN DE CUATRO USUARIOS CON SISTEMA GSM EN UN AÑO ... 95
CAPITULO I
CAPITULO I : COMUNICACIÓN INALAMBRICA Y ZIGBEE 2
E n la a ctu a lid a d e xi ste u n gra n co n ju n to d e e stán d a re s de te cn o lo gía s in a lá m b rica s d e d ica d os a tra n sf e rir d a to s p a ra a p lica cio n e s d e vo z, vid e o , re d e s L A N, P A N1, W AN, e tc. No o b sta n te , h a sta hace p o co s a ñ o s n o e xi stía u n e stá n d a r in a lá m b rico d e d ica d o a se n so re s y d isp o siti vo s d e co n tro l, lo s cu a le s n o re qu ie re n d e u n gra n a n ch o d e b a n d a p e ro n e ce sita n u n a b a ja la te n cia , b a jo co nsu m o d e e n e rgía , gra n e sca la b il id a d y re d u cc ió n e n lo s ga sto s d e in sta la ció n .
Ho y p o r h o y, e xi ste n so lu cio n e s cre a d a s p o r d if e re n te s f a b rica n te s pa ra cu m p lir co n e sto s re qu e rim ie n to s, p e ro d e b id o a la f a lta d e u n e stá nd a r a b ie rto , se ha p ro vo ca d o u n p ro b le m a de in te ro p e ra b ilid a d e n tre e lla s.
Fu e co n e ste f in qu e e n e l a ñ o 2 0 0 0 d o s g ru p o s e sp e cia lista s e n e stá n d a re s (Zi gb e e y e l g ru p o 1 5 d e tra b a jo IE E E 8 02 ) se u n ie ro n p a ra d a r a co n o cer la n e ce sid a d d e u n n u e vo e stá n d a r p a ra re d e s in a lá m b rica s d e b ajo p o d e r y p o r lo ta n to ba jo s co sto s e n am b ie n tes in d u stria le s y ca se ro s. Da n d o co m o re su lta d o qu e e n d icie m b re de e se a ñ o e l co mité p a ra n u e vo s e stá n d a re s IE EE (Ne sCo m ) d e sign a rá o f icia lm e n te un n ue vo gru p o d e tra b a jo pa ra e l d e sa rro llo d e u n n ue vo e stá n d a r d e b a ja tra nsm isió n e n re d e s in a lá m b rica s p a ra á re a s p e rso n a le s (L R -W P A N), co n lo qu e n a ció e l e stá n d a r qu e a h o ra se co n o ce co m o e l 8 02 .1 5 .4 .
1.1
INTRODUCCIÓN A LA TECNOLOGIA ZIGBEE
L a “Zi gb e e A llia n ce ” n a ce co m o un a a lia n za te cn o l ó gica , sin f in e s d e lu cro , co n f o rma d a p o r m á s de 1 0 0 e m p re sa s, la m a yo r ía d e e lla s f a b rica n te s de se m ico n d u cto re s, co n e l o b je to d e a u sp icia r e l
1
d e sa rro llo e im p le m e n ta ció n d e un a te cn o lo gía in a lá m b rica d e á re a p e rso n a l a b a jo costo .
E m p re sa s co m o In ve n s ys, Mitsu b i sh i, Ho n e ywe l l, P h ilip s y Mo to ro la tra b a ja n p a ra cre a r u n siste m a e stá n d a r d e co m u n ica cio n e s, vía ra d io y b id ire ccio n a l, p a ra u sa rlo co n d isp o siti vo s d e co n tro l o m o n ito re o . L a a lia n za ju stif ica e l d e sa rro llo d e l e stá n d a r p a ra cu b rir e l va c ío q u e se p ro d u ce por d e b a jo d e B lu e to o th .
A l i gu a l qu e B lu e to o th , e l o rige n d e l n o m b re Zigb e e e s o scu ro y p e cu lia r. L a id e a vin o d e u n a co lm e n a d e a b e jas p u lu la n d o a lre d e d o r d e su p an a l y co m u n icá n d o se e n tre e lla s.
Zigb e e A l lia n ce re cu rrió e l e stá n d a r IE E E 8 0 2 .1 5 .4 com o b a se p a ra d e sa rro lla r la s ca p a s in f e rio re s d e l p ro to co lo Zi gb e e , p e rm itie n d o u tili za r u n a to p o lo gía d e re d ta n va ri a d a co m o e l n ú m e ro d e a p lica cio n e s qu e p u e d e n lle ga r a se r i m a gin a d a s e in clu ye ca ra cte r ística s d e se gu rid a d m e d ia n te a lgo r itm o s e m p o tra d o s.
Figura 1-1.- Capas de Arquitectura Zigbee.2
2
http://www.cse.yorku.ca/~dusan/Zigbee-Standard-Talk.pdf
CAPA DE RED , NWK
Capa de Control de Acceso al Medio.MAC CAPA FISICA, PHY
ENTORNO DE LA CAPA APLICACIÓN
Subcapa de Soporte de Aplicación, Aps OBJETOS DE APLICACION
CAPITULO I : COMUNICACIÓN INALAMBRICA Y ZIGBEE 4
1.2
DESCRIPCIÓN DEL PROTOCOLO ZIGBEE
1.2.1 CARACTERÍSTICAS GENERALES
E l e stá n d a r IE E E so lo co n te mp la la s ca p a s f ísica (P HY, P h ysi ca l L a ye r) y d e a cce so a l m e d io (MA C, Me d iu m A cce ss Co n tro l), e n la s m o d a lid a d e s CS MA /CA3 (Ca r rie r S e n se Mu ltip le A cce ss with Co lli si o n A vo id a n ce ) y D S S S (Dire ct S e qu e n ce S p re ad S p e ctru m )4, m ie n tra s qu e la s ca p a s su p e rio re s d e re d y se gu rid a d h a n sid o e sta b le cid a s p o r la A lia n za Zigb e e ; f in a lm en te la ca p a a p lica ció n co rre a ca rgo d e ca d a f ab rica n te . L a n o rma , b a sa d a e n u n p ro to co lo d e gra n se n cille z, p ro ve e u n a lto re n d i m ie n to e n la tra n sm isió n d e pa qu e te s p o r ra d io y u n a a lta inm u n id a d en a m b ie n te s co n una b a ja re la ció n se ñ a l/ru id o (S /N), p o r lo qu e lo s d isp o siti vo s Zi gb e e so n má s ro b u stos f re n te a in te rf e ren cia s qu e lo s qu e si gu e n lo s e stá n d a re s B lu e to o th o W i-Fi. A sí, e n e n to rn o s d e RF (Ra d io Fre cu e n cia ) a gre s i vo s, co m o e s la m u y sa tu ra d a b a nd a de 2 ,4 GHz, Z igb e e s e co m p o rta m u ch o m e jo r. Co n ve lo c id a d e s d e 2 0 , 40 y 2 5 0 K b p s y u n a lca n ce e n el ra n go d e 1 0 a 75 m , Zigb e e p u e d e fu n cio n a r e n la s b an d a s IS M de 2 ,4 0 5 -2 ,4 8 0 GHz (1 6 ca n a le s), 9 0 2 - 9 2 8 MHz (1 0 ca n a le s) y 8 6 8 MH z (1 ca n a l), a u n qu e la m a yo r ía d e f a b rica n te s op ta n p o r la p rim e ra , ya qu e p u e d e se r u sa d a e n to d o e l m u n d o , m ie n tra s qu e la s d o s ú ltim a s só lo se a p lica n e n E sta d o s Un id o s y E u ro p a , re sp e cti va m e n te .
E n re su m en , e l pro to co lo Zigb e e IE E E 8 0 2.1 5 .4 of re ce la s sigu ie n te s ca ra cte r ísti ca s:
3
CSMA/CA.- Es una técnica de acceso al medio sin detección de portadora.
• E stá n d a r p a ra co mu n ica ció n d e d a to s a co rto a lca n ce . • B a sa d o e n la e sp ecif ica ció n IE E E 8 02 .1 5 .4 p a ra re d e s d e
á re a p e rso n a l.
• A h o rro e n e l co n sum o y a d m in istra ció n d e e n e rgía .
• B a jo co sto d e lo s d isp o sit i vo s, in sta la ció n y m a n te n im ie n to d e la re d .
• Util i za b a n d a s ISM d e 2 ,4 GHz, 8 6 8 MH z (E u ro p a ) y 9 15 MH z (E E UU).
• Util i za la te cn o lo g ía S e cu e n cia Dire cta d e E sp e ctro E n sa n ch a d o (DS SS ).
• A lca n ce d e h a sta 75 m e tro s. • V e lo cid a d 2 0 a 2 50 kb p s. • T o p o lo gía Ma e stro /E scla vo .
• Ha sta 6 5 ,5 3 6 no d os p o r re d , 2 5 5 p o r su b re d . • Co n tro l d e a cce so a l m e d io CS MA -CA .
• In co rp o ra a lgo ritm o s d e se gu r id a d : d e e n crip ta ció n y d e co n tro l d e a cce so .
1.2.2 TIPOS DE DISPOSITIVOS
E l e stá n d a r IE E E 80 2 .1 5 .4 def in e d o s tip o s d e d isp o siti vo s:
• Disp o siti vo co n f u ncio n e s co m p le ta s (FFD) • Disp o siti vo co n f u ncio n e s re d u cid a s ( RFD )
Mie n tra s qu e la Zi gb e e A llia n ce h a cla sif ica d o lo s d isp o siti vo s e n tre s tip o s:
• Coordina dor: R e sp o n sa b le d e la a so cia ció n y d e sa so cia ció n d e d isp o siti vo s e n u n a re d P A N. E s e l m á s so f istica d o d e lo s d isp o siti vo s d e b i d o a qu e se re qu ie re
CAPITULO I : COMUNICACIÓN INALAMBRICA Y ZIGBEE 6
m a yo r ca p a cid a d d e m e mo ria y d e co m p u ta ció n . S ó lo e xiste u n o p o r re d .
• Rute a dor: D isp o s iti vo ca p a z d e e n ru ta r m e n sa je s d e l e stá n d a r 8 0 2 .1 5.4 e n tre d isp o siti vo s y so p o rta r a so cia cio n e s.
• Te rmina l: Disp o sit i vo d o n d e se d e sa rro lla n la s f u n cio n es d e co n tro l u o b je to s a se r co n tro la d o s.
L o s FFDs u tili za n cu a lqu ie r to p o lo g ía y so n ca p a ce s d e co m u n ica rse co n cu a lqu ie r o tro d isp o siti vo . L o s FFDs p u e d e n o p e ra r co m o : co o rd in a d o r, ru te a d o r o te rm in al.
L o s RFD e stá n li m ita d o s a u tiliza r la to p o lo gía e str e lla , n o p u e d e n se r n i co o rd in a d o re s n i ru t e a d o re s, só lo so n ca p a ce s d e co m u n ica rse co n e l co o rd in a d o r d e la re d . S u im p le m e n ta ció n e s se n cilla re qu irie n d o d e d isp o siti vo s d e p o ca m e mo ria y b a jo co sto . P u e d e n op e ra r ú n ica m e n te com o te rm in a le s.
1.2.3 TOPOLOGÍAS DE RED EN EL ESTÁNDAR ZIGBEE
L a ca p a d e re d so p o rta m ú ltip le s co nf igu ra cio n e s d e red in clu ye n d o e stre lla , á rb o l y m a lla .
1.2.3.1 Topología Estrella.
E n la co n f igu ra ció n e n e stre lla , u n o d e lo s d isp o siti vo s tip o FFD ( Fu ll Fu n ctio n De vice ) a su m e e l ro l d e co o rd in a d o r d e re d y e s re sp o n sa b le d e inicia l i za r y m a n te ne r lo s d isp o siti vo s e n la re d . T o d o s lo s d e má s d isp o siti vo s Z i gb e e , co n o cid o s co n e l n o m b re d e d isp o siti vo s f in a le s , ‘h a b la n ’ d ire cta m e n te co n e l co o rd i n a d o r, qu ie n d e te rm in a rá e l d estin o d e la in f o rma ció n , a tra vé s d e ta b la s d e
re la cio n e s (co n o c id a s e n in glé s c o m o “b in d in gs” ) o u tili za n d o d ire ccio n a m ie n to dire cto .
Figura 1-2.- Topología Estrella.
(Fuente propia)
1.2.3.2 Topología Árbol (Cluster Tree).
Co n siste d e u n coo rd in a d o r m á s u na o m á s co nf igu ra ci o n e s tip o e stre lla . L o s ru te a d o re s Zigb e e e xtie n d e n e l ra n go d e la re d p e rm itie n d o a los d isp o siti vo s te r m in a le s u n irse a e llo s p a ra co m u n ica rse co n e l co o rd in a d o r ce n tra l. L o s ru te a d o re s se co m u n ica n so la m en te co n e l co o rd in a d o r y co n lo s te r m in a le s, n o e n tre e llo s.
CORDINADOR FFD
TERMINAL RFD ENRUTADOR RFD
CAPITULO I : COMUNICACIÓN INALAMBRICA Y ZIGBEE 8
CORDINADOR FFD
TERMINAL RFD ENRUTADOR RFD
Figura 1-3.- Topología Árbol (Fuente propia)
1.2.3.3 Topología Malla (Mesh Network).
E s sim ila r a la to po lo g ía á rb o l, co n e xce p ció n qu e lo s FFDs p u e d e n co m un ica rse d ire cta m e n te . L a s ve n ta ja s d e esta to p o lo gía so n la b a ja la te n cia y la a lta co n f iab ilid a d . A ca m b io , se re qu ie re m a yo r m e m o ria d e p ro gra m a y d a to s e n u n d isp o siti vo p a ra so p o rta rlo .
E n e sta co nf igu ra ció n , e l co o rd in a d o r Zigb e e e s re sp o n sa b le d e in icia li za r la re d y d e e le gir lo s p a rá m e tro s d e la red , p e ro la re d p u e d e se r a m p lia da a tra vé s d e l u so d e ro u te rs Zigb e e . E l a lgo ritm o d e e n ca m in am ie n to u tili za u n a p ro to co lo d e p re gu n ta -re sp u e sta (re q u e st-re sp o n se ) p a ra e lim in a r la s ru ta s qu e n o se a n ó p tim a s, L a re d f in a l p u e de te n e r h a sta 2 5 4 n o d o s. Util i za n d o e l d ire ccio n a m ie n to lo ca l, se p u ed e co n f igu ra r u n a re d d e m á s de 6 5 0 0 0 no d o s.
CORDINADOR FFD
TERMINAL RFD ENRUTADOR RFD
Figura 1-4.- Topología MESH (Fuente propia)
1.2.4 TIPOS DE TRÁFICO SOPORTADO
1.2.4.1 Tráfico Periódico.
Ne ce sa rio p a ra a p lica cio n e s d o n d e se e n vía n y/o r e cib e n d a to s tra n scu rrid o u n la p so co n sta n te d e tie m p o . E ste tip o d e tráf ico e s co m ú n e n e l ca so d e siste m a s d e se n so re s e n lo s cu a le s se n e ce sita m e d ir d e fo rm a co n sta n te la va r ia b le a co n tro la r.
1.2.4.2 Tráfico Intermitente.
Dise ñ a d o p a ra ap lica cio n e s qu e e n vía n y re cib e n d a to s cu a n d o so n e stim u la d o s p o r u n a s e ñ a l e xte rn a , p o r e je m p lo : u n in te rru p to r o co n mu ta d o r e n siste m as d e se gu rid a d , en e l cu a l, a l a ctiva rse u n se n so r se in icia rá la co m u n ica ció n .
CAPITULO I : COMUNICACIÓN INALAMBRICA Y ZIGBEE 10
1.2.4.3 Tráfico Repetitivo Con Baja Latencia.
Útil p a ra a p l ica cio n e s qu e re qu ie re n e l re p a rto d e ra n u ra s o ‘slo ts’ d e tie m p o p a ra co n tro la r e l a cce so a l m e d io , co m o p o r e je m p lo p a ra d a to s e n via d o s p o r u n ra tó n , te cla d o y o tro s d isp o siti vo s d e u n o rd e n a d o r.
1.2.5 ARQUITECTURA
L a a rqu ite ctu ra Zi g b e e e stá ba sa d a en e l m o de lo d e refe re n cia OS I (Op e n S yste m s In te rco n n e ctio n ), d e f in ie n do so la m en te a qu e lla s ca p a s re le va n te s p a ra lo gra r la f u n cio n a lid a d d e se a d a y ga ra n ti za r la co m p a tib ilid a d e n tre lo s d isp o siti vo s.
E l e stá n d a r IE EE 80 2 .1 5 .4 d ef in e la s d o s ca p a s b a se : la f ísica (P H Y) y la d e co n tro l d e a cce so a l m e d io (MA C). L a Zi g b e e A llia n ce d ise ñ ó so b re e lla s, la ca p a Re d (NW K) y la ca p a A p lica ci ó n (A P L ).
L a ca p a A p lica ció n (A P L ) e stá f o rm a d a p o r la su b ca p a d e so p o rte d e a p lica ció n (A P S ), e l e n to rn o d e a p lica ció n (A F), lo s o b je to s p a ra d isp o siti vo s Z i gb e e (ZD O) y lo s o b je to s d e a p lica ció n d e f in id o s po r e l d esa rro lla d o r.
CAPA FISICA (PHY)
2.4GHZ 868/915 MHZ
CAPA DE CONTROL DE ACCESO AL MEDIO (MAC) CAPA DE RED (NWK) Encaminamiento Paquetes de Red Control Encaminamiento Paquetes de Red Seguridad RED SUB-CAPA SOPORTE DE APLICACIONES Formato Mensajes Punto final Multiplex Seguridad de Aplicación OBJETOS DE DISPOSITIVOS ZIG-BEE OBJETO DE APLICACIÓN 1 OBJETO DE APLICACIÓN N PROVEEDOR DE SERVICIOS DE SEGURIDAD PD SAP PD SAP MLDE SAP NLDE SAP
APSME SAP APSDE SAP
IEEE 802.15.4 ZIG-BEE ALLIANCE
CAPA APLICACIÓN
868.3Mhz Canal 0Figura 1-5.- Arquitectura en capas Zigbee. 5
1.2.5.1 Capa Física
L a ca p a f ísica e s la e n ca rga d a d e p ro p o rcio n a r u n m e dio p o r e l cu a l tra n sm itir y re cib ir d a to s. L a a rqu ite ctu ra 8 0 2 .1 5 .4 of re ce la p o sib ilid a d d e tra b a ja r e n tre s b a n d as d e f re cu en cia d istin ta s,
L a p rim e ra cu b re la b a n d a e u ro pe a d e 8 6 8 MHz qu e p ro p o rcio n a u n ún ico ca n a l d e co mu nica cio n e s e n tre la s f re cu en cia s 8 6 8 y 8 6 8 .6 MHz co n sigu ie n d o u n a ve lo c id a d d e tra n sm isió n d e 20 K b p s.
Figura 1-6.- Canal de transmisión de la banda de 868.3 Mhz para 802.15.4
(Fuente propia)
5
CAPITULO I : COMUNICACIÓN INALAMBRICA Y ZIGBEE 12
L a se gu n d a cu b re la b a n d a Am e rica n a d e 9 1 5 MHz, e n e l qu e se re p a rte u n if o rm e m en te 1 0 can ale s d e co m u n ica ció n e n tre la s f re cu e n cia s 9 02 MH z y 9 2 8 MH z co n u n a se p a ra ció n en tre ca n a le s d e 2 MHz y o b te n i e n d o ve lo cid a d e s d e tra n sm isió n d e 4 0 K b p s.
Figura 1-7.- Canales de transmisión de la banda de 915 Mhz para 802.15.4. 6
L a te rce ra tra b a ja e n la b an d a 2.4 GHz, cu yo u s o e stá p e rm itid o e n p rá ctica m e n te to d o e l mu n d o . P ro po rcio n a 1 6 can a le s e n tre la s f re cu en cia s 2 .4 0 5 GHz y 2 .4 8 GHz, co n u na se p a ra ció n e n tre ca n a le s d e 5 MH z y u n a n ch o d e ba n d a d e 2 Mb p s, a lca n za n d o ve lo cid a d e s d e tra n sm isión d e h a sta 25 0 K bp s.
Figura 1-8.- Canales de transmisión de la banda de 2,4 Ghz para 802.15.4.7
L a ca p a f ísica tie n e co m o p rin cip a le s f u n cio n e s : la de te cció n d e e n e rg ía d e l re c e p to r (E D), in d ica d o r d e ca lid a d d e l e n la ce (L QI)
6 Fuente : http://www.cse.yorku.ca/~dusan/Zigbee-Standard-Talk.pdf 7 Fuente: http://delta.cs.cinvestav.mx/~francisco/ssi/quintanar.pdf 902Mhz 928Mhz 2Mhz 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 5Mhz 2.405Ghz 2.4800Ghz Canales del 11 al 26
y la e va lu a ció n d e l e sta d o d e l ca n a l (CS MA /CA ), a ctiva c ió n y d e sa ctiva c ió n d e l tra n sce ive r, y l a tra n sm isió n y re ce p ció n de d a to s.8
1.2.5.2 Capa de Control de Acceso al Medio
L a ca p a d e co n tro l d e a cce so a l m e d io se e n ca rga d e la tra n sm isió n d e tram a s, sin cro n iza c ió n y p ro visió n d e u n m e can ism o d e tra n sm isió n co nf ia b le .
De f in e a d e má s e stru ctu ra s d e tra m a se n cilla s co n e l fin d e re d u cir e l co n su m o d e e n e rgía d e lo s te rm in a le s Zigb e e .
De se m p e ñ a la s f un cio n e s d e a so cia ció n y d e svin cu la m ie n tos d e d isp o siti vo s e n la re d . Im p le m e n tan d o p ro ceso s p a ra la re a so cia ció n d e term in a le s a u n a red , a la cu a l p re via m e n te ya se a so ció y n o la a b a n d o n ó a ú n . E sta ca ra cte ríst ica e s ú til p a ra re a so cia r u n d isp ositi vo qu e f u e re in icia d o , co n se rva n d o la d ire cció n d e re d ya a si gn a d a .9
Dif e re n cia a ca d a n o d o de la re d con u n id e n tif ica d o r ú n ico co m p u e sto p o r 6 4 b its, qu e p u e d e se r u til i za d o p a ra e l p ro ce so d e a so cia ció n o u n ió n a la re d . A d e m á s, se tie n e u n a d ire cció n d e 1 6 b its, la cu a l e s a sign a d a p o r e l co o rd in a d o r o p o r a d m inistra d o r p a ra co m u n ica rse co n otro s d isp o siti vo s d e la re d .
P e rm ite ga ra n tiza r e l u so d e slo ts de tie m p o p a ra a cce so al ca n a l (GT S ). E l GT S e s u n m é tod o d e ca lid a d d e se r vic io qu e a sign a a ca d a d isp o siti vo u n a d u ra ció n e sp e c íf ica d e tie m p o
8
http://rua.ua.es/dspace/bitstream/10045/1109/7/Informe_Zigbee.pdf
9
CAPITULO I : COMUNICACIÓN INALAMBRICA Y ZIGBEE 14
d e f in id a p o r e l co o rd in a d o r d e la re d d e n tro d e la su p e rtra m a p a ra re a li za r la ta re a qu e re qu ie ra s in co n te n ció n o la te n cia
P e rm ite ta m b ié n do s m e ca n ism o s pa ra a cce so a l ca n a l:
• Re d B e a co n -e n a b le (co n ra d io b a li za s). Ut ili za su p e rtra m a s p a ra a p lica cio n e s qu e re qu ie re n a n ch o s de ba n da d e d ica d o s y b a ja la te n cia , e l a cce so a l ca n a l e n ca d a se gm e n to d e tie mp o se lo re a li za co n la té cn ica CS MA /CA lib re d e co n te n ció n m e d ia n te la u tiliza c ió n d e b a li za s p o r p a rte d e lo s d isp o siti vo s F FD co n la s qu e m a rca n lo s tie m p o s e n lo s qu e e s p o sib le la re ce p ció n y tra n sm is ió n d e in f o rm a ció n .
Co n e ste m od o d e f u n cio n am ien to se co n sigu e u n im p o rta n te ah o rro e n e rgé tico d e b ido qu e m ie n tra s está n f u e ra de su s tie mp o s d e tra sm isió n , to d o s lo s d isp o siti vo s (in clu id o e l co o rd i n a d o r) p u e d en e sta r e n mo d o “d o rm id o ”, m o d o en e l qu e se m in im iza e n co n su m o .
• Re d No -B e a co n (sin ra d io b a li za s). E n e ste m o d o n o existe sin cro n i za ció n e n tre d isp o siti vo s, p o r lo qu e lo s ú nico s n o d o s qu e pu e d en p a sa r a l e sta do “d o rm id o ” so n lo s d isp o siti vo s f in a le s. É sto s se d e sp e rta rá n d e fo rm a p e rió d ica p a ra p re gu n ta r si e xiste n d a to s d e stin a d o s a e llo s o b ie n p a ra ma n d ar in f o rm a ció n .
S e b a sa e n e l m é to d o A L OHA10 CS MA /CA , p a ra lo c u a l u tili za e l a cu se d e re cib o p o siti vo p a ra in f o rma r la re ce p ció n d e p a qu e te s (A CK ).
10
L a ca p a MA C d efin e 3 n ive le s d e se gu rid a d : No se gu ro , m e d ia n te lista s d e co n tro l d e a cce so , y m o d o se gu ro (e n crip ta m ie n to ) u tili za n d o e l e stá n d a r p a ra e n cr ip ta ci ó n sim é trica A E S 1 2 8 .
1.2.5.3 Capa Red
L a ca p a d e re d (NW K) tie n e com o ob je tivo p rin cip a l p e rm itir e l co rre cto u so d e l su b n ive l MA C y o f re ce r u n a in te rf az a d e cu a da p a ra su u so p o r p arte d e la ca p a d e ap lica ció n .
E n e sta ca p a se re a li za e l d e scu b ri m ie n to y m a n te n im ie n to d e ru ta s e n tre lo s d isp o siti vo s d e la r e d . E s d e cir d e scu b rim ie n to de ve c in o s y m e m o riza c ió n d e d ich a in f o rm a ció n . E n esta ca p a , e l co o rd in a d o r e s re sp o n sa b le d e in ici a r u n a n u e va re d , cu a n d o e s n e ce sa rio , y a s ign a r d ire ccio n e s a lo s n u e vo s d isp o siti v o s.
S e d e b e te n e r e n cu e n ta qu e e l a lgo ritm o d e e n ru tam ie n to qu e se u sa e s e l d e e n ru tam ie n to de m a lla , e l cu a l se b a sa e n e l p ro to co lo A d Ho c On -De m a n d V e cto r Ro u tin g – A ODV .
Cu a n d o e sta ca pa se e n cu e n tra cum p lie n d o la f u n ció n d e u n ir o se p a ra r d isp o siti vo s a tr a vé s d e l co n tro l a d o r d e red, im p le m e n ta se gu rid a d y e n ca m in a tra m a s a su s re sp e cti vo s d e stin o s. E s a qu í d o n d e se im p le m en ta n la s d istin ta s to p o lo gía s d e re d qu e Zigb e e so p o rta (á rb o l, e stre lla y m e sh ne two rk). S i e l co o rd in a d o r d e ja la re d , o tro FFD p u e d e to ma r su p a p e l.
1.2.5.4 Capa Aplicación
E sta ca p a co n siste d e la su b ca p a de so p o rte d e a p lica ció n (A P S ) y e l e n to rn o d e a p lica ció n (A F);
CAPITULO I : COMUNICACIÓN INALAMBRICA Y ZIGBEE 16
S u b ca p a d e so p o rte d e a p lica cio n e s.- e s e l re sp o n sa b le d e m a n te ne r e l ro l qu e e l n o d o ju e ga e n la re d , f iltra r p a q u e te s a n ive l d e a p lica ció n , m a n te n e r la re la ció n d e gru p o s y d isp o si ti vo s co n lo s qu e la a p lica c ió n in te ra ctú a y s im p li f ica r e l e n vío d e d a to s a lo s d if e re n te s n od o s d e la re d . E n si b rin d a u n co n ju n to ge n e ra l d e se r vic io s p a ra e l u so d e la s su b ca p a s e n la s qu e e l e n to rn o d e a p lica ció n se d i vid e (A F).
S u b ca p a e n to rn o de a p lica ció n (A F).- S e d ivid e n u e va m e n te e n o b je to s p a ra d isp o siti vo s Zi gb e e (ZDO ) y lo s o b je t o s d e f in id os p o r e l d ise ñ a d o r.
L a s re sp o n sa b ilid a d e s d e l ZDO son d ef in ir e l ro l d e un d isp o siti vo e n la re d (co m o coo rd in a d o r o d isp o sitivo f in a l), in icia r y re sp o n d e r a un “b in d in g re q u e st” (re qu e rim ie n to d e re la ció n ) y e sta b le ce r vín cu lo s se gu ro s e n tre lo s e le m e n to s d e la re d . E l ZDO e s ta m b ié n re sp on sa b le d e d e scub rir d isp o s iti vo s e n la re d y d e te rm in a r qu e se rvicio s p ro ve e n .
Ca d a ca p a se co mu n ica co n su s capa s su b ya ce n te s a tra vé s d e u n a in te rf a z de d a to s y o tra d e co n tro l, la s ca p a s su p e rio re s so licita n se r vicio s a la s ca p a s infe rio re s, y é sta s re p o rta n su s re su lta d o s a la s su p e rio re s.
A d e m á s d e la s ca p a s m e n cio n a das, a la a rqu ite ctu ra se in te gra n o tro p a r d e m ó du lo s; módulo de s e gurida d, q u e p ro ve e lo s se r vic io s p a ra c if ra r y a u te n tif ica r l o s p a qu e te s, y e l módulo de
a dminis tra c ión d e l d isp o siti vo Zi gb e e , qu ie n se e n ca rga d e
a d m in istra r lo s re cu rso s d e re d d e l d isp o siti vo lo ca l, a d e m á s d e p ro p o rcio n a r a la a p lica ció n f u n cio ne s d e a dm in istra ci ó n re m o ta d e re d .
1.2.6 EMPAQUETAMIENTO Y DIRECCIONAMIENTO
Un m e n sa je Zigb e e co n siste d e má xim o 1 2 7 b yte s (1 33 b yte s in clu ye n d o la ca b e ce ra P HY ) y se f o rm a d e la sigu ie n te m a ne ra a tra vé s d e la s d if e r e n te s ca p a s.
Figura 1-9.- Mensaje Zigbee con cabecera de capa física.11
1.2.6.1 PDU PHY
Co n siste d e cin co b yte s p a ra sin cro n ism o y u n b yte p a ra in d ica r la lo n gitu d d e l p a ylo a d d e l n i ve l su p e rio r.
Figura 1-10.- Estructura del mensaje PDU PHY12 1.2.6.2 Trama MAC
S e u tili za p a ra e l co n tro l re m o to y la co n f igu ra ció n d e d isp o siti vo s/n o d o s. Un a re d ce n tr a li za d a u tili za e ste tip o d e p a qu e te s p a ra con f igu ra r la re d a d ista n cia . S e d if e re n cia n cin co tip o s: Da to s, A CK , Co m a n d o s, B a liza s y la S u p e rtra m a .
11 Fuente : http://www.cse.yorku.ca/~dusan/Zigbee-Standard-Talk.pdf 12 Fuente : http://www.cse.yorku.ca/~dusan/Zigbee-Standard-Talk.pdf SYNC PHY HDR MAC PAYLOAD 127 Bytes 6 Bytes PREAMBULO Delimitador de inicio de paquete Longitud de Trama (7 Bits) Reservando (1 bit) PHY Servicio Unidad de Datos (PSDU)
Cabecera Sincronismo Cabecera PHY PAYLOAD PHY
CAPITULO I : COMUNICACIÓN INALAMBRICA Y ZIGBEE 18
a) Trama de DATOS.
E l p a qu e te d e d atos tie n e u n a ca rga d e d a to s d e h a sta 1 0 4 b yte s. L a t ra m a e stá n u m e ra d a p a ra a se gu ra r qu e to d o s lo s p a qu e te s lle ga n a su d e stin o . Un ca m p o n o s a se gu ra q u e e l p a qu e te se h a re cib id o sin e rro re s. E sta e st ru ctu ra a u m e n ta la fia b ilid a d e n co n d icio n e s co m p lica d a s d e tra n sm isió n .
Figura 1-11.- Estructura de la trama de MAC de datos. 13 b) Trama de ACK
L la m a d a tam b ié n p a qu e te d e re c o n o cim ie n to , a qu í se re a li za u n a re a lim e n ta ció n d e sd e e l re ce p to r a l e m is o r, d e e sta m a n e ra se co nf irma qu e e l p a qu e te se h a re cib id o sin e rro re s. S e p u e d e in clu ir u n tie m p o de sile n cio e n tre tra ma s, p ara e n via r u n p e qu e ñ o p a qu e te de sp u é s d e la tra n sm isió n d e ca d a p aqu e te .
Figura 1-12.- Estructura Trama MAC de ACK.14 c) Trama de COMANDOS
P ro ve e u n m e ca n ism o p a ra e l co n tro l y co n f igu r a ció n re m o ta de lo s n odo s. P e rm ite un co ntro l ce n tra li za d o d e la re d pa ra
13
http://delta.cs.cinvestav.mx/~francisco/ssi/quintanar.pdf
14
Fuente: http://www.cse.yorku.ca/~dusan/Zigbee-Standard-Talk.pdf
CONTROL SECUENCIA DIRECCION FCS
(SEGURIDAD) CARGA DE
DATOS
2 Bytes 1 Byte 4-20 Bytes 0 - 104 Bytes 2 Bytes
CONTROL SECUENCIA F C S
co n f igu ra r in d i vid u a lm e n te a lo s cl ie n te s sin im p o rta r qu e ta n g ra n d e se a la re d .
Figura 1-13.- Estructura Trama Mac de Comandos.15 d) Trama de BEACON o BALIZAS
E l p a qu e te b a liza se e n ca rga d e “d e sp e rta r” lo s d isp o s iti vo s qu e “e scu ch a n ” lu e go d e la b a liza l a d ire cció n y lu e g o vu e l ve n a “d o rm irse ” si n o re cib e n n a d a má s. Esto s p a qu e te s so n im p o rta n te s p a ra m a n te n e r to do s lo s d i sp o siti vo s y lo s n o d o s sin c r o n iza d o s, s in te n e r qu e ga sta r u n a gra n ca n tid ad d e b a te ría e stan d o tod o e l tie m p o e n cen d id o s e n e scu ch a d e l can a l.
Figura 1-14.- Estructura Trama Baliza.16
e)
SupertramaSe usa una estructura de supertrama para controlar el acceso al canal, esta supertrama es estudiada por el coordinador de red para transmitir “tramas
15
Fuente: http://www.cse.yorku.ca/~dusan/Zigbee-Standard-Talk.pdf
16
Fuente: http://www.cse.yorku.ca/~dusan/Zigbee-Standard-Talk.pdf
CONTROL SECUENCIA DIRECCION FCS
(SEGURIDAD) PAYLOAD
2 Bytes 1 Byte 4-20 Bytes VARIABLE 2 Bytes
Tipo de Comando
1 Byte Máximo 127 Bytes
CONTROL SECUENCIA DIRECCION
Campo de Direcciones Pendientes Campo
GTS
2 Bytes 1 Byte 4-10 Bytes Variable 2 Bytes
Especificación Supertrama 2 Bytes Máximo 127 Bytes Campo GTS FCS (Seguridad) Variable Variable
CAPITULO I : COMUNICACIÓN INALAMBRICA Y ZIGBEE 20
baliza” cada ciertos intervalos (múltiples cada de 15.38 ms hasta cada 52 s)17. Esta estructura garantiza el ancho de banda dedicado y bajo consumo.
Permite el uso de slots de tiempo para tráfico repetitivo. Está dividida en una parte inactiva y otra activa; en la primera todas las estaciones están en estado de reposo, en la segunda el tiempo está dividido en 16 slots que pueden asignarse en dos grupos: uno para período libre de contención (CFP) y otro para acceso con contención (CAP).
Figura 1-15.- Estructura de Supertrama.18
La baliza es trasmitida en el primer time slot, y es usado para sincronizar los dispositivos vinculados en la estructura de supertrama quienes identificarán el Id PAN.
El coordinador PAN utiliza los slots de tiempos garantizados (GTS) para dispositivos que requieran comunicarse con mínima latencia
1.2.6.3 PDU NWK.
Está compuesto principalmente por una cabecera y un payload. Los campos de la cabecera aparecen en un orden fijo, pudiendo los de dirección y
17 http://www.seccperu.org/files/Zigbee.pdf 18 Fuente : http://seccperu.org/files/ZigBee.pdf 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
Duración de la súper trama Periodo de acceso con
contención
Slots de tiempo
CONTROL DE TRAMA DIRECCION DESTINO DIRECCION ORIGEN RADIO DE DIFUSION PAYLOAD PAYLOAD NWK
2 Bytes 2 Bytes 2 Bytes Variable
NUMERO DE SECUENCIA CABECERA 0/1 Bytes 0/1 Bytes CONTROL DE TRAMA ENDPOINT
DESTINO CLUSTER ID PROFILE ID PAYLOAD
PAYLOAD APS
2 Bytes 2 Bytes 2 Bytes Variable
ENDPOINT ORIGEN
CABECERA
0/1 Bytes 0/1 Bytes
secuencia no ser incluidos en todos los paquetes. Las PDUs pueden ser de datos o de comando.
Figura 1-16.- Estructura mensaje PDU capa de Red.19
1.2.6.4 PDU APS.
Está compuesto por una cabecera y un payload. Los campos de la cabecera aparecen en un orden fijo, pudiendo el de dirección no ser incluido en todas las tramas. Las PDUs pueden ser datos, comando y ACK. El campo de dirección incluye identificadores para los endpoints (objetos), el clúster, y el perfil; al recibir un mensaje, la aplicación procesa esta información y determina a que endpoint notificar.
Figura 1-17.- Estructura mensaje PDU de Sub-capa Soporte de Aplicación.20
1.2.6.5 Mensajes AF (Entorno de aplicación)
A nivel AF se definen dos tipos de mensajes, el KVP (Key Value Pair) y el MSG (Message). Ambos tipos están asociados con un clúster ID, pero el KVP está diseñado para transferir información asociado a un atributo utilizando una
19
Fuente : http://www.zigbee.org
20
CAPITULO I : COMUNICACIÓN INALAMBRICA Y ZIGBEE 22 NUMERO DE SECUENCIA CONTEO TRANSACCION TIPO DE MENSAJE TIPO, COMANDO Y DATOS TRANSACCIONES
4 Bits 4 Bits 8 Bits Variable
IDENTIFICADOR DE ATRIBUTO CABECERA AF 8 Bits 16 Bits CODIGO DE ERROR DATOS KVP/ATRIBUTO 0/8 Bits
estructura estricta, mientras el tipo MSG transfiere información mediante una estructura de formato libre.21
Mensaje KVP:
Figura 1-18.- Estructura mensaje KVP de la capa Entorno de aplicación.22 Mensaje MSG:
Figura 1-19.- Estructura Mensaje MSG de la Capa entorno de Aplicación. 23
1.2.7 FORMACIÓN DE LA RED
Una nueva red Zigbee es establecida por un coordinador. Al inicializarse, el coordinador busca otros coordinadores en sus canales permitidos. Basado en la energía del canal y el número de redes encontradas en sus canales, establece su
21 http://www.specifications.nl/Zigbee/Zigbee_UK.php 22 Fuente: www.zigbee.org/zigbee/en/spec_download/spec_ 23 Fuente: www.zigbee.org/zigbee/en/spec_download/spec_ NUMERO DE SECUENCIA CONTEO TRANSACCION TIPO DE MENSAJE LONGITUD DE TRANSACCION TRANSACCIONES
4 Bits 4 Bits 8 Bits Variable
CABECERA AF
8 Bits
DATOS DE TRANSACCION
propia red y selecciona un identificador PAN único de 16 bits.24 Al finalizar esta secuencia, el nuevo ID es comunicado a la subcapa inferior (MAC).
Figura 1-20.- Formación de una nueva red. 25
Una vez que la nueva red ha sido establecida, los ruteadores y terminales son habilitados a unirse a la red. En caso de conflictos por PAN ID repetidos en diferentes coordinadores, se efectúa un procedimiento de resolución que cambiará en uno de los coordinadores su identificador.
24 http://www.seccperu.org/files/Zigbee.pdf 25 http://coe.uncc.edu/~jmconrad/ECGR6185-2007-01/notes/IEEE_ZigBee.pdf ZIG-BEE CORDINADOR (APLICACION) ZIG-BEE CORDINADOR (RED) ZIG-BEE CORDINADOR (MAC)
Petición de Formación de Red
Petición de Escaneo de canal
Escaneo por Energía de Canal Confirmar escaneo
Respuesta de confirmación
Resultado de escaneo Seleccionar canal, ID PAN, address
Set request Set confirm start request start confirm Confirmación de formación de red
CAPITULO I : COMUNICACIÓN INALAMBRICA Y ZIGBEE 24
Los distintos dispositivos guardan información acerca de otros nodos de la red, en un área no volátil de memoria llamada tabla de vecindades. Al inicializarse, si un dispositivo determina a través de la tabla que fue parte de una red, puede ejecutar un procedimiento de notificación para localizarla. Los dispositivos (coordinadores o ruteadores) que reciban la notificación, verificarán sus tablas para cerciorarse de que el nuevo dispositivo pertenecía a su red. Si la notificación falla o el dispositivo no se encuentra en las tablas de vecindad del resto, tratará de unirse a una de las redes como un nuevo dispositivo. Una vez en la red, un dispositivo puede desasociarse ya sea por pedido del coordinador o router o por sí mismo.
1.2.8 MODELO DE TRANSFERENCIA DE TRAMAS
Existen tres modelos de transferencia de datos.
• Transferencia de datos desde un dispositivo a un coordinador. • Transferencia de datos desde un coordinador,
• Transferencia de datos entre 2 dispositivos iguales (peer to peer). En la topología estrella solo dos de esas transacciones son usadas, porque los datos solo pueden ser intercambiados entre el coordinador y un dispositivo. En la topología igual a igual los datos pueden ser intercambiados entre dos dispositivos de la red, en consecuencia las tres transacciones pueden ser usadas en esta topología.
El mecanismo de cada tipo de transmisión depende si la red soporta la transmisión de beacons. Una red con habilitación de beacons es usada para soportar dispositivos con bajo retardo, tales como periféricos de PC. Si la red no necesita soportar a tales dispositivos, se puede elegir una transmisión normal y no usar beacons. Sin embargo el beacon es requerido para la asociación de la red.
1.2.8.1 Transferencia de datos hacia el coordinador
Cuando un dispositivo desea transferir datos a un coordinador en una red que tiene habilitado la transmisión de beacons, este primero espera el beacon de red. Cuando el beacon es encontrado, el dispositivo se sincroniza con la estructura de la supertrama. En el momento adecuado, el dispositivo transmite la trama de datos usando CSMA/CA ranurado, al coordinador. El coordinador notifica la recepción exitosa de los datos, transmitiendo una trama de confirmación. De esta manera se completa la transmisión.
Cuando un dispositivo quiere transferir datos en una red sin habilitación de beacon, simplemente transmite su trama de datos usando CSMA/CA no ranurado al coordinador. El coordinador notifica la recepción exitosa de los datos, transmitiendo una trama de confirmación, de esta manera se completa la transmisión.
1.2.8.2 Transferencia de datos desde el coordinador
Cuando el coordinador desea transferir datos a un dispositivo en una red con habilitación de beacons, este indica en el beacon de red que el mensaje de datos esta pendiente. El dispositivo periódicamente espera el beacon de red y si un mensaje está pendiente, transmite un comando MAC pidiendo datos, usando CSMA/CA ranurado.
El coordinador confirma la recepción exitosa del pedido de datos transmitiendo una trama opcional de confirmación. La trama pendiente de datos es enviada luego usando CSMA/CA ranurado. El dispositivo confirma la recepción exitosa de los datos, transmitiendo una trama de confirmación. La transacción se completa. Una vez que la confirmación es recibida, el mensaje es removido de la lista de mensajes pendientes en el beacon.
CAPITULO I : COMUNICACIÓN INALAMBRICA Y ZIGBEE 26
Cuando un coordinador desea transferir datos a un dispositivo en una red sin beacons, este guarda los datos para el dispositivo apropiado para hacer contacto y pedir información. Un dispositivo puede hacer contacto transmitiendo un comando MAC pidiendo datos, usando CSMA/CA no ranurado. El coordinador confirma la recepción exitosa del requerimiento de datos transmitiendo una trama de confirmación. Si hay datos pendientes, el coordinador transmite la trama de datos, usando CSMA/CA no ranurado, al dispositivo. Si no hay datos pendientes, el coordinador transmite una trama de datos de longitud cero, para indicar que no hay datos pendientes. El dispositivo confirma la recepción exitosa de los datos transmitiendo una trama de confirmación. La transacción se completa.
1.2.8.3 Transferencia de datos de igual a igual
En una PAN igual a igual, cada dispositivo puede comunicarse con todos los otros dispositivos en su campo de influencia. Para hacer esto efectivo, el dispositivo que desea comunicarse debe estar sincronizado constantemente con los otros dispositivos. En este caso el dispositivo puede simplemente transmitir sus datos usando CSMA/CA no ranurado. En otros casos se deben tomar otras medidas para lograr la sincronización.
1.3
ZIG BEE FRENTE A OTRAS TEGNOLOGIAS WPAN
1.3.1 ZIGBEE VS BLUETOOTH
Tanto Zigbee como Bluetooth son tecnologías de área personal originadas del grupo de trabajo IEEE 802.15. Ambas utilizan la banda de frecuencia 2.4 GHz (no licenciada) buscando utilizar un mínimo de potencia y un tamaño reducido en los dispositivos. A pesar de su parecido, son dos tecnologías con diferentes aspectos de aplicación y medios de diseño para las aplicaciones.
Mientras que Zigbee se centra al control y la automatización, Bluetooth se centra a la conexión entre ordenadores portátiles, PDAs, y similares, así como la sustitución de cable.
Zigbee utiliza bajo volumen de datos y bajo consumo de energía, debido a que se orienta a dispositivos que no nesecitan transmitir continuamente. Bluetooth utiliza un mayor volumen de datos y un mayor consumo de energía debido a que se utiliza para una transmisión continua de datos. Las redes Zigbee pueden soportar un mayor número de dispositivos y un mayor alcance entre dispositivos a diferencia de Bluetooth.26
Bluetooth no considera un consumo de energía pues se basa en la recarga de baterías, mientras que el objetivo de Zigbee es reducir el consumo de energía de las baterías y alargar su duración. Zigbee está diseñado para responder con rapidez, mientras que el Bluetooth lleva mucho más tiempo y podría ir en pérdida de la aplicación.
1.3.2 ZIG-BEE VS WiBREE
Wibree es una tecnología que ha estado en desarrollo por Nokia desde el año 2001. Trabaja en la banda de 2.4Ghz y fue diseñado para que trabaje con dispositivos de bluetooth, pero que consuma menos energía, y es así que Wibree consume hasta 10 veces menos que bluetooth.
Wibree, mantiene las especificaciones de operación que Bluetooth, por lo cual se la considera como una extensión de la misma, sin embargo tiene características similares a Zigbee como es el despertarse cuando llegue un paquete en menos tiempo que Bluetooth (< 3seg).27
26
http://homepage.uab.edu/cdiamond/Zigbee%20vs%20Bluetooth.htm
27
CAPITULO I : COMUNICACIÓN INALAMBRICA Y ZIGBEE 28
1.4
APLICACIONES.
Las soluciones sobre el estándar Zigbee en conexión de redes, se centran en aplicaciones específicas de sondeo y monitoreo, donde tenemos a continuación grupos claramente establecidos:
• Automatización de edificios y hogares.- Seguridad, alarmas, control del aire acondicionado, lectura de contadores de agua, gas, electricidad, control de iluminación; control de accesos, control de riego.
• Atención sanitaria.- Monitoreo de signos vitales en pacientes y equipos para la salud (fitness).
• Control industrial.- Control de procesos, sensores, instrumentación remota.
• Electrónica de consumo.- Control remoto para TV, VCR, DVD/CD PC y periféricos.- dispositivos para la interfaz humana, como teclados, ratones y joysticks.
• Control comercial y de iluminación.- Seguridad, control de luz, control de acceso.