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:: ZigBee em Home Area Network

José Mauricio Santos Pinheiro em 12/02/2006

Até recentemente a maioria dos padrõesdesenvolvidos para redes sem fio tinha comopremissa prover um conjunto de protocolos quegarantissem qualidade para a transmissão de vozou a transmissão de dados com altas taxas detransferência, porém sem considerar muito ocusto envolvido.

Apesar dos altos custos de projeto, asaplicações para redes sem fio vêm crescendocada vez mais e podemos encontrar diversospadrões e protocolos envolvidos na disputa pelosdiversos segmentos de redes de comunicação,cada qual apresentando vantagens edesvantagens e adequando-se melhor a um ououtro tipo de aplicação.

Um dos segmentos onde mais tem crescido a aplicação de redes sem fio é o dasredes domésticas, principalmente em aplicações de automação comercial eresidencial. Atualmente encontramos diversos equipamentos controlados remotamente,desde televisores, home theaters, DVD’s, até computadores, impressoras, etc.

Acontece, porém, que o sistema de controle para tais equipamentos não é único,sendo necessário um dispositivo para cada equipamento controlado. Apesar deexistirem os controles ditos "universais", seu uso não é simples, sendo necessárioconhecer os códigos de programação para cada fabricante e para cada aparelho.

Interoperabilidade

Dentro de um conceito de interoperabilidade conhecido como HAN (Home AreaNetwork), ou rede local doméstica, podemos ter um único dispositivo de controle semfio que atenda a todos os equipamentos. Sendo sem fio, não é necessário que estecontrole esteja no mesmo ambiente do equipamento controlado, o que torna possívelligar ou desligar, por exemplo, um computador localizado em uma determinada sala,sem necessariamente estar fisicamente nela.

O conceito de HAN necessita de uma definição de protocolos e padrões que garantama interconexão de qualquer equipamento do tipo "plug & play" na rede. Estes podemser baseados em definições já existentes (padrão X-10, por exemplo), ou em novastecnologias, como o protocolo Zigbee.

Zigbee

Uma das tecnologias mais recentes dentro do grupo das redes pessoais sem fio é opadrão Zigbee, também conhecido como HomeRF Lite e que corresponde ao IEEE802.15.4, homologado em maio de 2003. Esse padrão vem sendo desenvolvido para setornar uma solução de comunicação para redes que não necessitam de soluçõescomplexas para dotar de inteligência os aparelhos de comunicação sob seu controle,barateando assim os custos com equipamentos, manutenção e mão de obra.

O Zigbee também é um protocolo para HAN. As soluções baseadas nesse protocolovisam atender as necessidades de controle e segurança das redes domésticas,apresentando um baixo custo de implementação, baixo consumo, topologia de redevariável e velocidades compatíveis com as necessidades dos equipamentos.

O protocolo Zigbee é estruturado em cinco camadas segundo o modelo de referênciaOSI: PHY (física), MAC (enlace), NWK (rede), Suporte a Aplicação e Aplicação Perfil.As camadas MAC (Médium Address Control) e PHY (Physical Layer) seguem adefinição da IEEE 802.15.4, as camadas NWK e Suporte a Aplicação são definidaspela Zigbee Aliance e a camada de Aplicação Perfil, definida pelo usuário.

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Figura 1 - Camadas do ZigBee

Transmissão DSSS

O sistema de transmissão do Zigbee é baseado no DSSS (Direct Sequence SpreadSpectrum) ou Espalhamento Espectral por Seqüência Direta. Nesta técnica, de formasimplificada, temos uma seqüência pseudo-randômica de valores "0" e "1", em umafreqüência mais elevada, multiplica o sinal original, causando o espalhamento daenergia do sinal em uma banda de transmissão mais larga.

Faixas de freqüência

Como mencionado, a IEEE 802.15.4 estabelece as definições para o protocolo Zigbee,que opera na faixa das freqüências ISM (que não requerem licença parafuncionamento), incluindo as faixas de 2.4Ghz (Global), 915Mhz (América) e 868Mhz(Europa), com uma taxa de transferência de dados de até 250kbps em 2.4Ghz (16canais), 40kbps em 915Mhz (10 canais) e 20kbps em 868Mhz (1 canal), visandopossibilitar a melhor integração e operabilidade entre os diversos dispositivos.

Suas principais características são:

Comunicação sem fio com alcance previsto de até 500 metros;

Freqüências de operação entre 868MHz e 2,4Ghz;

Taxa de transmissão em torno de 250Kbps;

Baixo consumo de energia;

Baixo custo de implementação;

Topologia de rede variável.

Figura 2 - Bandas de operação do ZigBee

Topologias Zigbee

O protocolo define uma estrutura de rede que incorpora os conceitos de redes ad hoc,as características de conexão em malha e multi-hop. As topologias que podemosencontrar em uma rede Zigbee são a topologia em estrela (star), em árvore (tree) e emmalha (mesh). Os principais componentes integrantes dessa rede são o coordenador(coordinator), os roteadores (routers)e os clientes.

Topologia estrela

É a topologia mais simples onde temos um coordenador e os elementos clientes. Ela éindicada para ambientes que ofereçam poucos obstáculos para a transmissão dossinais.

Sua principal vantagem é a facilidade de implementação e coordenação. Adesvantagem está na presença de um único coordenador, o que gera a dependência detodos os clientes para este e o alcance do sinal de RF que nesse tipo de rede não émuito grande.

Topologia arvore

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Essa topologia é formada por sub-redes que se comunicam entre si através deelementos roteadores. Aqui temos mais de um elemento coordenador, cada umgerenciando uma rede diferente. Sua aplicação principal está na comunicação dedispositivos situados em andares diferentes e ou entre salas distantes entre si,separadas por paredes.

O alcance do sinal de RF deste tipo de rede é maior, tendo em vista que umcoordenador pode controlar um cliente ligado em outra rede através de uma solicitaçãoao outro coordenador.

Topologia malha

Essa topologia permite que, com a entrada de novos dispositivos, a rede se ajusteautomaticamente durante sua inicialização, otimizando o tráfego de dados. Com essatopologia é possível construir redes mais extensas e de maior complexidade,possibilitando o controle e monitoração de grandes áreas.

Figura 3 – Modelo de rede Zigbee

Conclusão

O custo dos acessos baseados em redes sem fio ainda é proibitivo para muitasaplicações de redes domésticas. A Zigbee surgiu exatamente com o objetivo depossibilitar a utilização de redes sem fio mais simples nesses ambientes. Trata-se deuma tecnologia relativamente simples, que utiliza um protocolo de pacotes de dadoscom características específicas e projetado para oferecer flexibilidade quanto aos tiposde dispositivos que pode controlar.

O protocolo está sendo desenvolvido com o objetivo de atender a demanda do mercadode redes que busca soluções de baixo custo, baixo consumo de energia e queofereçam segurança e confiabilidade. Algumas das aplicações incluemeletrodomésticos em residências, automação predial, controle de periféricos decomputadores como impressoras, câmeras sem fio, scanners, tele-medicina eentretenimento.

José Maurício Santos PinheiroProfessor Universitário, Projetista e Gestor de Redes,

membro da BICSI, Aureside e IEC.

Autor dos livros:

· Guia Completo de Cabeamento de Redes ·· Cabeamento Óptico ·

· Infraestrutura Elétrica para Redes de Computadores · · Biometria nos Sistemas Computacionais - Você é a Senha ·

E-mail: jm.pinheiro@projetoderedes.com.br

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