PADRÃO ZIGBEE

Formada por uma Aliança, tem o patrocínio de mais de 150 empresas, com destaque das empresas como Motorola, Intel, Sony, Samsung, Philips. Mitsubishi Eletric e Honeywell. É um protocolo projetado para efetuar comunicação sem fio confiável, com baixo consumo de energia e baixas taxas de transmissão para aplicações de monitoramento e controle [13].

A especificação ZigBee define as camadas de rede e aplicação e o serviço de segurança entre elas. A definição das camadas físicas e de acesso ao meio é baseada no padrão IEEE

802.15.4.

Figura 1: Pilha do Protocolo ZigBee

Ao nível físico o ZigBee opera em três bandas de rádio conhecidas como ISM (Industrial, Scientifical and Medical), as quais estão isentas de licenciamento. Globalmente, corresponde à banda de 2.4GHz e ainda às bandas de 915Mhz (Estados Unidos) e 868 MHz (Europa). Consoante à banda, varia a taxa de transmissão possível: em 2.4GHz, podendo ser obtidas taxas de transmissão de 250kbps, com 16 canais disponíveis e alcance de transmissão em visada direta de 1600m. Os dispositivos ZigBee utilizam modulação DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum). Outra característica importante é que o protocolo do ZigBee praticamente não limita o tamanho da rede, podendo utilizar mais de 65.000 nós.

A subcamada Mac definida pelo IEEE 802.15.4 controla o acesso ao canal de rádio usando um mecanismo CSMA-CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) com acknowlegmente positivo dos pacotes que chegam ao destino com sucesso.

As responsabilidades desta sub-camada também pode incluir a transmissão de “quadros de anúncio” (beacon frames), sincronização, e prover um mecanismo de transmissão confiável. A subcamada MAC também define dois tipos básicos de dispositivos ZigBee, RFD (reduced function device) e FFD (full function device). Dispositivos de varias funções FFD são os roteadores que possuem várias funcionalidades em todos os aspectos de segurança que determinam o padrão, assim a adição de memórias com capacidade computacional fazem com que o trafego seja fácil para as funções de roteamento; são responsáveis pelo encaminhamento das mensagens entre os nós da rede, conectados nos terminais da rede através do mundo real. Estes dispositivos podem funcionar em toda a topologia do padrão, desempenhando a função de coordenador da rede e conseqüentemente  ter acesso a todos os outros dispositivos. Trata-se de dispositivos de construção mais complexa.

Dispositivos de funções reduzidas RFD são terminais usados pelo padrão para as portadoras com funcionalidades limitadas. São dispositivos normalmente simples, onde a comunicação é feita apenas entre dois nós. Controlam especialmente custos e complexidade da rede. Estão impossibilitadas a fazer roteamento por isso são utilizados nas margens das redes. Limitam-se a umaconfiguração com topologia em estrela, não podendo atuar como um coordenador da rede e pode comunicar-se apenas com um coordenador de rede. São dispositivos de construção mais simples.

Tabela 1: Rede Zigbee - Dispositivos lógicos e suas funções

Aplicações desenvolvidas com base no padrão IEEE 802.15.4 podem suportar as topologias estrela e ponto a ponto. Esta última proporciona a formação de redes mais complexas tais como árvore em cluster, e malha (mesh). Na topologia estrela, a comunicação é estabelecida entre dispositivos e um único controlador central, chamado coordenador PAN. O coordenador PAN pode ser alimentado por energia contínua, enquanto os outros dispositivos normalmente seriam alimentados por bateria. Após um FFD ser ativado pela primeira vez, ele pode estabelecer sua própria rede e tornar-se o Coordenador PAN. Cada rede inicializada escolhe um identificador PAN, que não é concorrentemente usado por alguma outra rede dentro da esfera de influência do rádio. Isto permite que cada rede estrela opere independentemente.  Uma vez que é escolhido o identificador PAN, o coordenador permite que outros dispositivos se liguem à sua rede. Todos os

dispositivos operando na rede, em qualquer topologia terão cada, um único endereço estendido de 64 bits. Este endereço poderá ser utilizado para comunicação direta dentro da PAN, ou pode ser trocado por um endereço curto alocado pelo coordenador PAN quando o dispositivo se associa.

A topologia ponto a ponto (peer to peer) também tem um coordenador PAN, contudo, difere da topologia em estrela pelo fato de que qualquer dispositivo FFD pode se comunicar com outro desde que ele esteja no seu raio de alcance de transmissão. Esta topologia permite a implementação de redes mais complexas, tais como formação em redes de malha ou em árvore (Cluster-tree). Uma rede ponto a ponto pode também permitir múltiplos saltos para rotear mensagens

de qualquer dispositivo para algum outro da rede. Tais funções são executadas pela camada de rede.

A rede Cluster-tree é um caso especial de uma rede ponto a ponto, onde a maioria dos dispositivos são FFDs e um dispositivo RFD pode conectar-se no final de um ramo. Qualquer FFD pode agir como um coordenador e prover serviços de sincronização para outros dispositivos e coordenadores, porém somente um desses coordenadores será o coordenador PAN.

Figura 2: Topologias IEEE 802.15.4

A rede ZigBee é  auto-organizável e usa apenas um canal de freqüência por rede o que o torna suscetível a interferências naquela freqüência. O modo de operação do roteamento ZigBee se baseia no mutl-caminho (multi-path)  e o algoritmo da camada de rede utiliza o protocolo reativo

AODV (Ad Hoc On-Demand Distance Vector). Nos protocolos reativos uma rota só é determinada quando um nó deseja enviar um pacote para outro nó, ou seja, o protocolo atua sob demanda. Desta forma, os recursos como banda passante e energia podem ser utilizados de uma forma mais eficiente, pois só são gastos quando há necessidade de descoberta de rotas. A desvantagem desses protocolos é o maior atraso no envio dos pacotes, pois se a rota do destino do pacote não for conhecida, o procedimento de descoberta de rota deve ser realizado.

O ZigBee utilize o mecanismo de segurança CCM (Counter with CBC-MAC) em conjunto com a criptografia AES-128 (Advanced Encryption Standard), mas com opção de empregar somente criptografia ou somente integridade. Três tipos de chaves são utilizadas na rede ZigBee: 1. Master Key que é comparada com a Join Key do WirelessHart e é necessária estabelecer á rede, 2. Link Key é utilizada para criptografia end-to-end, 3. Network Key trata-se de uma chave que é compartilhada por todos os dispositivos da rede. Todas as chaves podem ser fixadas de fábrica, ou distribuídas pelo centro de confiança (residindo no coordenador da rede), ou através de uma interface física. Para aumentar à segurança as chaves da rede podem ser renovadas periodicamente pelo centro de controle, aumentado a segurança da rede.

O ZigBee é indicado para a transferência de pequenos pacotes através de grandes redes, que sejam mais estáticas com uso não muito freqüente, além disso o fato de ser um protocolo para aplicações de baixo consumo e de baixo custo o tornam ideal para sistemas de monitoramento e sensorização como é o caso dos sistemas de automação doméstica, segurança, controle de iluminação e de acessos e etc.

Figura 3: Aplicações do Protocolo ZigBee