AUTOR: Carlos Paras
ACTUALIZADO: Noviembre 30, 2021
Zigbee es una de las muchas formas de conectar dispositivos domésticos inteligentes a través de una red inalámbrica. En este artículo, explicaré cómo funciona Zigbee y por qué es útil en el mundo de la automatización del hogar.
¿Qué es Zigbee? Zigbee es un protocolo de comunicación inalámbrica de baja potencia basado en el estándar IEEE 802.15.4 para redes de área personal de baja velocidad (LR-WPAN). Se considera una alternativa más económica y eficiente en términos de energía que las tecnologías tradicionales de Bluetooth y Wi-Fi.
La especificación Zigbee ha existido durante más de 15 años. Se usa más comúnmente en hogares y edificios para conectar dispositivos de automatización y seguridad a Internet de forma inalámbrica.
Los dispositivos como termostatos inteligentes, interruptores de luz inteligentes y cerraduras inteligentes se pueden conectar a una red inalámbrica que se puede administrar en una interfaz de teléfono inteligente o computadora.
Zigbee también se utiliza en otras aplicaciones, como atención médica, energía inteligente, controles remotos y servicios minoristas.
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La Red de Malla Zigbee
Lo que diferencia a Zigbee de otros protocolos de comunicación es que la transferencia de datos no es únicamente punto a punto entre dos dispositivos de alta potencia. En cambio, los dispositivos Zigbee funcionan como una red de malla que puede proporcionar más confiabilidad a sus usuarios.
¿Qué es una red en malla? Una red en malla es una topología de red local donde los dispositivos de su infraestructura están interconectados entre sí.
Todos los dispositivos de una red en malla trabajan juntos para transferir datos de manera eficiente hacia o desde otros dispositivos.
Los tres ejemplos más comunes de redes de malla son LAN (red de área local), VLAN (LAN virtual) o WLAN (LAN inalámbrica). Se emplea una conexión descentralizada, ya sea una topología de malla parcial o una topología de malla completa.
En una topología de malla parcial, algunos dispositivos están conectados a todos los dispositivos de la red, mientras que otros dispositivos están conectados solo a los dispositivos con los que intercambian información.
Una topología de malla completa, como la que utiliza Zigbee, es donde cada dispositivo está conectado a todos los demás dispositivos de la red.
En una red Zigbee, los dispositivos transmiten señales a una distancia corta (de 10 a 100 metros), pero debido a que Zigbee utiliza una red de malla, cada dispositivo actúa como un repetidor y puede extender el rango de comunicación.
Además, las redes de malla son «autocuración», lo que significa que si un dispositivo no transporta y entrega una señal, otro dispositivo en la red puede recoger la señal y continuar enviándola al dispositivo objetivo.
Interoperabilidad de Zigbee
Todos los dispositivos compatibles con Zigbee son interoperables. Esto significa que incluso si los dispositivos son fabricados por diferentes fabricantes, se puede lograr interconectividad entre ellos.
Por ejemplo, supongamos que tiene un interruptor de luz inteligente fabricado por un fabricante y una bombilla inteligente fabricada por otro fabricante. Si ambos dispositivos están habilitados para Zigbee, podrán comunicarse entre sí y el interruptor de luz podrá encender o apagar la bombilla.
Por otro lado, si solo uno de los dispositivos está habilitado para Zigbee, los dispositivos no podrán comunicarse ni trabajar entre sí.
¿Cómo Zigbee Trabajo?
Imagen Cortesía de: Philips
Los dispositivos domésticos inteligentes están equipados con pequeños transmisores de radio que permiten la conectividad inalámbrica. Estos transmisores envían y reciben datos a través de una red personal a la que solo usted tiene acceso.
Zigbee utiliza tres tipos de dispositivos para hacer posible la interconectividad de red y la comunicación: el Coordinador Zigbee (ZC), el Enrutador Zigbee (ZR) y el Dispositivo Final Zigbee (ZED).
Zigbee Coordinator
El Coordinador Zigbee establece la base (o raíz) de la red. Cada red debe tener un (y solo uno) Coordinador Zigbee que gestione las funciones de la red y almacene la información de la red.
El Coordinador establece la red eligiendo qué canal utilizar para la comunicación de red.
El Coordinador también sirve como Centro de confianza para la red al administrar y distribuir claves de seguridad. Este proceso permite que otros dispositivos se unan o salgan de la red. Un coordinador de Zigbee debe estar alimentado todo el tiempo y no puede dormir.
Enrutador Zigbee
El enrutador Zigbee permite que se ejecuten las funciones de la aplicación. Sirve como enrutador intermedio entre otros dispositivos que comparten o intercambian información. Puede enviar, recibir y enrutar información dentro de su propia red o entre otras redes existentes.
También es capaz de dar permiso a otros enrutadores y dispositivos finales para unirse a la red. Un enrutador Zigbee no puede dormir y debe estar encendido todo el tiempo.
Dispositivo Terminal Zigbee
El Dispositivo Terminal Zigbee solo puede comunicarse con un Enrutador Zigbee o con el Coordinador Zigbee. Es el tipo de dispositivo más básico en una red Zigbee. Solo puede enviar o recibir información y generalmente funciona con pilas.
Un dispositivo final no puede enrutar información a otros dispositivos y, por lo tanto, no requiere mucha memoria. Tampoco puede permitir que otros dispositivos se unan a la red.
Los dispositivos terminales Zigbee no se usan con frecuencia, lo que les permite dormir durante un largo período de tiempo, lo que prolonga la vida útil de la batería.
Bandas de Radio Zigbee
Imagen Cortesía de: Yale
Zigbee opera en bandas de radiofrecuencia ISM. El acrónimo ISM significa » industrial, scientific, and medical.»Cualquier persona o empresa puede utilizar energía de radiofrecuencia en estas bandas para fines relacionados con actividades industriales, científicas o médicas.
Las bandas ISM no están destinadas a ser utilizadas con fines de telecomunicaciones. En su mayor parte, las bandas de radio ISM se utilizan para sistemas de comunicación inalámbrica de baja potencia como Zigbee, Bluetooth, Wi-Fi y RFID (identificación por radiofrecuencia).
Las bandas de radio ISM también se utilizan para calentar por radiofrecuencia (que es la forma en que los hornos de microondas cocinan los alimentos) y para máquinas de diatermia médica.
La comunicación Zigbee tiene una latencia muy baja, lo que significa que la transmisión de datos se realiza rápidamente sin mucho retraso. Cada dispositivo compatible con Zigbee tiene un chip Zigbee especial integrado en ellos.
Cada chip contiene microcontroladores y radios que permiten que los dispositivos se comuniquen entre sí.
Zigbee opera en la banda ISM de 2,4 GHz en la mayoría de las ubicaciones del mundo. Aunque hay otros lugares donde Zigbee puede operar en frecuencias más bajas.
Por ejemplo, en China, puede usar la banda de 784 MHz para Zigbee, y en Europa, puede usar la banda de 868 MHz. En Australia y los Estados Unidos, puede usar la banda de 915 MHz.
Mientras que Zigbee es capaz de operar en múltiples bandas de frecuencia, normalmente se usa en la banda de 2,4 GHz.
La banda de 2,4 GHz puede tener velocidades de transferencia de datos de hasta 250 kilobytes por segundo. La banda de 868 MHz tiene una velocidad de transmisión de datos de 20 kilobytes por segundo. Y la banda de 915 MHz tiene una velocidad de datos de 40 kilobytes por segundo.
Historia de Zigbee y La Alianza Zigbee
La década de 1990 fue una década importante para la innovación de la tecnología de comunicación inalámbrica. Bluetooth surgió en 1994 y Wi-Fi en 1997, mientras que Zigbee se desarrolló en 1998.
En 2002, varias empresas de base tecnológica se unieron para establecer la Alianza Zigbee. Su propósito es administrar el estándar Zigbee, promover su uso y distribuir perfiles de aplicaciones para que otras empresas los utilicen en sus productos tecnológicos.
Estos perfiles permiten a diferentes fabricantes producir productos compatibles con Zigbee que podrán trabajar juntos y compartir información con otros productos compatibles con Zigbee.
Hay tres niveles de membresía de Zigbee Alliance: el nivel de Adoptante, el nivel de Participante y el nivel de Promotor.
El nivel de Adoptante da a los miembros el derecho de acceder a los estándares y especificaciones Zigbee completados. Los miembros adoptivos incluyen ARC Technology Company Limited, Emporia Energy, Verizon, SmartPlus Inc., AXIS Labs Inc., Tecnologías de Catapulta y Carrier.
El nivel de Participante da a los miembros el derecho a votar e influir en futuros desarrollos de Zigbee. También tienen derecho a acceder rápidamente a las normas y especificaciones de desarrollo de productos.
Los miembros participantes incluyen V-Mark Universal Electronics, Toshiba, Telink Semiconductor, Data Communications Company, Samsung, Bosch, Lowe’s, IKEA y Spectrum.
El nivel de promotor tiene aprobación final sobre todos los estándares. Forman parte de la junta directiva de Zigbee Alliance, y otorgan derechos de voto automático a cada grupo de trabajo.
Los miembros promotores más grandes incluyen Amazon, Comcast, Huawei, MMB Networks, NXP, Legrand y Texas Instruments.
Desde su formación, Zigbee Alliance se ha expandido a más de 400 organizaciones diferentes en 37 países de todo el mundo.
La normalización de Zigbee tuvo lugar en 2003, y la ratificación de la especificación IEEE 802.15.4 tuvo lugar en 2004. Al año siguiente, la disponibilidad pública de la especificación Zigbee fue anunciada el 13 de junio de 2005.
Seguridad Zigbee
Imagen cortesía de: SmartThings
Zigbee utiliza cifrado AES de 128 bits y se basa en el modelo de seguridad definido en IEEE 802.15.4 estándar. Las redes y dispositivos Zigbee utilizan dos tipos de claves de seguridad para comunicarse: una clave de red y una clave de enlace.
Clave de red
Todos los dispositivos de la red comparten y utilizan una clave de red para transferir mensajes de forma segura. Es generado por el Centro de Confianza (que a menudo es el coordinador de la red) y se envía a todos los dispositivos nuevos que se unen a la red.
Clave de enlace
Una clave de red nunca se envía a dispositivos sin cifrar. El Centro de confianza está preconfigurado con una clave de enlace que se utiliza para proteger la clave de red cuando se transmite a los dispositivos de unión.
Las claves de enlace también se utilizan para la comunicación cifrada entre dos dispositivos. Estas claves de enlace únicas se comparten solo entre los dos dispositivos y son generadas y proporcionadas por el Centro de confianza.
Modelos de seguridad Zigbee
Zigbee ofrece dos tipos de modelos de seguridad: distribuidos y centralizados. Estos dos modelos difieren en la forma en que permiten que nuevos dispositivos se unan a la red y en la forma en que aseguran la comunicación en toda la red.
Modelo de seguridad distribuido
Un modelo de seguridad distribuido es un tipo de sistema simple, pero menos seguro. Se compone de dos tipos de dispositivos, enrutadores y dispositivos finales. Cuando un router está encendido, puede formar una red de seguridad distribuida si no detecta una red existente.
En este tipo de red, cualquier enrutador puede permitir que otros enrutadores y dispositivos finales se unan emitiendo la clave de red. Todos los dispositivos de una red de seguridad distribuida utilizan la misma clave de red para cifrar mensajes.
Para unirse a la red, los enrutadores y dispositivos deben tener una clave de enlace preconfigurada. Esta clave de enlace se utiliza para cifrar la clave de red al pasarla a dispositivos recién unidos.
Modelo de seguridad centralizado
Un modelo de seguridad centralizado proporciona un mayor nivel de seguridad que hace que el sistema sea un poco más complicado. Además de enrutadores y dispositivos finales, este modelo incluye un tercer tipo de dispositivo: el coordinador de red o el Centro de confianza.
El Centro de confianza forma una red de seguridad centralizada configurando y autenticando los dispositivos que se unen a la red. Genera la clave de red que cada dispositivo utilizará para cifrar mensajes en toda la red. Esta clave de red se puede actualizar periódicamente (ya sea automáticamente o bajo demanda) para reducir el riesgo de piratería informática.
El Centro de Confianza también distribuye una clave de enlace de Centro de Confianza única a los dispositivos a medida que se unen a la red. Los dispositivos utilizan esta clave de enlace para comunicarse de forma segura con el Centro de confianza.
Beneficios de Zigbee
En resumen, Zigbee ofrece una forma segura, fiable, de bajo costo y bajo consumo de energía para conectar dispositivos de forma inalámbrica a través de Internet. Con cientos de dispositivos domésticos inteligentes Zigbee disponibles, no es de extrañar por qué Zigbee es tan popular y tan ampliamente utilizado.
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