AUTOR: Carlos Par
ATUALIZADO: novembro de 30, 2021
Zigbee é uma das muitas formas de se conectar de casa inteligente de dispositivos em uma rede sem fio. Neste artigo, explicarei como o Zigbee funciona e por que é útil no mundo da automação residencial.
o que é o Zigbee? Zigbee é um protocolo de comunicação sem fio de baixa potência construído sobre o padrão IEEE 802.15.4 para redes de Área Pessoal de baixa taxa (LR-WPAN). É considerada uma alternativa mais eficiente em termos de energia e econômica às tecnologias tradicionais de Bluetooth e Wi-Fi.
a especificação Zigbee existe há mais de 15 anos. É mais comumente usado em residências e edifícios para conectar dispositivos de automação e segurança sem fio à internet.
dispositivos como termostatos inteligentes, Interruptores de luz inteligentes e fechaduras inteligentes podem ser conectados em uma rede sem fio que pode ser gerenciada em uma interface de smartphone ou computador.
Zigbee também é usado em outras aplicações, como cuidados de saúde, Energia Inteligente, Controles Remotos e serviços de varejo.
Smart Home Trata @ Amazon
O Zigbee Rede de Malha
o Que diferencia Zigbee de outros protocolos de comunicação é que a transferência de dados não é o único ponto-a-ponto entre dois dispositivos alimentados. Em vez disso, os dispositivos Zigbee operam como uma rede mesh que pode fornecer mais confiabilidade aos seus usuários.
o que é uma rede mesh? Uma rede mesh é uma topologia de rede local onde os dispositivos em sua infraestrutura estão interconectados entre si.
todos os dispositivos em uma rede mesh trabalham juntos para transferir dados de forma eficiente de ou para outros dispositivos.
os três exemplos mais comuns de redes mesh são LAN (rede local), VLAN (LAN virtual) ou WLAN (LAN sem fio). Uma conexão descentralizada é empregada, seja uma topologia de malha parcial ou uma topologia de malha completa.
em uma topologia de malha parcial, alguns dispositivos são conectados a todos os dispositivos da rede, enquanto outros dispositivos são conectados apenas aos dispositivos com os quais trocam informações.
uma topologia de malha completa, como a que o Zigbee USA, é onde cada dispositivo está conectado a todos os outros dispositivos da rede.
em uma rede Zigbee, os dispositivos transmitem sinais a uma curta distância (10 a 100 metros), mas como o Zigbee utiliza uma rede mesh, cada dispositivo atua como repetidor e pode estender o alcance de comunicação.
além disso, as redes mesh são “autocura”, o que significa que se um dispositivo não conseguir transportar e entregar um sinal, outro dispositivo na rede pode captar o sinal e continuar a enviá-lo para o dispositivo alvo.
interoperabilidade Zigbee
todos os dispositivos habilitados para Zigbee são interoperáveis. Isso significa que, mesmo que os dispositivos sejam feitos por diferentes fabricantes, a interconectividade pode ser alcançada entre eles.Por exemplo, digamos que você tenha um interruptor de luz inteligente feito por um fabricante e uma lâmpada inteligente feita por outro fabricante. Se ambos os dispositivos estiverem habilitados para Zigbee, eles poderão se comunicar uns com os outros e o interruptor de luz poderá ligar ou desligar a lâmpada.
por outro lado, se apenas um dos dispositivos estiver habilitado para Zigbee, os dispositivos não poderão se comunicar ou trabalhar uns com os outros.
Como Funciona O Zigbee?
Imagem Cortesia de: Philips
os dispositivos Smart home estão equipados com pequenos transmissores de rádio que permitem conectividade sem fio. Esses Transmissores enviam e recebem dados por meio de uma rede pessoal à qual somente você tem acesso.
o Zigbee usa três tipos de dispositivos para tornar possível a interconectividade e a comunicação da rede: o Zigbee Coordinator (ZC), o Zigbee Router (ZR) e o Zigbee End Device (ZED).
Coordenador Zigbee
o coordenador Zigbee estabelece a base (ou raiz) da rede. Cada rede deve ter um (e apenas um) coordenador Zigbee que gerencia funções de rede e armazena informações de rede.
o coordenador estabelece a rede escolhendo qual canal usar para comunicação de rede.
o coordenador também serve como centro de confiança para a rede, gerenciando e distribuindo chaves de segurança. Esse processo permite que outros dispositivos entrem ou saiam da rede. Um coordenador Zigbee deve ser alimentado o tempo todo e não pode dormir.
roteador Zigbee
o roteador Zigbee permite que as funções do aplicativo sejam executadas. Ele serve como um roteador intermediário entre outros dispositivos que estão compartilhando ou trocando informações. Ele pode enviar, receber e rotear informações dentro de sua própria rede ou entre outras redes existentes.
também é capaz de dar permissão a outros roteadores e dispositivos finais para ingressar na rede. Um roteador Zigbee não pode dormir e deve ser alimentado o tempo todo.
dispositivo final Zigbee
o dispositivo final Zigbee só pode se comunicar com um roteador Zigbee ou o coordenador Zigbee. É o tipo de dispositivo mais básico em uma rede Zigbee. Ele só pode enviar ou receber informações e geralmente é alimentado por bateria.
um dispositivo final não pode encaminhar informações para outros dispositivos e, portanto, não requer muita memória. Também não pode permitir que outros dispositivos entrem na rede.
os dispositivos finais Zigbee não são usados com frequência, permitindo que durmam por um longo período de tempo, o que prolonga a vida útil da bateria.
Bandas de rádio Zigbee
Imagem Cortesia de: Yale
Zigbee opera em bandas de radiofrequência ISM. A sigla ISM significa ” industrial, científico e médico.”Qualquer pessoa ou empresa pode utilizar energia de radiofrequência nessas bandas para fins relacionados a atividades industriais, científicas ou médicas.
as bandas ISM não se destinam a ser utilizadas para fins de telecomunicações. Na maior parte, as bandas de rádio ISM são usadas para sistemas de comunicação sem fio de baixa potência, como Zigbee, Bluetooth, Wi-Fi e RFID (identificação por radiofrequência).
as bandas de rádio ISM também são usadas para aquecimento por radiofrequência (que é como os fornos de microondas cozinham alimentos) e máquinas de diatermia médica.
A comunicação Zigbee tem latência muito baixa, o que significa que a transmissão de dados acontece rapidamente sem muito atraso. Cada dispositivo habilitado para Zigbee possui um chip Zigbee especial integrado a eles.
cada chip contém microcontroladores e rádios que permitem que os dispositivos se comuniquem entre si.
Zigbee opera na banda ISM de 2,4 GHz na maioria dos locais em todo o mundo. Embora existam outros locais onde o Zigbee Pode operar em frequências mais baixas.
por exemplo, na China, você pode usar a banda de 784 MHz para Zigbee, e na Europa, você pode usar a banda de 868 MHz. Na Austrália e nos Estados Unidos, você pode usar a banda de 915 MHz.
embora o Zigbee seja capaz de operar em várias bandas de frequência, ele é normalmente usado na banda de 2,4 GHz.
a banda de 2,4 GHz pode ter taxas de transferência de dados tão altas quanto 250 kilobytes por segundo. A banda de 868 MHz tem uma taxa de dados de 20 kilobytes por segundo. E a banda de 915 MHz tem uma taxa de dados de 40 kilobytes por segundo.
a história do Zigbee e a Aliança Zigbee
a década de 1990 foi uma grande década para a inovação da tecnologia de comunicação sem fio. O Bluetooth surgiu em 1994 e o Wi-Fi em 1997, enquanto o Zigbee foi desenvolvido em 1998.
em 2002, várias empresas de base tecnológica se uniram para estabelecer a Aliança Zigbee. Seu objetivo é gerenciar o padrão Zigbee, promover seu uso e distribuir perfis de aplicativos para outras empresas usarem em seus produtos de tecnologia.
esses perfis permitem que diferentes fabricantes produzam produtos habilitados para Zigbee que poderão trabalhar juntos e compartilhar informações com outros produtos habilitados para Zigbee.
existem três níveis de associação da Aliança Zigbee: o nível do adotante, o nível do Participante e o nível do Promotor.
o nível adotante dá aos Membros o direito de acessar os padrões e especificações ZigBee concluídos. Os membros adotantes incluem ARC Technology Company Limited, Emporia Energy, Verizon, SmartPlus Inc., AXIS Labs Inc., Catapulta tecnologias e transportadora.
o nível do participante dá aos Membros o direito de votar e influenciar futuros desenvolvimentos do Zigbee. Eles também têm direito ao acesso antecipado aos padrões e especificações de desenvolvimento de produtos.Os membros participantes incluem V-Mark Universal Electronics, Toshiba, Telink Semiconductor, Data Communications Company, Samsung, Bosch, Lowe’s, IKEA e Spectrum.
o nível de promotor tem aprovação final sobre todos os padrões. Eles fazem parte do Conselho de administração da Zigbee Alliance e dão direitos de voto automático a cada grupo de trabalho.Os maiores membros promotores incluem Amazon, Comcast, Huawei, MMB Networks, NXP, Legrand e Texas Instruments.Desde a sua formação, a Zigbee Alliance expandiu-se para mais de 400 organizações diferentes em 37 países ao redor do mundo.
a padronização Zigbee ocorreu em 2003, e a ratificação da especificação IEEE 802.15.4 ocorreu em 2004. No ano seguinte, a disponibilidade pública da especificação Zigbee foi anunciada em 13 de junho de 2005.
Zigbee Segurança
Imagem Cortesia de: SmartThings
Zigbee utiliza encriptação AES de 128 bits e é construído sobre o modelo de segurança definidos no padrão IEEE 802.15.4 padrão. As redes e dispositivos Zigbee usam dois tipos de chaves de segurança para se comunicar: uma chave de rede e uma chave de link.
chave de rede
uma chave de rede é compartilhada e usada por todos os dispositivos na rede para transferir mensagens com segurança. É gerado pelo Trust Center (que na maioria das vezes é o coordenador da rede) e é enviado para todos os novos dispositivos que ingressam na rede.
Link Key
uma chave de rede nunca é enviada para dispositivos não criptografados. O centro de confiança é pré-configurado com uma chave de link que é usada para proteger a chave de rede quando ela está sendo transmitida para dispositivos de união.
as chaves de Link também são usadas para comunicação criptografada entre dois dispositivos. Essas chaves de link exclusivas são compartilhadas apenas entre os dois dispositivos e são geradas e fornecidas pelo Trust Center.
modelos de segurança Zigbee
a Zigbee oferece dois tipos de modelos de segurança: distribuídos e centralizados. Esses dois modelos diferem na maneira como permitem que novos dispositivos se juntem à rede e como protegem a comunicação em toda a rede.
modelo de segurança distribuída
um modelo de segurança distribuída é um tipo de sistema simples, mas menos seguro. É composto por dois tipos de dispositivos, roteadores e dispositivos finais. Quando um roteador é ligado, ele pode formar uma rede de segurança distribuída se não detectar uma rede existente.
neste tipo de rede, qualquer roteador pode permitir que outros roteadores e dispositivos finais se juntem emitindo a chave de rede. Todos os dispositivos em uma rede de segurança distribuída usam a mesma chave de rede para criptografar mensagens.
para ingressar na rede, os roteadores e dispositivos devem ter uma chave de link pré-configurada. Esta chave de link é usada para criptografar a chave de rede ao passá-la para dispositivos recém-Unidos.
modelo de segurança centralizado
um modelo de segurança centralizado fornece um nível mais alto de segurança, o que torna o sistema um pouco mais complicado. Além de roteadores e dispositivos finais, esse modelo inclui um terceiro tipo de dispositivo: o coordenador de rede ou o centro de confiança.
o Trust Center forma uma rede de segurança centralizada configurando e autenticando dispositivos que se juntam à rede. Ele gera a chave de rede que cada dispositivo usará para criptografar mensagens em toda a rede. Esta chave de rede pode ser atualizada periodicamente (automaticamente ou sob demanda) para reduzir o risco de hacking.
o Trust Center também distribui uma chave de Link do Trust Center exclusiva para dispositivos à medida que eles se juntam à rede. Esta chave de link é usada por dispositivos para se comunicar com segurança com o centro de confiança.
benefícios do Zigbee
para resumir tudo, o Zigbee oferece uma maneira barata, de baixa potência, altamente confiável e segura de conectar dispositivos sem fio pela internet. Com centenas de dispositivos domésticos inteligentes Zigbee disponíveis, não é de admirar por que o Zigbee é tão popular e tão amplamente utilizado.
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