ZigBee para monitoreo y control.
El término ZigBee nació de la asociación con el movimiento de las abejas danzantes, que recuerda a un zigzag: de esta manera intercambian información.
Este estándar es el resultado de la trabajo conjunto de varias empresas unidas en la ZigBee Alliance.
El estándar proporciona especificaciones para el desarrollo de redes de sensores inalámbricos de bajo costo y baja potencia que operan de manera coordinada y autónoma.
Las principales ventajas de ZigBee:
– confiabilidad y capacidad de autoorganización;
– gran número de nodos compatibles;
– facilidad de instalación;
– larga duración de la batería (un año o más);
– seguridad ;
– bajo costo;
– amplia gama de uso;
– garantizar la intercambiabilidad de redes y nodos
– independencia del fabricante del equipo.
¿Qué es el estándar IEEE 802.15 .4
IEEE 802.15.4 es un estándar del Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE) para redes de área personal inalámbricas (WPAN) de baja velocidad que define las capas de acceso físico y medio.
Especificaciones: para la capa física, o PHY, para radiodifusión de espectro ensanchado de baja potencia a 2,4 GHz con una velocidad de bits base de 250 kilobits por segundo, y para 915 MHz y 868 MHz con velocidades de bits reducidas.
Información detallada en el sitio web del Grupo de Trabajo IEEE 802.15 para WPAN: http://ieee802.org/15/pub/TG4.html.
El estándar IEEE 802.15.4 proporciona tres rangos de frecuencia
Diferencia ZigBee de otros estándares inalámbricos
Existen muchos estándares que definen parámetros de velocidad media y alta para voz, redes de área local inalámbricas, vídeo, etc.
Sin embargo, hasta hace poco, no existía un estándar de red inalámbrica que satisficiera las necesidades específicas de los dispositivos de sensores y control, que, al usar baterías de larga duración y soportar una gran cantidad de dispositivos en la red, no requieren un alto rendimiento, pero sí una baja latencia y un costo económico. consumo de energía.
Se producen muchos sistemas inalámbricos especializados con estas características, pero existen fuera de los estándares, lo que genera problemas con la interacción entre sí y el cumplimiento de las nuevas tecnologías.
Ubicación relativa de los estándares inalámbricos
Áreas reales de uso de ZigBee
ZigBee es perfecto para resolver una amplia gama de tareas en la gestión automatizada de edificios, control y monitorización tecnológica, médica.
– control de iluminación;
– control tecnológico y estructural;
– control de aire acondicionado y calefacción;
– lectura automática de contadores;
– funcionamiento de detectores inalámbricos de humo y CO;
– control de locales, funcionamiento de sistemas de seguridad;
– seguimiento de parámetros ambientales;
– lectura y control médico;
– gestión de activos.
Usando ZigBee
Por ejemplo, los sensores instalados en los contenedores, en cada uno de ellos, se autoorganizan en una red, y las redes individuales en la red general del portacontenedores y transmiten datos sobre el estado de la carga al centro de control.
ZigBee desde el punto de vista del fabricante
Proveedores de soluciones ZigBee
El fabricante que desarrolla un dispositivo compatible con ZigBee debe seleccionar proveedores de tecnología ZigBee.
Ellos, a su vez, proporcionarán software (pila ZigBee) junto con un transceptor de radio y un microcontrolador.
Los principales fabricantes de chips ZigBee son Freescale, Texas Instruments (TI) y Atmel. Entre otros, destacamos Ember, STMicroelectronics, Silicon Laboratories y Jennic.
Los procesadores más populares del mercado son ATmega1281 (Atmel), MSP430 (TI) y HC08 (Freescale).
Sus tamaños de memoria flash varían de 64 KB a 256 KB (se requieren al menos 128 KB para instalar una pila ZigBee).
Chipcon (como el transceptor CC2420), parte de TI, y Freescale (MC13192) ofrecen transceptores de radio. La radio EM2420 de Ember es una versión con licencia del CC2420. En junio de este año, Atmel finalmente presentó el nuevo transceptor de radio AT86RF230.
La larga espera valió la pena ya que el RF230 proporciona un rango de cobertura aproximadamente tres veces mayor que el de la competencia.
La mayoría de los transceptores de radio funcionan a una frecuencia de 2,4 GHz, aunque ZMD también ofrece transceptores de radio con frecuencias más bajas de 868 y 915 MHz (por ejemplo, ZMD).
Recientemente, se han desarrollado soluciones basadas en los llamados sistemas en un chip (Sistema +on+Chip, SoC). Jennic abrió el camino con el JN512.
Le siguió Chipcon con el CC2430, Ember con el EM250 y Freescale con el MC1321. Entre los principales actores existe una tendencia a ampliar la producción de este tipo de soluciones.
Ejemplo de un módulo ZigBee y una placa de sensor con dos chips
Módulo o Sistema en un Chip
Los proveedores de ZigBee tienen Desarrollamos módulos diseñados para facilitar el proceso de creación de aplicaciones. Estos módulos contienen transceptores de radio y microcontroladores, así como los elementos pasivos necesarios.
Los módulos no son en ningún caso una etapa intermedia entre las soluciones basadas en dos chips y un sistema en un chip. Ocupan un nicho separado.
El uso de un módulo ZigBee le permite acortar el ciclo de desarrollo, ya que no hay necesidad de conocimientos de radio adicionales.
Los módulos, por regla general, ya están certificados (FCC/CE) y pueden integrarse fácilmente incluso en un tablero de dos capas. Son más caros que los sistemas con chip, pero esto se compensa con una serie de ventajas.
La mayoría de los fabricantes (por ejemplo, Cirronet, Helicomm, MaxStream, Radiocraft y Telegesis) utilizan transceptores de radio de Chipcon (TI) y Freescale.
El módulo con el transceptor Atmel AT86RF230 actualmente solo se produce por MeshNetics.
El módulo con el transceptor Atmel AT86RF230 actualmente es producido únicamente por MeshNetics.
Para el desarrollador
Los fabricantes de chips y módulos suelen ofrecer kits de desarrollo y demostración.
Un conjunto típico incluye placas de sensores, radio, microcontrolador con software del sistema, accesorios y software de gestión de redes inalámbricas. El objetivo principal del kit es dar una idea de las capacidades de un módulo o chip y proporcionar las condiciones para el desarrollo de aplicaciones sencillas.
Factor software
El software es un factor crítico en el desarrollo de aplicaciones ZigBee+. ZigBee+stack define la opción para la formación de redes y el intercambio de datos.
La arquitectura de la pila es un conjunto de bloques llamados capas. Cada capa es responsable de un conjunto específico de funciones de la capa superior.
Diagrama de pila ZigBee
Posibles configuraciones de red y roles de nodo
ZigBee admite tres topologías de red diferentes: estrella, malla e “híbrida” (árbol de clústeres).
La topología en “estrella”, al ser la más simple, se utiliza con bastante frecuencia. La topología de malla proporciona un alto grado de confiabilidad. Los bloques de datos se pueden transmitir a través de la red a través de varios nodos y enrutadores.
Si hay interferencia en ciertos nodos, se pueden usar otros en su lugar.
«Híbrida» la red combina ambas topologías.
Los principales proveedores de pilas ZigBee+ son Figure8 Wireless (ahora parte de TI), Freescale, Ember, CompXs (adquirida por Integration Associates). Las pilas fueron creadas por ellos mismos en combinación con las correspondientes soluciones de hardware. También hay varios proveedores de pilas independientes, como AirBee, MeshNetics y Mindtek.
Adquisición de datos inalámbrica
El valor de una red de sensores inalámbricos es evidente en la adquisición de información de los sensores.
Por lo tanto, un software correctamente escrito se convierte en una condición necesaria para el pleno funcionamiento de la red. Las funciones de dicho software incluyen configuración de red, prueba y monitoreo de nodos, recepción de datos de sensores y control de unidades.
El problema es que la mayoría de las empresas ya cuentan con uno u otro sistema de TI, cuyo reemplazo parece indeseable. Un ejemplo es un sistema de supervisión, control y adquisición de datos SCADA.
Hoy en día, la mayoría de sus opciones son cableadas y, por lo tanto, con funcionalidad limitada, ya que solo una pequeña parte de los componentes y tecnologías críticas están automatizadas o monitoreadas.
Al mismo tiempo, el coste de la instalación del cable puede alcanzar los 300 dólares. por 1 m, y además, las soluciones cableadas simplemente no son posibles en algunos puntos y nodos remotos, de difícil acceso y peligrosos. Y los sistemas inalámbricos son perfectos para la automatización de edificios.
Sus sensores se pueden instalar casi en cualquier lugar, lo que le permite obtener datos más precisos sobre el estado real de los objetos y reducir significativamente los costos debido al costo. cableado de ahorro.
Esto sucede, por ejemplo, cuando se utiliza ZigBee en un sistema de control HVAC (calefacción, ventilación y aire acondicionado).
El paso a redes de sensores inalámbricas supera así las limitaciones de las soluciones cableadas.
Sin embargo, quedan preguntas: ¿cómo recibirán los sistemas de TI existentes información de los sensores inalámbricos? ¿Es posible integrar sin problemas nuevas redes de sensores inalámbricos con los sistemas de TI existentes?
Después En definitiva, las empresas que han invertido mucho dinero en instalar estos sistemas y formar al personal no los van a abandonar, pero al mismo tiempo les gustaría aprovechar las últimas tecnologías.
Para estos fines, las empresas Crossbow, MeshNetics y Tendril Networks ya ofrecen paquetes del llamado middleware.
Generalmente se instala en el servidor entre la WSN (red de sensores inalámbricos) y el sistema empresarial.
El middleware filtra datos y transfiere la información necesaria a las aplicaciones del sistema de TI empresarial.
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