ZigBee Concepts 1: Architecture Basics

Introducción a la Tecnología de Redes Mesh

Conceptos Básicos de Redes Mesh

• La tecnología Zigbee se basa en redes mesh, donde cada dispositivo actúa como un punto de relé, a diferencia de las redes en estrella que dependen de un punto central.

• En una red en estrella, todo el tráfico pasa por un punto central, lo que puede crear cuellos de botella y puntos únicos de falla.

• Las redes mesh permiten múltiples rutas para la comunicación entre dispositivos, aumentando la fiabilidad al eliminar puntos centrales críticos.

Ventajas del Modelo Mesh

• Los nodos intermedios en una red Zigbee pueden actuar como fuentes o destinos, optimizando la comunicación y reduciendo la necesidad de dispositivos adicionales.

• La topología mesh maximiza el rango efectivo de comunicación y reduce costos al no requerir repetidores especializados o puntos de acceso centrales.

Comparación entre Topologías: Mesh vs Estrella y Árbol

Estructura y Funcionamiento

• En las topologías mesh, todos los dispositivos (FFDs) pueden enrutar mensajes entre sí, mientras que en las topologías estrella y árbol hay limitaciones estructurales.

• En una red en estrella, todos los nodos deben enrutar a través del coordinador PAN; en una red en árbol, deben seguir enlaces predefinidos.

Redundancia y Escalabilidad

• La eliminación del coordinador PAN como elemento crítico permite múltiples caminos para el tráfico, mejorando la escalabilidad y adaptabilidad a largo plazo.

• Aunque las redes Zigbee pueden configurarse como estrellas o árboles, tienen el potencial inherente para operar como redes mesh si hay suficientes FFD presentes.

Arquitectura del Sistema Zigbee

Capas del Sistema

• La arquitectura Zigbee incluye capas desde el control de acceso al medio (MAC) hasta aplicaciones específicas definidas por grupos dentro de la alianza Zigbee.

• El estándar IEEE 802.15.4 regula cómo los dispositivos acceden al espectro radioeléctrico sin licencia.

Implementación Práctica

• Existen dos conjuntos principales: Zigbee y Zigbee Pro; este último es más dominante en implementaciones actuales.

• Los perfiles de aplicación son definidos por grupos interesados que establecen directrices para casos específicos como automatización comercial o energía inteligente.

Modelos de Diseño e Implementación

Variantes Comunes

• Un modelo común es el RFIC (transceptor RF dedicado), donde un transceptor maneja funciones MAC pero depende de un microcontrolador externo para operaciones complejas.

• Este enfoque puede ser menos portátil debido a su dependencia específica del hardware utilizado.

Sistema en Chip (SoC)

Acceso a la funcionalidad de pila y diseño de hardware

Acceso a la funcionalidad de pila

• El acceso a la funcionalidad de la pila se proporciona generalmente como llamadas API de biblioteca, lo que puede implicar un acceso compartido a periféricos o recursos del microcontrolador entre la pila y la aplicación.

• Aunque el acceso compartido puede imponer restricciones al desarrollador de aplicaciones, resulta en los costos materiales más bajos entre los modelos discutidos.

Diseño de hardware y co-procesadores

• Se presenta el modelo del co-procesador de red (NXP), donde tanto la pila como las funcionalidades de bajo nivel residen en un solo chip para una mejor integración y eficiencia.

• La interfaz con la pila no es una biblioteca de llamadas a funciones, sino que utiliza una interfaz serial como SPI o UART mediante un protocolo serial propietario.

Flexibilidad en el diseño de aplicaciones

• Este modelo permite gran flexibilidad en el diseño de aplicaciones, permitiendo al diseñador ignorar muchos detalles sobre la implementación específica de la pila.

• Dependiendo del NCP implementado, el firmware del MCP puede exponer características adicionales o abstracciones del comportamiento de la pila para tareas aplicativas más complejas.

Cumplimiento y certificación Zigbee

• La capa de red Zigbee, así como MAC y F, se han implementado conforme a estándares que garantizan interoperabilidad con otros diseños.

• Los diseñadores que deseen crear productos compatibles con Zigbee deben basar sus diseños en plataformas certificadas por Zigbee.

Diferencias entre implementaciones Zigbee

• Existen dos tipos principales de implementaciones: Zigbee y Zigbee Pro; cada plataforma está certificada solo para uno debido a diferencias en sus conjuntos de características.

• La Alianza Zigbee supervisa las especificaciones del software relacionado con seguridad en redes y soporte para aplicaciones, promoviendo su uso globalmente.

Estructura organizativa y membresía

• La Alianza cuenta con más de 250 empresas miembros incluyendo desarrolladores, fabricantes OEM/ODM y proveedores.

• Hay tres clases dentro de los miembros: promotores, participantes y adoptantes; todos pueden participar en reuniones pero solo los promotores votan sobre cambios específicos.