El 13 de Junio de 2005 se han hecho publicas y disponibles ( non commercial purpose) para universidades, centros de desarrollo e individuales las especificaciones de Zigbee en San Ramón, California, por parte de la alianza Zigbee (tm).

El pasado 5 de Noviembre de 2007, se anunció la finalización de la aplicación públia ZigBee Home Automation y su disponibilidad inmediata al púbico de forma gratuita.Con la ZigBee HA se ofrece a los fabricantes, integradores, desarrolladores, etc., la opción de trabajar bajo un enfoque basado en estándares a la hora de introducir los nuevos productos dedicados a la domótica o automatización del hogar, eliminando así la necesidad de hacerlo sobre tecnología patentada.

Esta nueva aplicación, definida por la propia ZiBee Alliance como el nuevo estándar global para la automatización del hogar, permite que las aplicaciones domóticas desarrolladas por los fabricantes sean completamente interoperables entre sí, garantizando así al cliente final fiabilidad, control, seguridad y comodidad.

Además la ZigBee Alliance también deja disponible para su acceso la ZigBee Cluster Library, ofreciendo de este modo a los ingenieros y demás integradores, deseosos de trabajar bajo este estándar mundial idóneo para los servicios domóticos, bloques de construcción para aplicaciones con necesidades bajo el denominador común de la automatización residencial, reduciendo de este modo las labores de desarrollo y permitiendo implementaciones más precisas.

Para cualquier interesado en la domótica y en especial aquellos que no hacen más que pensar en la domótica inalámbrica como única solución de futuro, es altamente recomendable la lectura de este documento, accesible desde la propia página de la Zigbee Alliance, en el que encontraréis con más detalle del esperado las caracterísitcas y funcionalidades que deben cumplir los dispositivos, las luces, las escenas, los dispositivos HVAC, etc e incluso la codificación de localizaciones de cada uno de los elementos. Una auténtica labor de abstracción que parece indicar que las labores de la Zigbee Alliance no se han quedado paralizadas.

El ZigBee se convierte en los cimientos necesarios para la domótica mas racional y con mas sentido común, su bajo consumo, su sistema de comunicaciones vía radio ( con topología MESH), su integración que permite fabricar nodos con muy poca electrónica, y el hecho de que ya tengamos en la calle la Zigbee v1.0, lo hacen posible.

El estándar de ZigBee proporciona la red de comunicaciones, la seguridad con algoritmos empotrados, y los servicios de apoyo para aplicaciones que operan encima de la capa IEEE 802.15.4, el Control (MAC) y la capa fisica (PHY) , y una topología de red tan variada como aplicaciones pudieran ser imaginadas, claro esta que la topología elegida debe ser la mas apropiada para la aplicación final buscada.

En nuestro caso y sin temor a dudas la topología debe ser la de malla ( MESH), sin olvidar algunas aplicaciones especificas que obligaran a tener en cuenta (estrellas o arboles ), configurando un híbrido de topología.

La interoperabilidad, mientras ZigBee es un estándar abierto, no debemos olvidar que no existe una definición completa y especifica de como acometer desarrollos con los productos que vamos a necesitar, por lo que se puede caer en el error de pensar que todo lo que saldrá al mercado de la domótica va a ser compatible con cada uno de todos los posibles desarrollos que salgan de terceros y nada mas lejos de la realidad, esto solo ocurriría si se tuviese un consenso entre como se deben de comportar cada uno de los nodos diseñados para un uso especifico, y eso no va a ocurrir, no al menos a nivel internacional, aunque si que vamos a encontrar en la alianza unos perfiles públicos ( p.eje. los nodos destinados a iluminación o HVAC..) que seguidos a pie juntillas aseguran la compatibilidad entre fabricantes distintos.

La posibilidad de cerrar perfiles privados puede llevarnos a sistemas zigbee tan cerrados como el EIB en cable ( supuesto estándar que solo esta al abasto de ciertos fabricantes y que obliga a pasar por ello cuando se quiere desarrollar algo), otra cosa es que alguna de las empresas de la alianza empiece a liderar sectores determinados de mercado ( cosa que nadie ha hecho en Domótica todavía ) y en ese caso el perfil privado puede ser la piedra roseta de un estándar de uso ( siempre estará el tema de royalties..pero ese es un mal menor si el producto tiene una verdadera penetración en el mercado...o sea es un estándar real).

El consejo es ceñirse a los perfiles públicos lo mas posible e ir añadiendo solo aquellos perfiles ( privados) de lo que no encontramos ( siempre y cuando uno pueda pagar la membresia en la alianza y le asignen un Id para su perfil)....buena estrategia seria liberar el código a terceros de esos perfiles privados que vayamos conformando...esto al menos nos asegura que no seremos los únicos y la apertura de código siempre a medio/largo plazo es una buena estrategia de ventas, bien, siempre y cuando uno no quiera convertirse en el MicroDOMOsoft de la domótica.

La capa de transporte también la deja zigbee en manos de los distintos fabricantes de chipsets por lo que siempre será mas fácil desarrollar en monocolor y estar al tanto de quien de todos acaba vendiendo mas chipsets con su electrónica y sus definiciones.

La seguridad ya viene implícita en el Zigbee por lo que no nos dará dolor de cabeza desarrollar sabiendo que podemos usar AES 128 bits y el 802.15.4, que tipo de seguridad cojamos será una decisión nuestra y esto dependerá del uso de las comunicaciones a tratar....en Domodesk abogamos por hacer paquetes de transmisión livianos ( seguridad bien balanceada...no extrema) y dejar para las capas de aplicativos software el sello o triquiñuelas para que nuestro sistema no sea pasto del dominio publico ( es decir , que las transmisiones del cliente en su hogar sean al menos tan seguras como su puerta blindada o alarma conectada). El concepto de "TRUST CENTER" y la asignación de claves en zigbee nos dejara el camino limpio para desarrollar seguros en Zigbee.

Ni que decir tiene que Zigbee nos deja el camino alisado para el tema de RF pero aun así habrá que disponer de un micro ,llámese DSP ,microcontrolador , etc...para hacerlo servir en nuestro cábalas de sistema, pensamos que el mercado empezara a sacar ofertas de chips "todo en uno" que hará mas fácil el desarrollo.

Zigbee esta servido y en Ericsson (Fortaleza Bluetooth) ya hace tiempo que hablan de un Bluetooth light para hacerle frente.. (no pensamos que tengan nada que hacer en el terreno de lo nuestro, la domótica).

En Domodesk fuimos los primeros ya hace algunos años en hablar de este Zigbee ( zumbido de abejas ) en nuestra DOMOLISTA y tambien colaboramos en un proyecto, hasta el día de la fecha frustrado por razones políticas, llamado por nosotros OSIRIS RF, y de igual manera que en los primigenios tiempos del Bluetooth, se corre el riesgo de ensalzarlo demasiado sin tan siquiera haber puestos los pies en tierra,....seamos cautos, al menos los periodistas, ZIGBEE es una buena tecnología para la Domótica...pero hace falta que los que se pongan a hacer cosas sean también buenos en aplicarla, y eso esta aun por ver. Ah, por cierto, el tema de la homologación pasa por el TÜV. Introducción a Zigbee.

ZigBee es una alianza, sin ánimo de lucro, de más de 100 empresas, la mayoría de ellas fabricantes de semiconductores, con el objetivo de auspiciar el desarrollo e implantación de una tecnología inalámbrica de bajo coste.

Destacan empresas como Invensys, Mitsubishi, Honeywell, Philips y Motorola que trabajan para crear un sistema estándar de comunicaciones, vía radio y bidireccional, para usarlo dentro de dispositivos de domótica, automatización de edificios (inmótica), control industrial, periféricos de PC , juguetería, sensores médicos. Los miembros de esta alianza justifican el desarrollo de este estándar para cubrir el vacío que se produce por debajo del Bluetooth.

Durante los últimos años, hemos vivido una gran expansión de dispositivos de control remoto en nuestra vida diaria. Hace unos años, los mandos de TV por infrarrojos eran los únicos dispositivos de control remoto en nuestros hogares. Ahora nos quedamos sin dedos de la mano para contar todo lo que podemos controlar remotamente en nuestra casa: la TV, cadena de música, aire acondicionado, DVD, video, cámara digital, Home Cinema, Satelite, abrir las puertas del coche, el mando del garaje, la alarma.

Para interactuar remotamente con todos estos dispositivos, necesitamos trabajar con un solo estándar para poder tenerlos todos bajo una misma red, específicamente en nuestro hogar. Uno de los protocolos más prometedores es ZigBee, basado en el estándar IEEE 802.15.4. Con este ‘A FONDO’ pretendemos que conozcas que es ZigBee, como funciona y por qué es uno de los futuros de la domótica a nivel mundial...

Pero hasta entonces, se han creado nuevas redes Wireless, como Wi-Fi, Bluetooth, y otras venideras WiMAX, USB inalámbrico, etc. En la tabla 1 representamos una comparativa de las tres tecnologías mas conocidas y ya en proceso de expansión. Las cámaras Wireless, destacadas por el control remoto, son un ejemplo de cómo se pueden aplicar estas tecnologías para la domótica y el control de áreas. Pero el problema es que estas tecnologías no satisfacen los requerimientos de la Domótica, porque su arquitectura no pensó en ello cuando fueron creadas, y por otras razones.

Tabla 1: Comparativa de tecnologías Wireless

Si echamos un vistazo en la clase de comunicaciones que se producen en una red de sensores o actuadores, podemos encontrar que muchas de estas comunicaciones se realizan con pequeños paquetes de datos: para enviar información de un sensor (por Ej., activado = detecta humo), o simplemente para controlar el estado de los sensores. Además de ser paquetes pequeños de información, la gran mayoría de los dispositivos pueden estar ‘dormidos’ hasta que envíen la información (porque no ocurre nada) y activarse al detectar algo. Las principales características de estos sensores son:

En definitiva, ¿qué es ZigBee?

ZigBee es un sistema ideal para redes domóticas, específicamente diseñado para reemplazar la proliferación de sensores/actuadores individuales. ZigBee fue creado para cubrir la necesidad del mercado de un sistema a bajo coste, un estándar para redes Wireless de pequeños paquetes de información, bajo consumo, seguro y fiable.

Para llevar a cabo este sistema, un grupo de trabajo formado por varias industrias (www.ZigBee.org), está desarrollando el estándar. La alianza de empresas está trabajando codo con codo con IEEE para asegurar una integración, completa y operativa. La alianza ZigBee también servirá para probar los dispositivos que se creen con esta tecnología. ZigBee sólo es el estándar basado en la tecnología necesaria para el control remoto de sensores/actuadores que se utilizan en domótica.

Gráfico 1: Arquitectura ZigBee Siguiendo el estándar del modelo de referencia OSI (Open Systems Interconnection), en el gráfico 1, aparece la estructura de la arquitectura en capas. Las primeras dos capas, la física (PHY) y la de acceso al medio (MAC), son definidas por el estándar IEEE 802.15.4. Las capas superiores son definidas por la Alianza ZigBee. El grupo de trabajo de IEEE pasó el primer borrador de la capa física y la de acceso al medio en 2003. Una versión final de la capa de red (NWK) se acabó el año pasado, y en Junio del 2005 tenemos ya un Zigbee 1.0 publico.

Los productos ZigBee trabajan en una banda de frecuencias que incluye la 2.4 Ghz (mundial), de 902 a 928 Mhz (en Estados Unidos) y 866Mhz (en Europa). La transferencia de datos de hasta 250 Kbs puede ser transmitido en la banda de 2.4Ghz (16 canales), hasta 40kps en 915Mhz (10 canales) y a 20kps en la de 868Mhz (un solo canal). La distancia de transmisión puede variar desde los 10 metros hasta los 75, dependiendo de la potencia de transmisión y del entorno. Al igual que WiFi, ZigBee usa la DSSS (secuencia directa de espectro ensanchado) en la banda 2.4 Ghz. En las bandas de 868 y 900Mhz también se utiliza la secuencia directa de espectro ensanchado pero con modulación de fase binaria.

¿Como se estructura este estándar?

La siguiente figura nos muestra los campos de los cuatro tipos de paquetes básicos: datos, ACK, MAC y baliza.

Gráfico 2: Tramas

El paquete de datos tiene una carga de datos de hasta 104 bytes. La trama está numerada para asegurar que todos los paquetes llegan. Un campo nos asegura que el paquete se ha recibido sin errores. Esta estructura aumenta la fiabilidad en condiciones complicadas de transmisión.

Otra estructura importante es la de ACK, o reconocimiento. Esta trama es una realimentación desde el receptor al emisor, para confirmar que el paquete se ha recibido sin errores. Se puede incluir un ‘tiempo de silencio’ entre tramas, para enviar un pequeño paquete después de la transmisión de cada paquete.

El paquete MAC, se utiliza para el control remoto y la configuración de dispositivos/nodos. Una red centralizada utiliza este tipo de paquetes para configurar la red a distancia.

Para acabar, el paquete baliza ‘despierta’ los dispositivos, que escuchan y luego vuelven a ‘dormirse’ si no reciben nada más. Estos paquetes son importantes para mantener todos los dispositivos y los nodos sincronizados, sin tener que gastar una gran cantidad de batería estando todo el tiempo encendidos.

Acceso al canal. Direccionamiento

Dos mecanismos de acceso al canal se implementan en 802.15.4. Para una red ‘sin balizas’, un estándar ALOHA CSMA-CA envía reconocimientos positivos para paquetes recibidos correctamente. En una red ‘con balizas’, una estructura de ‘supertrama’ se usa para controlar el acceso al canal. La supertrama es estudiada por el coordinador de red para transmitir ‘tramas baliza’ cada ciertos intervalos (múltiples cada de 15.38 msg, hasta cada 252 sg). Esta estructura garantiza el ancho de banda dedicado y bajo consumo.

Los dispositivos se direccionan empleando 64-bits y un direccionamiento corto opcional de 16 bits. El campo de dirección incluido en MAC puede contener información de direccionamiento de ambos orígenes y destinos (necesarios para operar punto a punto). Este doble direccionamiento es usado para prevenir un fallo dentro.

¿Qué tipos de dispositivos contiene?

ZigBee tiene tres tipos de dispositivos:

El coordinador de red, que mantiene en todo momento el control del sistema. Es el más sofisticado de los tipos de dispositivos, requiere memoria y capacidad de computación.

El dispositivo de función completa (FFD) capaz de recibir mensajes del estándar 802.15.4. Este puede funcionar como un coordinador de red. La memoria adicional y la capacidad de computar, lo hacen ideal para hacer las funciones de Router o para ser usado en dispositivos de red que actúen de interface con los usuarios.

El dispositivo de función reducida (RFD) de capacidad y funcionalidad limitadas (especificada en el estándar) para el bajo coste y simplicidad. Son los sensores/actuadores de la red.

¿Qué hace que tenga un largo periodo de vida?

El bajo consumo de potencia es lo que hace que la tecnología ZigBee tenga un largo periodo de vida sin tener que recargar los dispositivos. Las redes ZigBee son diseñadas para conservar la potencia en los nodos ‘esclavos’. Durante mucho tiempo, un dispositivo ‘esclavo’ está en modo ‘dormido’ y sólo de ‘despierta’ por una fracción de segundo para confirmar que está ‘vivo’ en la red de dispositivos. Por ejemplo, la transición del modo ‘dormido’ al modo ‘despierto’ (cuando transmite) dura unos 15ms y la enumeración de ‘esclavos’ dura unos 30ms.

Las redes ZigBee pueden usar el entorno ‘con balizas’ o ‘sin balizas’. Las balizas son usadas para sincronizar los dispositivos de la red, identificando la red domótica, y describiendo la estructura de la ‘supertrama’. Los intervalos de las balizas son determinados por el coordinador de red y pueden variar desde los 15msg hasta los 4 minutos.

El modo ‘sin balizas’ es sencillo: se usa el acceso múltiple al sistema en una red punto a punto cercano. Funciona como una red de dos caminos, donde cada dispositivo es autónomo y puede iniciar una conversación en donde los otros pueden interferir. El dispositivo destino puede no oír la petición o el canal puede estar ocupado.

El modo ‘baliza’ es un mecanismo de control del consumo de potencia en la red. Este modo permite a todos los dispositivos saber cando pueden transmitir. Aquí, los dos caminos de la red tienen un distribuidor que controla el canal y dirige las transmisiones. La principal ventaja de este método de trabajo es que se reduce el consumo de potencia.

El modo ‘sin balizas’, es típicamente usado en sistemas de seguridad, donde los dispositivos, por ejemplo, sensores, detectores de movimiento o de rotura de cristales, duermen el 99,999% del tiempo. Estos elementos ‘despiertan’ de manera regular para anunciar que siguen en la red. Cuando un evento tiene lugar (se detecta algo), el sensor se ‘despierta’ instantáneamente y transmite la alarma. El coordinador de red, alimentado de la red principal todo el tiempo, recibe el mensaje y activa la alarma respectiva.

El modo ‘baliza’ es más recomendable cuando el coordinador de red trabaja con una batería. Los dispositivos escuchan al coordinador de red durante el ‘balizamiento’ (envío de mensajes a todos los dispositivos, broadcast, entre 0.015 y 252 segundos). Un dispositivo se registra para el coordinador y mira si hay mensajes para él. Si no hay mensajes, el dispositivo vuelve a ‘dormir’, despertando según un horario establecido por el coordinador. Una vez hecho todo el ‘balizamiento’ el coordinador mismo vuelve a ‘dormirse’.

¿Qué es lo que le convierte en un sistema seguro?

La seguridad de las transmisiones y de los datos son puntos clave en la tecnología ZigBee. ZigBee utiliza el modelo de seguridad de la subcapa MAC IEEE 802.15.4, la cual especifica 4 servicios de seguridad.

¿Qué importancia adquiere la Capa de Red?

La capa de red (NWK) une o separa dispositivos a través del controlador de red, implementa seguridad, y encamina tramas a sus respectivos destinos. Además, la capa de red del controlador de red es responsable de crear una nueva red y asignar direcciones a los dispositivos de la misma.

La capa de red soporta múltiples configuraciones de red incluyendo estrella, árbol, y rejilla, como se muestra en el gráfico 3.

Gráfico 3: Modelo de red ZigBee

En la configuración en estrella, uno de los dispositivos tipo FFD asume el rol de coordinador de red y es responsable de inicializar y mantener los dispositivos en la red. Todos los demás dispositivos zigbee, conocidos con el nombre de dispositivos finales, ‘hablan’ directamente con el coordinador.En la configuración de rejilla, el coordinador ZigBee es responsable de inicializar la red y de elegir los parámetros de la red, pero la red puede ser ampliada a través del uso de routers ZigBee. El algoritmo de encaminamiento utiliza una protocolo de pregunta-respuesta (request-response) para eliminar las rutas que no sean óptimas, La red final puede tener hasta 254 nodos (probablemente nunca necesitemos tantos). Utilizando el direccionamiento local, tú puedes configurar una red de más de 65000 nodos (216).

La trama general de operaciones (GOF) es una capa que existe entre la de aplicaciones y el resto de capas. La GOF suele cubrir varios elementos que son comunes a todos los dispositivos, como el subdireccionamiento y los modos de direccionamientos y la descripción de dispositivos, como el tipo de dispositivo, potencia, modos de ‘dormir’ y coordinadores de cada uno. Utilizando un modelo, la GOF especifica métodos, eventos, y formatos de datos que son utilizados para constituir comandos y las respuestas a los mismos.

Gráfico 4: Esquema típico de un dispositivo ZigBee

Como muestra el gráfico 4, el típico dispositivo ZigBee incluye una parte con un circuito integrado de radio frecuencia (RF IC) con una pequeña parte de capa física (PHY) conectada al bajo consumo/pequeño voltaje del microcontrolador de 8-bits con periféricos, conectados a una aplicación de sensor o actuador. La pila de protocolos y aplicaciones está implementada en un chip de memoria flash.

Motorola y Atmel ya ofrecen un grupo de microcontroladores para ZigBee. Chipcon está mostrando dispositivos que trabajan en la banda de 2.4Ghz. Actualmente, un dispositivo con chip ZigBee puede costar cerca de 6 euros, pero el precio puede caer hasta los dos euros si el mercado crece. Los estudios sugieren que esto ocurrirá en pocos años. Este año y principios del que viene determinarán mucho la evolución de este sistema en el mercado.

¿Qué opinan las Empresas de Zigbee?

Harbor Research, firma de California que sigue de cerca la tecnología inalámbrica para sensores, calcula que 400.000 equipos ZigBee se fabricarán este año, de 40.000 que se fabricaron el año pasado, y se prevé un rápido crecimiento hasta el año 2010.

Según la empresa británica Cambridge Consultants Limited (CCL), "La tecnología ZigBee y su apoyo han madurado hasta tal extremo que no nos cabe duda de que va a ser una importante plataforma en la revolución inalámbrica", añadió Horne. "Si los fabricantes de equipos empiezan cuanto antes a lanzar nuevos productos con el estándar ZigBee, conseguirán una ventaja competitiva y CCL espera que estos chips sean un importante catalizador del éxito durante las primeras fases de este nuevo estándar".

Un producto a punto de salir al mercado es el HomeHeartBeat kit para el hogar, que incluye una base central, un sensor y un control remoto, de Eaton, pero en breve veremos en España como también somos capaces de llevar hacia delante iniciativas Zigbee, en Domodesk esperamos poder comercializar pronto los KITS de algunos de los afines del sector.

Según un estudio de la empresa analista West Technology Research Solutions (WTRS), en el año 2008 podrían existir más de 300 millones de nodos o dispositivos equipados con la tecnología ZigBee, ¡¡ Sólo en el sector de la domótica!!

El primer teléfono viene de la mano del fabricante coreano Pantech & Curitel que ya ha presentado una versión de demostración de lo que será su nuevo teléfono móvil que soporta el protocolo ZigBee. El teléfono es sólo un prototipo pero no han informado de cuando sería la salida oficial del aparato. Lo que sí os podemos anunciar es que esta tecnología revolucionará también el mundo del móvil.

Una cosa está clara, antes o después los dispositivos con ZigBee se impondrán en el mercado y van a ser la base de la domótica: ningún tipo de cableado, dispositivos baratos, sencillos y de rápida integración, redes de nodos y sensores actuando al unísono con un solo fin, una domótica fácil de instalar y fácil de hacer crecer. Es cuestión de tiempo.