ZigBee

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ZigBee è il nome di una specifica per un insieme di protocolli di comunicazione ad alto livello che utilizzano piccole antenne digitali a bassa potenza e basato sullo standard IEEE 802.15.4 per wireless personal area networks (WPAN). La relazione esistente fra ZigBee e IEEE 802.15.4-2003 è simile a quella esistente tra IEEE 802.11 e la Wi-Fi Alliance. La specifica ZigBee 1.0 è stata approvata il 14 dicembre 2004 ed è disponibile ai membri della ZigBee Alliance. Un tesseramento di livello base alla ZigBee Alliance costa US$ 3500 e garantisce l'accesso alle specifiche. Per scopi non commerciali, la specifica ZigBee è disponibile all'indirizzo ZigBee Alliance homepage.

Indice 1 Introduzione 2 Usi 3 Tipi di dispositivo 4 Protocolli 5 Software e hardware 6 Storia 7 Produttori di dispositivi 8 Produttori di chip/firmware 9 Collegamenti esterni

[modifica] Introduzione

ZigBee opera nelle frequenze radio assegnate per scopi industriali, scientifici e medici (ISM); 868 MHz in Europa, 915 MHz negli Stati Uniti e 2,4 GHz nella maggior parte del resto del mondo. Questa tecnologia ha lo scopo di essere più semplice e più economica di altre WPAN come, ad esempio, Bluetooth. Il nodo ZigBee del tipo più complesso si dice che richieda solamente il 10% del codice necessario per un tipico nodo Bluetooth o Wi-Fi, mentre il più semplice dovrebbe richiedere intorno al 2%. Tuttavia, attualmente le dimensioni reali sono più alte e si aggirano intorno al 50% del codice necessario per Bluetooth. I produttori di chip ZigBee prevedono dispositivi da 128 kB.

Nel 2005 il costo stimato per il ricetrasmettitore di un nodo ZigBee era di circa $1.10 per il produttore, contando grossi volumi. La maggior parte dei dispositivi ZigBee richiedono però anche un microcontrollore, che fa alzare il costo totale. Quando fu lanciato (1998), per il Bluetooth si prevedeva un costo di $4-$6 per grandi volumi, mentre il prezzo attuale per la fascia consumer è oggi sotto i $3.

ZigBee Alliance ha cominciato a lavorare sulla versione 1.1. che mira ad avvantaggiarsi dei miglioramenti della specifica 802.15.4b, la cui più evidente miglioria è CCM*, introdotto in alternativa al CCM mode (CTR + CBC-MAC). Il CCM* gode delle stesse caratteristiche di sicurezza di CCM, fornendo però maggiore flessibilità nella scelta dei metodi di autenticazione e criptazione.

[modifica] Usi

I protocolli ZigBee sono progettati per l'uso in applicazioni embedded che richiedano un basso transfer rate e bassi consumi. L'obiettivo attuale di ZigBee è di definire una Wireless mesh network non mirata, economica e autogestita che possa essere utilizzata per scopi quali il controllo industriale, le reti di sensori, domotica ecc. La rete risultante avrà un consumo energetico talmente basso da poter funzionare per uno o due anni sfruttando la batteria incorporata nei singoli nodi.

[modifica] Tipi di dispositivo

Ci sono tre differenti tipi di dispositivo ZigBee:

• ZigBee Coordinator (ZC): è il dispositivo più "intelligente" tra quelli disponibili, costituisce la radice di una rete ZigBee e può operare da ponte tra più reti. Ci può essere un solo Coordinator in ogni rete. Esso è inoltre in grado di memorizzare informazioni riguardo alla sua rete e può agire come deposito per le chiavi di sicurezza.
• ZigBee Router (ZR): questi dispositivi agiscono come router intermedi passando i dati da e verso altri dispositivi.
• ZigBee End Device (ZED): includono solo le funzionalità minime per dialogare con il suo nodo parente (Coordinator o Router), non possono trasmettere dati provenienti da altri dispositivi; sono i nodi che richiedono il minor quantitativo di memoria e quindi risultano spesso più economici rispetto ai ZR o ai ZC.

[modifica] Protocolli

I protocolli si basano su di una recente ricerca nel campo degli algoritmi di routing (Ad-hoc On-demand Distance Vector) che puntano a costruire delle reti ad-hoc di nodi a bassa velocità. Nella reti più grandi la rete reale sarà formata da cluster di cluster, ma si potranno anche formare reti Mesh o cluster singoli. I profili correnti derivati dai protocolli ZigBee supportano sia reti "beacon enabled" che reti "non-beacon enabled".

Nelle reti non-beacon enabled (quelle il cui beacon order è 15), viene utilizzato un meccanismo di accesso al canale di tipo CSMA/CA. In questo tipo di reti i ZigBee Router solitamente tengono i loro ricevitori sempre attivi, il che provoca un consistente consumo di energia. In pratica queste reti sono "miste": alcuni dispositivi sono costantemente pronti a ricevere, mentre altri si limitano a trasmettere in presenza di uno stimolo esterno. L'esempio tipico di una rete di questo tipo è dato dagli interruttori wireless: il nodo ZigBee nella lampada può essere costantemente in ricezione, avendo la possibilità della connessione diretta alla rete elettrica, mentre l'interruttore (al pari di un telecomando) alimentato a batteria può rimanere inattivo fino all'istante in cui vi è necessità di mandare un segnale. A quel punto si attiva, invia il comando, riceve un segnale di acknowledge e ritorna inattivo. In questo esempio la lampada sarà un ZR, se non un ZC, mentre l'interruttore sarà uno ZED.

Nelle reti beacon enabled, i nodi detti ZigBee Router trasmettono periodicamente dei beacon per confermare la loro presenza agli altri nodi. Tra un beacon e l'altro i nodi possono cambiare modalità per risparmiare energia, abbassando il duty cycle. Gli intervalli tra i beacon vanno da 15,36 millisecondi a 15,36 ms · 2¹⁴ = 251,65824 secondi a 250 kb/s, da 24 millisecondi a 24 ms · 2¹⁴ = 393.216 secondi a 40 kb/s e da 48 ms a 48 ms · 2¹⁴ = 786.432 secondi a 20 kb/s. Comunque operazioni a basso duty cycle con lunghi intervalli di beacon richiedono meccanismi di timing preciso, più difficili e costosi da realizzare.

In generale, i protocolli ZigBee minimizzano il tempo di attività del radiotrasmettitore, così da ridurre il consumo di energia. Nelle reti beacon enabled i nodi consumano energia solo nel periodo in cui c'è il beacon, mentre in quelle non-beacon enabled alcuni nodi sono sempre attivi (il loro consumo di energia è quindi alto) mentre altri sono per la maggior parte del tempo spenti.

I dispositivi ZigBee devono rispettare le norme dello standard IEEE 802.15.4-2003 Low-Rate Wireless Personal Area Network (WPAN). Esso specifica il protocollo di livello fisico (PHY), e la parte del livello data link del Medium Access Control (MAC). Questo standard opera nella banda ISM non licenziata 2,4 GHz, 915 MHz e 868 MHz. Nella banda 2,4 GHz ci sono 16 canali ZigBee, da 3 MHz ciascuno. La frequenza centrale per ogni canale può essere calcolata come F_C = (2400 + 5·k) MHz, con k = 1, 2, …, 16. I trasmettitori radio usano una codifica DSSS. Si usa una modulazione BPSK nelle bande 868 e 915 MHz e una QPSK con offset (O-QPSK) che trasmette 2 bit per simbolo nella banda 2,4 GHz. Il data rate over-the-air è di 250 kb/s per canale nella banda 2,4 GHz, 40 kb/s per canale nella banda 915 MHz e 20 kb/s nella banda 868 MHz. Il range è tra 10 e 75 metri, dipendente dall'ambiente. La massima potenza trasmessa è in genere 0 dBm (1 mW).

La modalità di base di accesso al canale specificato da IEEE 802.15.4-2003 è il Carrier Sense Multiple Access / Collision Avoidance (CSMA/CA). Questo significa che i nodi, controllano se il canale è libero, quando devono trasmettere. Vi sono alcune eccezioni all'uso del CSMA: i segnali di beacon, inviati secondo uno schema prefissato, i messaggi di acknowledge e le trasmissioni di dispositivi in reti beacon-oriented che hanno necessità di bassa latenza ed usano Guaranteed Time Slots (GTS) che per definizione non fa uso di CSMA.

[modifica] Software e hardware

Il software è progettato per rendere facile lo sviluppo su microprocessori piccoli e a basso costo. Il progetto dei radiotrasmettitori è stato ottimizzato per avere un basso costo unitario con produzioni su larga scala. Ha poca circuiteria analogica e usa il digitale ovunque sia possibile.

Anche se i radiotrasmettitori sono economici, il ZigBee Qualification Process comporta una validazione completa delle richieste del livello fisico. Questa minuziosa analisi del livello fisico ha molti vantaggi, poiché tutti i trasmettitori derivanti da uno stesso set di semiconduttori avranno le stesse caratteristiche RF. D'altra parte un livello fisico non certificato che presenta malfunzionamenti potrebbe influenzare negativamente le capacità della batteria di altri dispositivi di una rete ZigBee. In questo caso infatti i vincoli ingegneristici sono necessariamente stretti, in termini di banda e di consumo di energia. Così i trasmettitori sono testati secondo lo standard ISO-17025 e la Clause 6 dello standard 802.15.4-2003. La maggior parte dei produttori integra radiotrasmettitori e microcontrollori su un singolo chip. Un link interessante è http://www.integration.com/OEM-DAUB1.php.

[modifica] Storia

• Le reti tipo ZigBee iniziarono ad essere studiate nel 1998, quando molti ingegneri capirono che sia WiFi che Bluetooth non riuscivano a rispondere alle necessità di molte nuovi applicazioni. In particolare molti ingegneri videro la necessità di sviluppare reti radio digitali ad-hoc con una propria autonomia di organizzazione.
• Lo standard IEEE 802.15.4 fu completato nel maggio 2003.
• Nell'estate del 2003, Philips Semiconductors cessò di finanziare lo studio. Philips Lighting però ha continuato a rappresentare l'impegno di Philips nel settore e questa rimane un membro promotore della ZigBee Alliance Board of Directors.
• La ZigBee Alliance annunciò nell'ottobre 2004 che il numero di membri era più che raddoppiato nell'anno precedente ed era cresciuta fino a raggruppare più di 100 ditte in 22 paesi. Nell'aprile 2005 vi erano più di 150 aziende.
• Le specifiche ZigBee furono ratificate il 14 dicembre 2004.
• La ZigBee Alliance annuncia la disponibilità della Specification 1.0 il 13 giugno 2005.

[modifica] Produttori di dispositivi

• AUREL ZigBee Progetta e realizza moduli per applicazioni wireless in Domotica, Automazione Edifici, Automazione Industriale basati su tecnologia ZigBee. I moduli ZigBee by AUREL sono una nuova famiglia di moduli wireless ZigBee per il monitoraggio industriale e civile e per il monitoraggio energetico degli edifici industriali.
• 4-Noks Progetta e realizza soluzioni basate su tecnologia ZigBee. Ha già sviluppato una famiglia di sensori wireless ZigBee per il monitoraggio industriale e civile e in particolare per il monitoraggio energetico degli edifici.
• Cirronet (802.15.4/ZigBee) - Il modulo ZMN-2400 2,4 GHz OEM è disponibile nell versioni 1 mW e 100 mW; la seconda può essere incorporata in Modbus gateway, Ethernet gateway, signal conditioning board, e sensor modem (disponibili separatamente). È preannunciata l'uscita del trasmettitore radio da 900 MHz ZMN-900 OEM e dei prodotti derivati.
• MaxStream (802.15.4/ZigBee) - I prodotti "XBee" sono "radio modem" a 2,4 GHz con una interfaccia seriale UART. È preannunciata l'uscita di sistemi operanti con topologie peer-to-peer e mesh.
• Tertium Technology (802.15.4/ZigBee e protocolli non standard) Progetta e realizza soluzioni basate su tecnologia 802.15.4, ZigBee e Ultra Low Power Wireless.
• Helicomm (802.15.4/ZigBee) - I moduli integrabili "IP-Link" sono transceiver 802.15.4 operanti a 916 MHz e 2,4 GHz. I moduli supportano sia funzioni tipo modem che tipo "wireless MCU". La ditta offre anche prodotti 802.15.4-based multi-drop terminal e integrazione GPRS/CDMA/3G con ZigBee WPAN.
• MeshNetics (ex Luxoft Labs) (804.15.4/ZigBee) - I moduli “ZigBit” OEM sono basati su Atmel ATmega 1281 MCU e transceiver AT86RF230. Il modulo che misura 18,8 × 13,5 mm con uscita per antenna PCB è già disponibile. Preannunciate versioni con connettori da antenna esterni e chip antenna.
• Crossbow Technology (802.15.4/ZigBee e protocolli nonstandard) - I MICA2, MICA2DOT, MICAz, e MCS Cricket radio sono moduli OEM compatibili con molti altri sensori Crossbow (che usano Atmel CPU). MICAz è il trasmettitore ZigBee a 2,4 GHz (con chipset Chipcon). I trasmettitori Crossbows sono relativamente grandi, eccetto il MICA2DOT, molto piccolo. Le versioni non ZigBee usano lo stack open-source TinyOS e supportano altre frequenze come 313,9-316,1 MHz, 433,1-434,8 MHz, 868-870 MHz e 902-928 MHz.
• Millennial Net (protocollo non standard tipo ZigBee) - Il MeshScape™ network consiste di endpoint ("end node"), router ("mesh node") e una stazione per Pc ("MeshGate"). L'endpoints misura 1,5 × 0,6 in. per la scheda OEM; circa il doppio per la scheda demo assemblata. Gli endpoint supportano l'interfaccia con sensori analogici/digitali/USART e sono disponibili kit per le bande 2,4 GHz e 916 MHz. NOTA: "MeshScape" è il nuovo nome dell'"i-Bean"™ di Millennial Net.
• Dust Networks (802.15.4 ma non ZigBee) - I transceiver SmartMesh(tm) ("motes") sono schede OEM (1.2 × 1.1 in.) con una interfaccia a 3 V Samtec MB1-130 che supporta interfacce analogiche/digitali/UART. Disponibile sia per 2,4 GHz (M2020) che per 902-928MHz (M1010).
• Innovative Wireless Technologies (802.15.4 e/o ZigBee) - Il transceiver AXON(tm) utilizza Chipcon radiotrasmettitori e sono disponibili per la bande 2,4 GHz, 915 MHz e 868 MHz. IWT vende anche un protocol stack nonstandard Synaptrix(tm) che può essere usato con lo stesso hardware.
• EnOcean (nonstandard mesh protocol) - Il modulo transceiver TCM 120/130 è una scheda OEM a 868.3 MHz che misura 24 × 42 × 5 mm. Una rete mesh limitata può essere formata con i moduli repeater TCM 110.
• Sensicast (802.15.4 o nonstandard mesh protocol) - Ily vende sia retail packaged sensors che schede OEM che possono essere inserite in un a rete mesh con endpoint/router/gateway ("SensiNet"). I moduli endpoint sono piuttosto grandi se comparati con i prodotti concorrenti. Operano nelle bande 900 MHz e 2,4 GHz. Una versione 802.15.4 (ma non ZigBee) è disponibile.
• Microchip - Microchip Technology offre una piattaforma di sviluppo che supporta RF transceiver multipli; offre software gratuito.
• FlexiPanel transceiver ZigBee/802.15.4 e firmware con lo stack Microchip ZigBee
• Control4 sviluppa molti dispositivi per domotica con interfacce Ember ZigBee.
• Nedap Specials - Sviluppo e produzione di applicazioni ZigBee custom. Ha esperienza anche con molte altre soluzioni wireless. Sede nei Paesi Bassi.

[modifica] Produttori di chip/firmware

• Oki Semiconductor - ML7065 2,4 GHz ZigBee/802.15.4 transceiver, il primo che integra radiotrasmettitore e IEEE802.15.4 MAC. Il chip di Oki è una delle piattaforme di sviluppo ZigBee certificate
• Silicon Laboratories Microcontrollori e kit di sviluppo completo per ZigBee e 802.15.4.
• Chipcon/Texas Instruments - Il 2,4 GHz CC2420 è un compliant radio chip 802.15.4/ZigBee operante a 2,4 GHz. Il CC2430 è un system-on-chip per ZigBee con una veloce 8051 MCU, potenti periferiche e il transceiver CC2420. Chipcon/TI fornisce anche uno stack completo ZigBee per i suoi dispostivi.
• Freescale - MC13193 è un RF transceiver data modem per applicazioni ZigBee nella banda 2,4 GHz. La famiglia di seconda generazione MC1321x include un microcontrollore a 8 bit HCS08. Freescale fornisce anche uno stack completo ZigBee per i suoi dispositivi.
• Mindteck - Progetto e sviluppo per prodotti e applicazioni ZigBee.
• Ember Corporation - EM250, EM260, e EM2420 sono chip radio per 802.15.4/ZigBee in banda 2,4 GHz. È disponibile anche un firmware per protocol stack chiamato "EmberZNet" ed anche una versione non standard chiamata "EmberNet".
• Atmel - AT86RF210 Z-Link(tm) è un chip radio 802.15.4/ZigBee operante nelle bande 868 MHz e 902–928 MHz.
• San Juan Software - Sviluppa firmware e software per ZigBee ed offre anche on-site training su ZigBee.
• Jennic - JT24Z001 (transceiver per banda 2,4 GHz) e JS24Z121 (system on a Chip per banda 2,4 GHz). Produce anche JN5121, un processore a 32bit Risc single chip.
• Integration - Piattaforme 802.15.4/ZigBee, USB ZigBee.
• Wireless-Tools - Piattaforme 802.15.4/ZigBee USB ZigBee.
• Helicomm - Stack e strumenti per ZigBee/802.15.4 per MCU Freescale/8051 e transceiver IC 802.15.4.
• UBEC - Transceiver IC ZigBee/802.15.4 (UZ2400-single chip a 2,4 GHz), software stack, progetto di schede di test e consulenza.
• MeshNetics (ex Luxoft Labs) - “eZeeNet” è un networking stack firmware 802.15.4/ZigBee, basato su una modifica di TinyOS. “ZigBeeNet” è uno stack ZigBee completo.
• IP Cores CCM* IP Core
• Raptech - Progettazione e sviluppo di dispositivi hardware, software e firmware per applicazioni Zigbee (domotica, telecontrollo, localizzazione).
• ITACO - Automation and Control Technology - hardware, firmware, software per applicazioni di automazione e telecontrollo wireless ZigBee.

[modifica] Collegamenti esterni

• ZigBee
• ZigBee Tutorial e Forum Contiene informazioni su tecnologia, architettura, dispositivi, confronti e applicazioni.
• Zigbee introduction course Una introduzione a Zigbee in inglese e olandese.
• ZigbeeMania Documentazione e collegamenti a siti di produttori di dispositivi ZigBee
• Who Needs ZigBee? - Spiega la differenza tra gli standard wireless con riferimenti specifici a ZigBee.
• Palowireless ZigBee Resource Center Articoli, news e risorse.
• ZigBee Chatter Discussioni sulla tecnologia ZigBee.
• IEEE 802.15.4 web site
• Open Source 802.15.4 Implementazione open source di uno stack IEEE 802.15.4 perFreescale HCS08 e MC13192 con TinyOS.
• OpenBee Uno ZigBee Development Kit con uno stack sviluppato in UML
• A ZigbeeTM-subset/IEEE 802.15.4TM Multi-platform Protocol Stack Uno stack Zigbee-subset/IEEE 802.15.4 multi-piattaforma per uso didattico o di ricerca non professionale; compatibile con Microchip PICDEMZ e TI/Chipcon CC2430 SOC.
• Using ZigBee Wireless Networking to Develop Commercial Products
• Tutorial su ZigBee in spagnolo