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C贸mo funcionan las redes ZigBee

PorAndresTorres

Oct 18, 2019

ZigBee es uno de los protocolos utilizados para la automatizaci贸n del hogar.聽Su soporte se brinda a bombillas inteligentes, interruptores inal谩mbricos, sensores de movimiento y otros dispositivos que aumentan la comodidad.聽驴Pero qu茅 tan seguros est谩n?聽En este art铆culo te dir茅 c贸mo funcionaZigBee, y mostrar茅 con qu茅 dispositivos y programas interceptar su se帽al para su estudio.

驴Por qu茅 ZigBee?

Por supuesto, este protocolo no es nuevo: el est谩ndar apareci贸 en 2003.聽Hoy en d铆a hay an谩logos m谩s modernos como LoRaWAN y RPMA, pero ZigBee sigue siendo popular.聽Por qu茅聽Mira la foto.

Adem谩s del alcance y la velocidad, el costo se tiene en cuenta aqu铆.聽Y puede ver de inmediato que ZigBee est谩 perfectamente equilibrado y a un precio bajo ofrece un rango y velocidad de transferencia de datos aceptables.聽Es poco probable que necesite transmitir el video en 4K al conmutador, y para hacer algo desde lejos, generalmente se usa un concentrador conectado a Internet.聽Por lo tanto, resulta que ZigBee no golpea duro al crear una casa inteligente y cubre las necesidades b谩sicas.

Adem谩s, los protocolos m谩s nuevos pueden tener sorpresas desagradables.聽Por ejemplo, en conversaciones sobre LoRa, escuch茅 varias veces de integradores que con una gran cantidad de dispositivos en la red pueden comenzar milagros.聽Dicen que sondear cientos de dispositivos puede llevar aproximadamente una hora.

Conceptos basicos

La topolog铆a de la red puede ser una de las siguientes:

  • una estrella
  • 谩rbol de racimo;
  • versi贸n juvenil con estilo y moda – malla.

El coordinador聽(tambi茅n conocido como聽FFD聽) es el nodo m谩s importante.聽脡l crea una red, elige en qu茅 canal comunicarse, puede actuar como un 芦centro de confianza禄.聽Enrutadores聽: los dispositivos ya son un poco m谩s simples.聽A menudo sirven como repetidores de mensajes de dispositivos finales.聽Dispositivos finales聽: que conectamos a la red, es decir, interruptores, bombillas, sensores de movimiento y otros dispositivos.

Aqu铆 hay una tabla resumen de la funcionalidad de cada dispositivo.

Coordinador Enrutador Dispositivo final
Crear una red ZigBee x
Emisi贸n de permisos para conectar otros dispositivos a la red x x
Asignaci贸n de direcci贸n de red de 16 bits x x
Detectar y registrar rutas para la entrega eficiente de mensajes. x x
Detecci贸n y almacenamiento de una lista de vecinos disponibles en un salto. x x
Enrutamiento de paquetes de red x x x
脷nete y cierra sesi贸n x x x
Modo de reposo x

Ahora abra la especificaci贸n oficial de ZigBee.聽All铆 nos encontramos casi de inmediato con una imagen tan interesante.

Arquitectura de pila ZigBee

Pero no dejes que te asuste, porque al final del art铆culo entender谩s que en realidad todo es un poco m谩s f谩cil.聽?

PHY

Entonces, comencemos el estudio con PHY, la capa f铆sica, y subiremos las capas.

ZigBee, o m谩s bien, IEEE 802.15.4 puede operar en tres rangos de frecuencia.

Y, como puede ver, si elige la frecuencia de 2.4 GHz, entonces Wi-Fi y ZigBee pueden comenzar a interferir entre s铆.聽Para reducir la diafon铆a entre Wi-Fi y ZigBee, es mejor seleccionar los siguientes canales.

Lo que no puede sino alegrarse, en el est谩ndar existe una ED:聽detecci贸n de energ铆a聽.聽Esta caracter铆stica se usa en el coordinador de una casa inteligente para que seleccione un canal donde haya la menor interferencia.

La vista general del paquete para PHY es la siguiente.

Si su casa tiene muchos SDR y desea controlar cada beatik en la modulaci贸n OQPSK, entonces este esquema lo ayudar谩.

Este tipo de modulaci贸n solo se aplica a una frecuencia de 2.4 GHz.聽Mientras tanto, avanzamos m谩s arriba en la pila de protocolos, y la capa MAC nos espera.

MAC

A continuaci贸n se presenta una vista general de las tramas MAC.

Como puede ver,聽Frame Control聽es responsable del tipo de paquete de datos (Beacon, Ack, Cmd, Data), el tipo de direccionamiento y la presencia de cifrado.

Ahora hablemos de cada marco de datos con m谩s detalle.

Data Frame聽es uno de los marcos m谩s simples.聽Transmite datos de protocolo que se ejecutan sobre IEEE 802.15.4.聽Resulta que puede tomar IEEE 802.15.4 como base y desarrollar un protocolo para sus necesidades.

ACK Frame聽– marco de confirmaci贸n.聽Por desgracia, vivimos en un mundo imperfecto donde hay mucha interferencia, y a煤n m谩s cuando se transmite por un canal de radio.聽Por lo tanto, es necesario confirmar los datos recibidos.

Aqu铆, el聽n煤mero de secuencia聽indica qu茅 cuadro recibimos anteriormente del cual confirmamos.

La trama MAC Cmd es,聽en un grado u otro, responsable de la 芦conexi贸n en red禄 al nivel de 802.15.4.

A continuaci贸n se encuentran los comandos que puede cumplir.

FFD聽– Dispositivo de funciones completas: este es el coordinador de red, la pieza principal de hardware que organiza la red ZigBee.

RFD聽– Dispositivo de funci贸n reducida: no es un dispositivo tan importante como un coordinador; act煤a como un enrutador al reenviar paquetes.

Marco de baliza聽: vale la pena hablar sobre este marco con m谩s detalle.

Dado que transmitimos datos por aire y tenemos varios dispositivos, estos dispositivos deben determinar de alguna manera en qu茅 punto se pueden transferir los datos, y cu谩ndo el operador est谩 ocupado y vale la pena esperar.聽Por lo tanto, en las redes ZigBee / IEEE 802.15.4, hay dos formas de transferir datos:聽modos聽Beacon聽y聽NonBeacon聽.

Para la transmisi贸n de datos en modo NonBeacon, se utiliza el llamado mecanismo de acceso al canal CSMA-CA sin ranura.聽En mi experiencia, rara vez se usa.

El caso m谩s com煤n es usar el modo Beacon.聽En este caso, el coordinador env铆a las llamadas balizas, en funci贸n de las cuales los otros dispositivos se sincronizan y transmiten datos.

La vista general de la transmisi贸n de datos en este modo se presenta a continuaci贸n.

El marco Beacon indica cu谩nto聽CSMA-CA ranurado聽ser谩, si habr谩聽acceso sin competencia聽y si la聽parte Inactiva聽seguir谩聽, el momento en que los dispositivos finales pueden entrar en hibernaci贸n con la conciencia tranquila para extender la vida 煤til de la bater铆a.

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