Cómo funcionan las redes ZigBee

ZigBee es uno de los protocolos utilizados para la automatización del hogar. Su soporte se brinda a bombillas inteligentes, interruptores inalámbricos, sensores de movimiento y otros dispositivos que aumentan la comodidad. ¿Pero qué tan seguros están? En este artículo te diré cómo funcionaZigBee, y mostraré con qué dispositivos y programas interceptar su señal para su estudio.

¿Por qué ZigBee?

Por supuesto, este protocolo no es nuevo: el estándar apareció en 2003. Hoy en día hay análogos más modernos como LoRaWAN y RPMA, pero ZigBee sigue siendo popular. Por qué Mira la foto.

Además del alcance y la velocidad, el costo se tiene en cuenta aquí. Y puede ver de inmediato que ZigBee está perfectamente equilibrado y a un precio bajo ofrece un rango y velocidad de transferencia de datos aceptables. 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. Por lo tanto, resulta que ZigBee no golpea duro al crear una casa inteligente y cubre las necesidades básicas.

Además, los protocolos más nuevos pueden tener sorpresas desagradables. Por ejemplo, en conversaciones sobre LoRa, escuché varias veces de integradores que con una gran cantidad de dispositivos en la red pueden comenzar milagros. Dicen que sondear cientos de dispositivos puede llevar aproximadamente una hora.

Conceptos basicos

La topología de la red puede ser una de las siguientes:

  • una estrella
  • árbol de racimo;
  • versión juvenil con estilo y moda – malla.

El coordinador (también conocido como FFD ) es el nodo más importante. Él crea una red, elige en qué canal comunicarse, puede actuar como un «centro de confianza». Enrutadores : los dispositivos ya son un poco más simples. A menudo sirven como repetidores de mensajes de dispositivos finales. Dispositivos finales : que conectamos a la red, es decir, interruptores, bombillas, sensores de movimiento y otros dispositivos.

Aquí hay una tabla resumen de la funcionalidad de cada dispositivo.

Coordinador Enrutador Dispositivo final
Crear una red ZigBee x
Emisión de permisos para conectar otros dispositivos a la red x x
Asignación de dirección de red de 16 bits x x
Detectar y registrar rutas para la entrega eficiente de mensajes. x x
Detección y almacenamiento de una lista de vecinos disponibles en un salto. x x
Enrutamiento de paquetes de red x x x
Únete y cierra sesión x x x
Modo de reposo x

Ahora abra la especificación oficial de ZigBee. Allí nos encontramos casi de inmediato con una imagen tan interesante.

Arquitectura de pila ZigBee

Pero no dejes que te asuste, porque al final del artículo entenderás que en realidad todo es un poco más fácil. ?

PHY

Entonces, comencemos el estudio con PHY, la capa física, y subiremos las capas.

ZigBee, o más 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 sí. Para reducir la diafonía entre Wi-Fi y ZigBee, es mejor seleccionar los siguientes canales.

Lo que no puede sino alegrarse, en el estándar existe una ED: detección de energía . Esta característica 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 modulación OQPSK, entonces este esquema lo ayudará.

Este tipo de modulación solo se aplica a una frecuencia de 2.4 GHz. Mientras tanto, avanzamos más arriba en la pila de protocolos, y la capa MAC nos espera.

MAC

A continuación se presenta una vista general de las tramas MAC.

Como puede ver, Frame Control 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 más detalle.

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

ACK Frame – marco de confirmación. Por desgracia, vivimos en un mundo imperfecto donde hay mucha interferencia, y aún más cuando se transmite por un canal de radio. Por lo tanto, es necesario confirmar los datos recibidos.

Aquí, el número de secuencia indica qué cuadro recibimos anteriormente del cual confirmamos.

La trama MAC Cmd es, en un grado u otro, responsable de la «conexión en red» al nivel de 802.15.4.

A continuación se encuentran los comandos que puede cumplir.

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

RFD – Dispositivo de función reducida: no es un dispositivo tan importante como un coordinador; actúa como un enrutador al reenviar paquetes.

Marco de baliza : vale la pena hablar sobre este marco con más detalle.

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

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

El caso más común es usar el modo Beacon. En este caso, el coordinador envía las llamadas balizas, en función de las cuales los otros dispositivos se sincronizan y transmiten datos.

La vista general de la transmisión de datos en este modo se presenta a continuación.

El marco Beacon indica cuánto CSMA-CA ranurado será, si habrá acceso sin competencia y si la parte Inactiva seguirá , el momento en que los dispositivos finales pueden entrar en hibernación con la conciencia tranquila para extender la vida útil de la batería.

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