Antenas ZigBee

Antenas ZigBee para aplicaciones de Internet de las cosas (IOT)

ZigBee es una tecnología inalámbrica de bajo costo que se utiliza para comunicaciones de radio de corto alcance y baja potencia. Los dispositivos ZigBee se limitan casi exclusivamente a redes de área personal de bajo ancho de banda (1 MHz). ZigBee se puede integrar en una red de malla para transferencias de datos de largo alcance.

ZigBee es una red inalámbrica de área personal (WPAN) que se caracteriza por ser de baja potencia, baja velocidad de datos y operar en estrecha proximidad. No requiere línea de visión. Las distancias de transmisión suelen estar entre 10 y 100 m. ZigBee lleva el nombre de los movimientos distintivos de las abejas melíferas.

La mayoría de los dispositivos ZigBee comerciales funcionan a 2,4 GHz, aunque algunos dispositivos se ejecutan en otros ISM o bandas de frecuencia como las de 900 MHz y 868 MHz. ZigBee tiene una velocidad de transmisión de datos de 250 Kbit/s y un alcance máximo de 10 a 30 metros con un consumo de energía de 1 mW en modo bajo y 100 mW en pico.

ZigBee tiene muchas similitudes con Bluetooth, pero es más simple y barato de operar.

• Alternativa más sencilla y de menor coste a Bluetooth para  aplicaciones de IoT (Internet de las cosas): El bajo consumo de energía, las bajas velocidades de datos y el corto alcance de ZigBee hacen que ZigBee sea ideal para su uso en dispositivos de comunicación de baja potencia en las proximidades.
• ZigBee utiliza la misma banda de frecuencia que Bluetooth: de 2.400 a 2.484 GHz.
• Una antena ZigBee se puede obtener como una antena de placa de circuito impreso (PCB) o una antena externa omnidireccional  con un rango de frecuencia operacional de 2.400 a 2.484 GHz.

XBee es un dispositivo de comunicación por radio desarrollado por Digi International para la transmisión punto a punto y en estrella de baja potencia; apto para la tecnología ZigBee. Consta de una interfaz de montaje en orificio pasante de 20 pines o un montaje en superficie de 38 almohadillas, y un conector U.FL o una antena RP-SMA. Las variaciones en el consumo de energía, la frecuencia de RF y el tipo de antena dependen de las distintas marcas del producto.

ZigBee se usa comúnmente en redes de malla y en dispositivos alimentados por baterías de baja potencia. Su bajo costo de transmisión lo hace ideal para dispositivos IoT (Internet of Things), especialmente a corta distancia. Otras aplicaciones populares de ZigBee incluyen:

• Automatización de edificios
• Sistemas de administración de la energía
• Sistemas de entretenimiento en el hogar
• Control remoto
• Sistemas de administración del tráfico

Antenas ZigBee: una guía completa

Antenas ZigBee para redes inalámbricas de área personal de baja velocidad

Las antenas ZigBee están diseñadas para admitir redes ZigBee como se describe en el estándar de redes inalámbricas IEEE 802.15.4 del Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE). Son un grupo heterogéneo de antenas y varían estructuralmente, en términos de tipos, conectores y radomos, como se detalla más adelante. La variedad de antenas ZigBee de alta calidad disponibles significa que una antena se puede adaptar con precisión a las aplicaciones para las que se utiliza la red ZigBee. Una antena ZigBee que funcione correctamente resonará en una de las frecuencias clave en las que opera ZigBee y será capaz de transmitir y recibir transmisiones ZigBee de baja potencia y baja velocidad de datos con la mínima pérdida de señal. Pueden ser antenas ZigBee internalizadas que están integradas en dispositivos o controladores compatibles con ZigBee o una antena ZigBee externaque se puede instalar para una cobertura de red óptima cuando y donde sea necesario. Pueden ser antenas ZigBee propietarias, diseñadas específicamente para este fin, o antenas genéricas con una frecuencia fundamental adecuada.

Nuestra amplia selección de antenas ZigBee se fabrica utilizando métodos y materiales de fabricación de calidad. Todas las antenas ZigBee a la venta cumplen con la   directiva de la UE sobre Restricciones sobre Sustancias Peligrosas (RoHS) y  la legislación pertinente sobre minerales de conflicto, como la Ley Dodd-Frank Sección 1502 y el Reglamento Europeo de Minerales de Conflicto.

Acerca de ZigBee

ZigBee es un protocolo de red inalámbrica que proporciona especificaciones para la disposición y el funcionamiento de redes de malla de baja potencia y baja velocidad de datos que se utilizan en una variedad de entornos. Curiosamente, recibe su nombre de los característicos movimientos en zig-zag de las abejas melíferas a medida que regresan a su colmena, a los que se compara la función ad-hoc y autoorganizada de las redes ZigBee. Este tipo de red se conoce como red de área personal inalámbrica de baja velocidad (LR-WAN) y es conocida por su bajo consumo de energía, el uso de energía de la batería y la fácil escalabilidad. Sus capacidades lo prestan para ser utilizado en una variedad de aplicaciones que requieren funcionalidad integrada a largo plazo. Las redes ZigBee se utilizan con frecuencia para realizar funciones inalámbricas de monitoreo y control, a menudo dependiendo de la energía de la batería.

El desarrollo de ZigBee comenzó a finales de la década de 1990, basándose en el protocolo IEEE 802.15.4, con la primera versión de los estándares propietarios publicada en 2002. Está supervisado por ZigBee Alliance, una organización que reúne la experiencia de más de 500 líderes de la industria y la tecnología, incluidos Amazon, General Electric y Comcast. ZigBee toma la capa física y los controles de acceso a medios (MAC) del protocolo IEEE y agrega:

• Una capa de red
• Una capa de aplicación
• El objeto de dispositivo ZigBee (ZDO)

ZigBee se refina y actualiza continuamente con objetos de aplicación comerciales y definidos por el fabricante según las indicaciones de sus socios de la industria. Los chipsets ZigBee están integrados en microcontroladores y otros objetos para una conectividad de baja latencia entre objetos en red.

Las antenas ZigBee son antenas de 2,4 GHz

ZigBee opera en varias frecuencias de operación, pero la banda de frecuencia más utilizada por las antenas y dispositivos ZigBee abarca de 2400 MHz a 2483.5 MHz. Se trata de una banda de frecuencia sin licencia conocida como banda de frecuencia de 2,4 GHz que fue designada inicialmente por la Unión Internacional de Telecomunicaciones para fines industriales, científicos y médicos (ISM), pero ahora ha sido apropiada para soportar redes inalámbricas como ZigBee. Esta banda de frecuencia es particularmente favorecida para redes inalámbricas como las redes de área personal debido al alcance y la buena penetración de las señales portadoras en estas frecuencias de paredes y materiales de construcción en entornos interiores. Aunque hay frecuencias alternativas disponibles, las ventajas de 2,4 GHz para operar ZigBee significan que las antenas externas de 2,4 GHz predominan como antenas ZigBee. Con los conectores adecuados, una antena de 2,4 GHz se puede utilizar indistintamente con los kits y sistemas ZigBee disponibles en el mercado para obtener una cobertura óptima gracias a la sensibilidad del receptor y la potencia de transmisión seleccionadas.

No todas las antenas de 2,4 GHz se pueden utilizar para ZigBee. Las antenas ZigBee deben funcionar de acuerdo con el protocolo 802.15.4 que especifica:

• Una sensibilidad del receptor de -85 dBm a 2,4 GHz
• Limitación de la potencia de transmisión de las antenas ZigBee siguiendo las regulaciones de la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC) y organismos reguladores equivalentes en otros países.

Frecuencias alternativas para las antenas ZigBee

ZigBee también está operativo en otras dos bandas de frecuencia ISM:

• De 902 a 928 MHz (en América y Australasia)
• 868-868.6 MHz (en Europa)

Las implementaciones inalámbricas de sub-gigahercios de ZigBee ofrecen soluciones de larga distancia y baja energía para soportar la transferencia de datos de ZigBee debido a su mayor alcance, penetración y resistencia contra el desvanecimiento que 2,4 GHz. Aunque las velocidades de datos son más bajas (de 20 a 40 kbps en las frecuencias más bajas mencionadas) que las alcanzadas a 2,4 GHz, hay muchas menos oportunidades de interferencia, y las bandas de frecuencia ISM más bajas se pueden utilizar para dispositivos alimentados por baterías durante años de despliegue in situ.

Tipos clave de antenas para redes ZigBee

Se pueden agregar antenas ZigBee externas en todos los niveles de una red ZigBee. Las antenas internas ZigBee también se pueden conectar a dispositivos con la experiencia correspondiente. Cuando se conectan a un coordinador ZigBee o a un dispositivo concentrador, aumentarán la cobertura y el rendimiento de toda la red, especialmente si se utilizan en un edificio con varios pisos. Las antenas externas también se pueden encontrar conectadas a repetidores ZigBee o amplificadores inalámbricos. Estas antenas llevarán conectores coaxiales estándar como  conectores SMA, RP-SMA, tipo N y TNC para una conexión mecánica y eléctrica estable. Los adaptadores y las coletas se pueden utilizar para formar una conexión fiable entre una placa de circuito y una antena externa. Estos son los principales tipos de antenas ZigBee:

[A]   Las  antenas omnidireccionales ZigBee proporcionan una cobertura de 360 grados alrededor del eje longitudinal de la antena. Proporcionan una cobertura de toda la habitación o del edificio, especialmente si se montan en el techo. Elija entre diseños robustos que incluyen antenas ZigBee de látigo, antenas ZigBee dipolo, antenas ZigBee de patito de goma y antenas de disco que tienen la forma de un disco de hockey y son ideales para el montaje de orificio pasante de bajo perfil.

[B] Las antenas direccionales ZigBee transmiten y reciben energía de radiofrecuencia en una dirección específica, lo que significa que se puede enfocar para una mayor ganancia. Cuando se utilizan de forma selectiva en una red ZigBee, proporcionan una amplificación dirigida y un enfoque de la red en un área específica. Las antenas ZigBee de panel montadas en la pared  son un ejemplo.

[C] Las antenas Chip ZigBee son una opción para agregar una antena ZigBee internalizada a un dispositivo. Estas antenas son excelentes para agregar conectividad ZigBee a proyectos electrónicos de aficionados o completar reparaciones o actualizaciones de dispositivos. Las antenas ZigBee montadas en PCB serán de menor potencia y de alcance limitado en comparación con las antenas externas disponibles. Las antenas Trace ZigBee son otro tipo de antena ZigBee interna de bajo perfil. Están hechos de una lámina geométrica especial que se imprime directamente en una placa de circuito impreso, con repeticiones del patrón para aumentar la ganancia general de la antena.

Estructura de la red ZigBee

Como se mencionó anteriormente, el funcionamiento de ZigBee se sustenta en el protocolo IEEE 802.15.4, que especifica una LP-WAN relativamente simple con cobertura o alcance de 10 metros y velocidades de datos de hasta 250 kbit por segundo cuando se utiliza la banda de frecuencia de 2.4 GHz. Los niveles inferiores de la estructura de red especificada admiten una conectividad continua con bajo consumo de energía y una comunicación genérica que se adapta a las aplicaciones de monitorización para las que se suele utilizar ZigBee. Las especificaciones de la capa 802.14.4 PHY cubren la transmisión de datos, los transceptores utilizados y la selección de canales, con hasta 16 canales disponibles para que ZigBee los use a 2,4 GHz. En general, cuanto menor sea la velocidad de datos de la red, menor será el consumo de energía. Las características notables de nivel inferior de la red ZigBee incluyen:

• Mecanismos para reducir el desperdicio de ancho de banda del canal, como las ranuras de tiempo garantizadas (GTS Guaranteed Time Slots). Los intervalos de tiempo de canal para la transmisión se asignan a nodos concretos de la red de acuerdo con una estrategia de asignación concreta.
• El uso de Carrier Sense Multiple Access (CSMA) para evitar colisiones es una estrategia clave para evitar colisiones. CSMA es un método de acceso múltiple de uso común que implica que los nodos participantes eviten las colisiones de datos transmitiendo solo una vez que hayan detectado que un canal en particular está inactivo. Al transmitir, los nodos participantes están diseñados para transmitir todo su paquete de datos a la vez, nuevamente para reducir el potencial de colisiones si las transmisiones son prolongadas o intermitentes. Es útil en ZigBee, ya que aunque los nodos pueden tener conectividad con el controlador, su disposición puede significar que no todos se ven entre sí.
• Las redes de sensores utilizadas para aplicaciones domésticas o industriales son inherentemente sensibles a la seguridad, especialmente si la red controla bloqueos físicos, alarmas o iluminación. 802.14.5 admite comunicaciones seguras especificando un paquete de seguridad de capa de enlace. El cifrado de enlaces implica el cifrado rutinario (codificación) de datos a medida que se transfieren entre dos nodos de la red ZigBee. Los datos se cifrarán a medida que salgan del nodo transmisor y serán descifrados por el nodo receptor. Si los datos se pasan entre varios nodos, deben cifrarse y descifrarse en cada parada de su retransmisión, potencialmente con diferentes claves de cifrado en cada paso, para una seguridad más sólida en general.
• La administración de energía también se integra en el funcionamiento de la red con el monitoreo del consumo de energía, las tarifas de datos y la velocidad y calidad de los enlaces dentro de la red.

Estructura y componentes de la red ZigBee

El protocolo de nivel superior patentado de ZigBee especifica su capa de red característica. Los dispositivos o nodos participantes son dispositivos de función completa (FFD) o dispositivos de función reducida (RFD), dependiendo de la capacidad de coordinar la red. Todos los nodos participantes en una red ZigBee transmiten y reciben utilizando el mismo canal. Las antenas ZigBee integradas o externas son fundamentales para transmitir datos entre nodos y proporcionar cobertura general de la red. Cada red tendrá al menos un controlador de red de área personal (PAN). Las redes ZigBee organizan sus nodos en una de las tres topologías de red clave. El tipo de red implementada dependerá de los requisitos de la aplicación. Por ejemplo, los sistemas de automatización del hogar a nivel de consumidor a menudo utilizan una topología de estrella.

• Las redes en estrella son una topología de red estándar, donde hay un nodo central, un punto de acceso o un controlador PAN que se conecta con los nodos radiales o de punto final circundantes. El controlador central suele depender de la red eléctrica, mientras que los nodos subordinados pueden funcionar con baterías. En una red en estrella, los nodos periféricos tienen conectividad con el eje central, pero no entre sí. Las redes en estrella extendidas implican la integración de nodos repetidores entre los puntos finales y el concentrador, que pueden tener una gran funcionalidad.
• Redes mesh o peer-to-peer: se caracterizan por la disposición de dispersión escalable y no jerárquica en la que los puntos de conectividad o nodos tienen múltiples conexiones entre sí y trabajan juntos para propagar datos a través de la red. Se ha descubierto que las redes de malla ad-hoc y autoorganizadas son ventajosas, ya que pueden permanecer operativas si fallan los nodos individuales, y los datos se redirigen a través de nodos alternativos.
• Redes de árbol: también conocida como red de bus estrella, esta topología tiene una conexión troncal, o troncal, con ramas que dan lugar a redes de estrella individuales. Las redes de estrellas derivadas solo pueden tener conectividad entre sí a través de la conexión troncal. Las topologías de red de árbol de clúster son una variante de las redes de malla en las que una proporción notable de los dispositivos participantes son completamente funcionales y capaces de desempeñar el papel de coordinador.

Existen componentes estándar que componen rutinariamente una red ZigBee que se utiliza en el hogar o en la industria. Se puede utilizar una antena ZigBee de 2,4 GHz para mejorar la conectividad y el rendimiento de cualquiera de estos dispositivos jerárquicos.

1. Coordinadores de ZigBee (ZC). Estos también se conocen y se venden a los consumidores como hubs ZigBee. Este dispositivo se encarga de formar y gestionar la red, desempeñando el papel de controlador PAN y siempre hay uno por red. También desempeña la función de punto de acceso o enrutador. Los ZC llevarán software de gestión de identificación crítico, como claves de seguridad, PAN ID y el centro de confianza. Solo un ZC puede aceptar nuevos dispositivos para unirse a una red ZigBee y coordinará estrictamente el proceso de emparejamiento con nuevos dispositivos. Tendrán una interfaz de usuario robusta y accesible, especialmente cuando se utilicen como centro doméstico.
2. Enrutadores ZigBee (ZR). Los dispositivos ZR son dispositivos completamente funcionales que son capaces de transmitir y recibir datos. Esto significa que pueden transmitir datos tanto de la ZC como de los nodos participantes y, en algunos casos, pueden ejecutar aplicaciones. No tienen un ciclo de trabajo y siempre están encendidos y listos para mover datos, lo que significa que tienen un mayor consumo de energía y también pueden requerir alimentación de red. En redes más pequeñas de un salto, los ZR no suelen ser necesarios. Son de particular uso en redes complejas o a gran escala, como las que utiliza el Internet de las Cosas (IoT).
3. Dispositivos finales ZigBee (ZED). Se trata de nodos de punto final que pueden comunicarse con ZC o ZR, pero no entre ellos. Son dispositivos de función reducida que probablemente funcionen con baterías y se pueden instalar lejos de una conexión a la red eléctrica. Los ZED tienen una funcionalidad mínima y se suspenderán si no transmiten datos activamente, lo que significa que pueden conservar su energía.

Aplicaciones clave de ZigBee

Debido a que ZigBee ofrece redes simples, escalables y de baja energía, se puede adaptar para su uso en una variedad de aplicaciones que requieren monitoreo y control basados en sensores. ZigBee se puede utilizar para equipar objetos con conectividad y conectarlos en red, creando un excelente ejemplo del Internet de las Cosas (IoT) en acción. En todas las aplicaciones, el uso de una antena ZigBee es fundamental. Estas son algunas de las principales aplicaciones de ZigBee.

• La domótica es probablemente una de las aplicaciones de consumo más comunes no solo de ZigBee, sino también del Internet de las cosas. Las soluciones para el hogar inteligente que funcionan con redes ZigBee incluyen iluminación, calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC), y electrodomésticos como cafeteras o dispensadores de comida para mascotas. Un hub o controlador ZigBee se puede emparejar con dispositivos compatibles que envíen una solicitud de unión y sean aceptados en el Centro de confianza del hub. La domótica es un mercado heterogéneo que carece de tecnología de código abierto, pero ZigBee se ha diferenciado como una tecnología establecida para la domótica con una alta interoperabilidad y longevidad.
• La automatización y la seguridad de los edificios se pueden utilizar para una serie de propiedades como parte de un sistema de administración de edificios (BMS), que supervisa los sistemas dentro de un edificio, como la calefacción o la ocupación. Los sensores ZigBee se pueden utilizar para monitorear en tiempo real la temperatura ambiente, si las ventanas están abiertas o cerradas o la posición de las cerraduras. Los sistemas de seguridad contra incendios también se pueden integrar con sensores que pueden detectar humo. Se cree que las redes ZigBee utilizadas para edificios inteligentes tienen el potencial de ahorrar energía debido a un control juicioso de la calefacción, la refrigeración y la iluminación.
• Las aplicaciones industriales y M2M utilizan la capacidad de ZigBee para formar redes de sensores inalámbricos eficaces que pueden ajustar las condiciones de fabricación y enviar alertas oportunas cuando pueden producirse disfunciones del sistema o fallos en la cadena de suministro. Como las velocidades de datos y el consumo de energía son bajos para ZigBee, las implementaciones industriales pueden ser muy rentables. ZigBee se está posicionando como el estándar para las redes de IoT con casi mil millones de chipsets ZigBee integrados en equipos industriales en diversos sectores como la agricultura, el monitoreo minorista y la medición de servicios públicos. La disponibilidad global y el uso de la banda de frecuencia de 2,4 GHz simplifican el despliegue de ZigBee a través de las fronteras internacionales para proyectos de almacenamiento o logística.

Preguntas frecuentes sobre las antenas ZigBee

¿Qué son los canales ZigBee?

A 2,4 GHz, hay 16 canales distintos para ZigBee, cada uno de los cuales tiene 5 MHz de ancho. Están numerados del 11 al 26. La selección de canales es importante con ZigBee, ya que los canales ZigBee se superponen a los 11 a 14 canales WiFi y pueden causar interferencias cuando ambos canales se utilizan al mismo tiempo. Siempre es mejor evitar conformarse con la configuración de canal predeterminada y elegir un canal ZigBee que esté libre de WiFi u otros canales de red inalámbrica en uso. Los canales 15, 20 y 25 de ZigBee no se superponen con WiFi.

Aquí hay una lista de los canales de ZigBee:

 ¿Cuáles son las diferencias entre ZigBee y WiFi?

WiFi es, con mucho, la tecnología de red inalámbrica más conocida y extendida y, a 2,4 GHz, es muy fácil de encontrar cuando se implementa una red ZigBee concurrente. Es importante recordar que, aunque ZigBee y WiFi utilizan la misma banda de frecuencia, son dos tipos de redes muy distintos. Estas son las diferencias clave entre ZigBee y WiFi:

• ZigBee está diseñado para aplicaciones de monitoreo y control; WiFi es principalmente para conectividad inalámbrica a Internet de alta velocidad y alto rendimiento.
• ZigBee mueve cantidades más pequeñas de datos (hasta 250 kbps), a distancias más cortas
• WiFi tiene velocidades de datos mucho más altas, hasta 1 Gbit por segundo con WiFi 5 o 6.
• ZigBee tiene un consumo de energía mucho menor y los dispositivos participantes pueden funcionar con baterías durante períodos prolongados.
• WiFi utiliza predominantemente una topología de red en estrella, mientras que las redes ZigBee suelen ser redes de malla.
• WiFi se percibe como más fácil de configurar, especialmente en entornos domésticos, y los dispositivos en red se pueden agregar y quitar rápidamente.
• WiFi tiene algunos de los problemas de compatibilidad que se pueden encontrar con WiFi.

¿Cuáles son las diferencias entre ZigBee y Bluetooth?

Hay muchas similitudes entre Bluetooth y ZigBee, que se utilizan ampliamente para redes peer to peer de baja energía. Tanto ZigBee como Bluetooth se utilizan para crear redes de área personal y funcionan a 2,4 GHz. Las diferencias notables entre las dos redes de malla (IEEE 802.15.1 y 802.15.4) incluyen:

• ZigBee es compatible con dispositivos alimentados por batería que se despliegan a largo plazo. Los dispositivos Bluetooth suelen requerir una recarga frecuente.
• Bluetooth se opera principalmente en distancias más cortas que las de ZigBee y tiene menos penetración en las paredes dentro de los edificios.
• Las velocidades de transferencia de datos de ZigBee son mucho más bajas que las de Bluetooth, que tiene una tasa de bits de 345 kbps. Bluetooth se puede usar para compartir archivos entre dispositivos, compartiendo paquetes de datos mucho más grandes a la vez.
• Las técnicas de modulación utilizadas por las dos redes son diferentes, con ZigBee que utiliza la modulación por desplazamiento de fase en cuadratura desplazada y Bluetooth que adopta  la modulación por desplazamiento de frecuencia gaussiana.
• ZigBee es altamente escalable con redes funcionales capaces de soportar más de 60.000 nodos frente a los 8 de Bluetooth.

Estas características clave de ZigBee lo convierten en una opción particularmente efectiva para aplicaciones de IoT en comparación con sus principales competidores a 2,4 GHz.

Cables de antena y tipos de conectores: Las antenas ZigBee se pueden conectar a su módulo de dispositivo correspondiente con los cables de antena que incluyen los siguientes tipos:

1.  
   1. Cable MHF4 para conectar a un conector MHF4 en el módulo o placa de circuito impreso.  Si la antena de su elección tiene un conector RP-SMA (o cable a un conector RP-SMA): Por lo general, utilizará un cable MHF4 a RP-SMA para conectarse al módulo Bluetooth.
   2.  Utilice un cable U.FL para conectarse a un conector U.FL o IPEX en la PCB (placa de circuito impreso) o módulo.  Si la antena de su elección tiene un cable a un conector RP-SMA (o un conector RP-SMA directamente en la antena): Utilice un cable U.FL a RP-SMA  para conectarse al conector RP-SMA-hembra del módulo ZigBee.
   3. Para conectar su antena a un conector RP-SMA en un módulo ZigBee: Utilice un cable de extensión RP-SMA. 

ZigBee es una tecnología de red inalámbrica clave para implementaciones escalables de IoT y automatización del hogar, y ofrece un rendimiento robusto y confiable a 2,4 GHz. La integración de las antenas ZigBee adecuadas al configurar una red es fundamental para obtener la cobertura necesaria para que la red funcione correctamente. Las antenas ZigBee internas y externas proporcionan soluciones flexibles para lograrlo, tanto en la industria como en el entorno doméstico.