ZigBee comparado con Bluetooth

Bluetooth y ZigBee son competidores muy cercanos, ya que ambos se utilizan para redes de área personal y funcionan en la frecuencia de 2,4 GHz. Además, ambos son de baja potencia. El estándar de red de Bluetooth IEEE 802.15.1 difiere de 802.15.4 que cubre ZigBee de varias maneras.

Bluetooth es definitivamente más reconocido que ZigBee y su protocolo en una amplia gama de dispositivos, lo que lo hace fácil y conveniente de usar. Aunque el consumo de energía de Bluetooth es bajo, está diseñado para usarse en dispositivos que se recargan con frecuencia. Las baterías de los dispositivos que utilizan la tecnología ZigBee pueden funcionar durante años con una sola carga porque su uso de energía es muy bajo. Esto hace que el protocolo ZigBee sea especialmente buscado para aplicaciones IOT.

Bluetooth tiene menos cobertura que ZigBee, con distancias que a menudo son de solo unos pocos metros dependiendo de las condiciones. Con condiciones óptimas, ZigBee puede operar a distancias de hasta 100 metros, alrededor de 10 veces el alcance de Bluetooth. También tiene una mayor penetración: Bluetooth no es eficaz para penetrar paredes, lo cual es una limitación para las aplicaciones domésticas inteligentes. Pero cuando se usa para redes de área estrictamente personal, las velocidades de transferencia de datos son más rápidas para Bluetooth con una tasa de bits de 345 kbps frente a solo 250 kbps para ZigBee.

Las técnicas de modulación también varían con Bluetooth utilizando la modulación por desplazamiento de frecuencia gaussiana y ZigBee que depende de la modulación por desplazamiento de fase en cuadratura desplazada (OQPSK) a 2,4 GHz y la banda ultraancha de baja energía. La simplicidad de ZigBee lo hace notablemente escalable con un número máximo de nodos celulares, unidades individuales de conectividad, para la red que supera los 60.000, frente a solo 8 para las redes de malla punto a multipunto de Bluetooth. Esta diferencia de escala realmente muestra cómo estas dos tecnologías varían en su aplicación; Bluetooth se adapta mejor al uso personal sin cables y tiene una mejor movilidad, mientras que ZigBee se puede utilizar para redes basadas en la automatización más amplias en las que los dispositivos integrados se controlan de forma remota.

ZigBee comparado con WiFi para IoT

Aunque ZigBee y WiFi pueden funcionar en la misma banda de frecuencia, son dos tipos distintos de comunicación inalámbrica y generalmente se usan para diferentes propósitos.

Las ventajas y desventajas de Wifi se ven eclipsadas por el rendimiento demostrable de ZigBee como tecnología de red de área personal inalámbrica (WPAN) y, cuando está bien alineada con una aplicación, puede superar a WiFi en varias áreas.

ZigBee está diseñado para aplicaciones de monitoreo y control que requieren el movimiento de muchos menos datos en distancias mucho más cortas que WiFi. Esto se refleja en la menor tasa de bits (250 kbps), el ancho de banda (de poco más de 1 MHz) y las cortas distancias en las que opera.

El estándar de red de malla de ZigBee difiere de WiFi, una tecnología WLAN que tiene una topología en estrella, con cada dispositivo en red conectado a un punto de acceso central o enrutador. Por lo tanto, WiFi es capaz de manejar muchos más datos a mayor velocidad y, por lo tanto, generalmente admite redes y computación más complejas. La interconectividad mucho mayor entre dispositivos significa que ZigBee es altamente escalable y no depende de un único punto de acceso que tiene WiFi, pero agregar y eliminar dispositivos en red es menos sencillo que con WiFi. Las distancias más cortas y las velocidades de datos más bajas significan que el consumo de energía de ZigBee es mucho menor que el de WiFi, lo que lo hace de uso potencial en aplicaciones de Internet de las cosas, como discutimos a continuación. De hecho, sus bajas demandas de energía son tales que los objetos desplegados o los dispositivos en red M2M que utilizan ZigBee pueden dejarse durante meses sin recargar la batería.

Con aplicaciones de consumo y en el entorno doméstico, el WiFi es una competencia más dura, ya que es mucho más fácil de configurar. ZigBee ha tenido una ventaja en el mercado del hogar inteligente porque ha sido diseñado y comercializado para la conectividad de corto alcance y el procesamiento local (sin nube) que necesitan una variedad de aplicaciones domésticas. Pero a diferencia de ZigBee, los estándares WiFi 802.11no requieren un concentrador o puerto de enlace específico para su funcionamiento y WiFi no tiene los problemas de interoperabilidad y compatibilidad que se pueden encontrar con ZigBee. Si un centro inteligente es imprescindible, Google Assistant y Alexa han entrado en el mercado para proporcionar organización y gestión del hogar inteligente habilitada para WiFi. El precio de los productos inteligentes WiFi a menudo también puede ser más bajo. Sin embargo, el WiFi puede sobrecargarse rápidamente y estar sujeto a interferencias si se apilan varios dispositivos en una sola red

Antenas ZigBee para el Internet Industrial de las Cosas

Una antena ZigBee es una antena de radiofrecuencia que puede enviar o recibir ondas de radio de acuerdo con el estándar de tecnología ZigBee IEEE 802.15.4. Desempeñan un papel fundamental en el funcionamiento de las redes de área personal inalámbricas de baja potencia proporcionadas por ZigBee.

Frecuencias de las antenas ZigBee

ZigBee está diseñado para operar en frecuencias entre 2,4 y 2,48 GHz, una banda de frecuencia sin licencia originalmente reservada para fines industriales, científicos y médicos (ISM). También pueden utilizarse bandas ISM más bajas con frecuencias comprendidas entre 868 y 868,6 MHz y entre 902 y 928 MHz. ZigBee utiliza 16 canales, cada uno de los cuales tiene 2 MHz de ancho de banda para la transferencia de datos. El espectro ensanchado de secuencia directa (DSSS) es el tipo de modulación utilizado para transferir datos a una velocidad fija de 250 kbps en línea con IEEE 802.15.4, que proporciona especificaciones para la capa física de ZigBee. Todas las transmisiones de datos están protegidas mediante cifrado simétrico de 128 bits.

Antenas ZigBee puede internalizarse dentro de dispositivos o controladores habilitados para ZigBee, o instalarse externamente para mejorar o enrutar la señal. Una antena suele ser resonante a 2,4 GHz frecuencia, aunque en algunas regiones ZigBee opera en 902 a 928 MHz o 868 a 868.6 MHz. Las antenas ZigBee comparten el uso de la frecuencia de 2.4 GHz con Antenas WiFiyAntenas Bluetooth, aunque utiliza esta banda de una manera diferente a las redes IEEE 802.11. Por lo tanto, siempre que se tenga cuidado para evitar interferencias, una antena genérica de 2,4 GHz es más que adecuada para las redes ZigBee.

¿Qué es ZigBee?

ZigBee es un protocolo de comunicación de alto nivel para la creación de redes de área personal inalámbricas de baja velocidad (LR WPAN) en una variedad de entornos. Es conocido por ser de baja potencia y tener un mayor alcance y una mejor penetración que algunos de sus competidores, lo que lo hace ventajoso para aplicaciones que requieren conectividad integrada a largo plazo.

El nombre ZigBee proviene de una peculiar danza de las abejas melíferas, observada en su regreso a su colmena. Este baile en zig-zag es una reminiscencia de la forma en que funciona la red ZigBee.

Se ideó por primera vez a finales de la década de 1990 con el desarrollo continuo y la publicación de los primeros estándares en 2002 por parte de ZigBee Alliance. Este organismo está formado por más de 500 organizaciones y líderes de la industria que cooperan para publicar y mantener los estándares de ZigBee e incluyen empresas como Amazon, Samsung e IKEA. Los estándares y protocolos publicados, que incluyen las variantes ZigBee PRO y ZigBee Smart Energy, pueden ser utilizados por los fabricantes OEM para producir productos compatibles con ZigBee. El mercado de electrodomésticos inteligentes para ZigBee es amplio, con una gama de dispositivos y soluciones disponibles para la vida conectada, como se explica en detalle más adelante.

Las redes ZigBee son ad-hoc, lo que significa que, en lugar de depender de un router o punto de acceso específico, utilizan un sistema de nodos. Los nodos contienen un microcontrolador, una antena y un transceptor. En esta disposición descentralizada, los nodos reenviarán datos a otros nodos, lo que dará lugar a una red fluida y altamente reactiva. Las redes de malla ZigBee también son de baja potencia y tienen bajas velocidades de datos, lo que significa que pueden desplegarse a grandes distancias y utilizar baterías que duran meses o incluso años. Decenas de miles de nodos pueden funcionar de forma sincrónica en una red compatible con ZigBee. La señal se mueve pasando de un dispositivo a otro para lograr una cobertura significativa.

Tipos de antena ZigBee

Existe una amplia gama de antenas ZigBee internas y externas que son adecuadamente resonantes a 2,4 GHz. Al igual que con cualquier antena, la selección debe hacerse en función de la frecuencia, la directividad, la ganancia,  la impedancia, así como el diseño estructural y el montaje requerido. Estos son los tipos comunes de antenas ZigBee que se pueden instalar fácilmente tanto en entornos domésticos como comerciales.

[A] Las antenas ZigBee omnidireccionales transmitirán y recibirán la señal ZigBee en todas las direcciones que rodean el eje longitudinal de la antena. Son ideales para proporcionar una conectividad completa y se montan fácilmente en los techos para cubrir una habitación entera. Estas antenas de 2,4 GHz son especialmente útiles en las aplicaciones de IoT que se describen a continuación. Vienen en una gama de diseños que incluyen antenas de pato de goma y látigo para antenas ZigBee o Puck ZigBee.

[B] Las antenas direccionales ZigBee están diseñadas para enfocar las señales de radiofrecuencia en una dirección específica y, a menudo, son de alta ganancia. Son los más adecuados para instalaciones en las que se desea amplificar y enfocar la señal ZigBee en un área específica. Las antenas direccionales de panel  se pueden montar fácilmente en la pared.

[C] Antenas ZigBee de chip: estas antenas ZigBee en miniatura montadas en PCB generalmente se internalizan en dispositivos y nodos compatibles y otros dispositivos ZigBee. Debido a su pequeño tamaño, su alcance es limitado, pero las antenas con chip cerámico son resistentes y versátiles.

[D] Las antenas Trace ZigBee son otro tipo de antena PCB que se usa comúnmente con ZigBee. Las antenas de traza tienen un perfil extremadamente bajo, ya que el componente de las antenas está hecho de una lámina impresa directamente en la placa de circuito impreso del dispositivo en un patrón geométrico específico que proporciona la resonancia necesaria. Los diseños de las antenas se pueden repetir para aumentar la ganancia. Con estas características, emergen como una opción muy preferida que puede cumplir con los exigentes requisitos de montaje de antenas.

Las antenas ZigBee se pueden modificar para que sean compatibles con una gama de conectores y adaptadores, como los  adaptadores flexibles UFL a RP-SMA o los adaptadores SMA que se pueden utilizar para externalizar antenas o conectar antenas de reemplazo que se adapten mejor a sus necesidades. También se pueden conectar cables de extensión de antena, como cables de extensión SMA o cables de extensión RP-SMA, de modo que estas antenas puedan instalarse adecuadamente como parte de su red ZigBee.

¿Por qué son importantes las antenas ZigBee?

Las antenas se pueden encontrar o conectar a todos los tipos principales de dispositivos ZigBee, que luego se pueden organizar en topologías de red de malla o árbol de estrellas. Los tres tipos de dispositivos clave son:

1. Los coordinadores de ZigBee (ZC) forman el hub o punto de acceso de la red ZigBee y contienen datos de gestión críticos (como claves de seguridad, dirección MAC de 64 bits y el centro de confianza) para operar la red de acuerdo con su programación. También se les conoce como Coordinadores PAN.
2. Los routers ZigBee (ZR) dirigen la señal de radiofrecuencia, recibiendo y transmitiendo datos desde el controlador y los dispositivos participantes. Por lo general, no son necesarios en las redes básicas, pero se vuelven necesarios para arreglos de complejidad creciente, como los requeridos para IOT.
3. Los dispositivos finales ZigBee (ZED), también conocidos como dispositivos finales normales, son los que menos funcionalidad tienen, hablando solo con un enrutador o coordinador. Tanto la memoria como el consumo de energía de los ZED son limitados, lo que prolonga la vida útil de la batería. Pueden recibir, pero no pueden transmitir datos desde otros dispositivos. Cuando no reciben datos, se vuelven inactivos en "suspensión", lo que mantiene bajo el consumo de energía.

Estas antenas constituyen una parte crítica de la capa física (PHY) de la red ZigBee, tal como se establece en el protocolo 802.15.4. La especificación de ZigBee supervisa:

• activación y desactivación de la unidad transceptora,
• indicación de la calidad del enlace,
• detección de energía,
• evaluación de enlaces y selección de canales,
• y velocidades de datos especificadas por frecuencia (250 kbps a 2,4 GHz).

Aunque se pueden utilizar antenas genéricas de 2,4 GHz para ZigBee, deben funcionar de acuerdo con estas especificaciones. 802.15.4 especifica una sensibilidad del receptor de -85 dBm en la frecuencia de 2,4 GHz. El alcance alcanzado por una antena ZigBee estará determinado por la sensibilidad del receptor y la potencia de transmisión. La potencia máxima de transmisión de las antenas ZigBee debe estar de acuerdo con las regulaciones regionales establecidas por agencias gubernamentales como la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC).

Aplicaciones de ZigBee

ZigBee es una tecnología ideal para aplicaciones integradas que tienen un intercambio intermitente de pequeños paquetes de datos con sensores en red o dispositivos de control. El consumo de energía se mantiene en un mínimo estricto para el funcionamiento de las redes ZigBee y los dispositivos certificados generalmente pueden demostrar hasta dos años de duración de la batería.

Una vez configurada, la red ZigBee no está diseñada para la movilidad y el redespliegue repetidos, sino más bien para la creación de una red de sensores inalámbricos fijos que se puede programar de acuerdo con el uso deseado. Los objetos adecuadamente conectados en red se convierten en un Internet de las cosas, con la capacidad de transferir datos entre sí, sin intervención humana.

Las principales aplicaciones de ZigBee se pueden dividir a grandes rasgos en Domótica y Control Industrial donde predominan el Internet de las Cosas (IoT) y el uso M2M, pero también son comunes las aplicaciones médicas y de seguridad. Estos son algunos ejemplos clave.

Aplicaciones domóticas ZigBee

● Iluminación: La iluminación del hogar es un mercado clave para ZigBee que permite a los usuarios controlar de forma remota e inalámbrica la iluminación de su hogar. Los sensores de ocupación, los interruptores temporizados y las funciones de atenuación son aplicaciones populares, ya que aumentan la comodidad y ahorran energía.

● Termostatos: El control automatizado de la calefacción doméstica tiene el potencial de ahorrar cantidades significativas de energía y costos. Hay numerosos termostatos habilitados para ZigBee que proporcionan zonificación y programación para la calefacción del hogar, los ventiladores inteligentes y el aire acondicionado a través de sensores y controles habilitados para ZigBee.

● Seguridad en el hogar: Este mercado en expansión generalmente implica el uso de una red ZigBee Mesh encriptada robusta. Un concentrador dedicado monitorea y se comunica con sensores de movimiento y llaveros inalámbricos colocados estratégicamente, y se puede conectar a la iluminación de seguridad y las cerraduras.

Aplicaciones industriales e IOT ZigBee:

Con el tiempo, la ZigBee Alliance ha ido posicionando esta tecnología para convertirse en el estándar inalámbrico para IoT. Para mediados de la década de 2020, se esperan más de mil millones de ventas anuales de chipsets ZigBee, muchas de ellas para su uso en aplicaciones industriales M2M. Las comparaciones con WiFi y Bluetooth compartidas a continuación muestran que es una tecnología de malla ventajosa para la industria con controladores, sensores y nodos ZigBee operativos en numerosas aplicaciones que ya están implementadas, tales como:

• Alumbrado público inteligente
• Monitoreo de medidores de servicios públicos
• Fabricación y fábrica inteligente
• Monitoreo minorista
• Riego agrícola

Preguntas frecuentes

¿ZigBee es lo mismo que Z-wave?

Aunque son tecnologías inteligentes para el hogar y la oficina para redes descentralizadas y ad-hoc que cuentan con una Z en sus nombres, ZigBee y Z-wave son en realidad bastante diferentes.

El protocolo de red de malla Z-wave es una alternativa de bajo consumo de energía a ZigBee que fue desarrollada hace más de 20 años por la empresa danesa Zensys, que inicialmente utilizó la tecnología para un sistema de iluminación doméstico patentado. Con el tiempo, la empresa se diversificó y creó un protocolo de sistema en un chip (SOC). Esto hace posible producir miles de productos de consumo habilitados para Z-wave para el hogar y la oficina. Este sistema domótico suele ser más caro que los de ZigBee o WiFi. Las redes ZigBee y Z-wave no son compatibles ni interoperables. Al igual que ZigBee, cualquier dispositivo que funcione con Z-wave debe ser compatible e incluirse en la red mediante el emparejamiento con el controlador o el concentrador. También es similar en que se puede utilizar para crear redes de malla escalables que constan de múltiples nodos.

Una antena WLAN de 2,4 GHz no será adecuada para Z-wave, ya que funciona a una frecuencia más baja que ZigBee: 800 a 900 MHz. Si está evaluando Z-wave Vs ZigBee: Z-wave tiene un mayor alcance que ZigBee, pero admite menos nodos, poco más de 230, frente a los 65.000 de ZigBee. Su velocidad de datos también es más baja, de 100 kbps.

¿Cómo puedo reducir las interferencias con mi ZigBee Hub?

Debido a que ZigBee funciona a la misma frecuencia que WiFi, Bluetooth e incluso su microondas, puede verse afectado por la interferencia de otros dispositivos que usan la banda de frecuencia de 2.4 GHz. Las altas cantidades de "ruido" electromagnético afectarán el alcance de su hub y su conectividad con sus electrodomésticos ZigBee. Si esto es un problema para su hogar inteligente, aquí hay algunos pasos que puede seguir para remediar la situación:

1. Cambia la frecuencia de tu WiFi: El WiFi es totalmente operativo tanto en las frecuencias de 2,4 GHz como en las de 5 GHz, por lo que si tienes mucho tráfico inalámbrico en la frecuencia de 2,4 GHz, mover tu WiFi a 5 GHz debería mejorar las cosas.
2. Varíe sus canales WiFi y ZigBee: Alterar los canales de radiofrecuencia a los que se dirige su WiFi puede ayudar a evitar la superposición que puede causar interferencias. Los canales WiFi 1, 6 y 11 se comparten con los canales ZigBee, por lo que una planificación cuidadosa de los canales al configurar la domótica basada en ZigBee marcará la diferencia para minimizar estos efectos no deseados.
3. Separe su controlador ZigBee y su enrutador WiFi: La ubicación de sus concentradores y enrutadores definitivamente afectará el rendimiento de ambas redes inalámbricas. Mover su controlador ZigBee lejos de su enrutador WiFi reducirá la interferencia electromagnética que encontrarán ambos dispositivos.
4. Consigue un repetidor ZigBee con una antena externa: Añadir routers con una antena ZigBee externa de buena calidad ampliará el alcance de tu red ZigBee. Esto proporciona el impulso de señal que ayudará a superar las retransmisiones repetidas, que pueden agotar los dispositivos que funcionan con baterías. También alivia el tráfico en los otros nodos participantes de la red, lo que se espera que conduzca a un mejor rendimiento general.

¿Son compatibles ZigBee y XBee?

XBee es un módulo de conectividad inalámbrica patentado que se puede integrar en la placa base de los dispositivos para proporcionar funcionalidad de comunicación inalámbrica. Es capaz de funcionar a 2,4 GHz de acuerdo con IEEE 802.15.4 y, por lo tanto, es compatible con ZigBee, pero también se puede utilizar con Bluetooth LE, LTE y NB-IoT.

Redondeo

El enfoque simple y escalable de ZigBee para las redes inalámbricas lo ha convertido en una solución popular para la automatización del hogar. Su bajo consumo de energía, robustez y arquitectura de malla también lo han convertido en un competidor viable para soportar una variedad de aplicaciones IOT. El uso bien planificado de las antenas ZigBee puede mejorar en gran medida el alcance y la utilidad de los dispositivos habilitados para ZigBee y ayudar a hacer el mejor uso de la banda de frecuencia de 2,4 GHz.