O Zigbee é um protocolo sem fio projetado para conectar dispositivos de curto alcance com baixo consumo de energia, sendo ideal para aplicações como automação residencial e redes de sensores. Neste post, você vai entender o que é Zigbee, como ele funciona, suas vantagens em relação a outros protocolos, como Wi-Fi e Bluetooth, e quais dispositivos e módulos oferecem suporte a essa tecnologia.
O que é Zigbee?
Zigbee é um protocolo aberto, voltado para a criação de redes sem-fio de curto alcance (Personal Area Network) seguras, confiáveis e com baixo consumo de energia.
Ele é particularmente útil para a montagem de redes com dispositivos simples, como sensores e atuadores, que precisam de uma conexão de curto alcance para transferência de pequenos pacotes de dados consumindo pouca energia. Exemplos de uso são Automação Doméstica, Redes de Sensores sem Fio e Sistemas de Controle Industrial. Em uma casa automatizada, dispositivos como lâmpadas inteligentes, sensores de movimento e interruptores Zigbee permitem o controle eficiente e remoto de luzes e outros aparelhos, com baixo consumo de energia.
Protocolo Zigbee
O protocolo Zigbee é mantido pela Connectivity Standard Alliance (anteriormente chamada de Zigbee Alliance), uma entidade que tem como membros empresas como a Amazon, Apple, Google, Espressif, Infineon, NxP, Nordic e a ST.
O Zigbee utiliza nas camadas inferiores (PHY e MAC) o padrão IEEE 802.15.4. O padrão IEEE 802.15.4 visa comunicações de curto alcance (10 metros) com taxa de transferência máxima de 250 kbits/s. A sua camada física (PHY) utiliza rádio frequência nas faixas de 2.4 GHz (mais comum, disponível no mundo todo), 868 MHz (disponível na Europa) ou 900 MHz (disponível na América do Norte).
A camada MAC (controle de acesso ao meio de comunicação) define o formato básico dos pacotes e uso de prevenção de colisão para reduzir a possibilidade de dois dispositivos tentarem transmitir simultaneamente.
O protocolo Zigbee adiciona quatro camadas adicionais: rede, objetos de dispositivos Zigbee, objetos definidos pelo fabricante do dispositivo e aplicação.
A camada de rede define um esquema de endereçamento baseado em identificações randômicas de 16 bits e o roteamento, confirmação e retransmissão de pacotes.
Existem três classes de dispositivos Zigbee:
- Coordenador Zigbee (ZC): Este é o dispositivo mais sofisticado, permitindo a conexão a outras redes. Deve existir um (e somente um) coordenador em cada rede Zigbee. Ele armazena informações sobre a rede e gerencia as autorizações. Um exemplo comum de coordenador é o hub Zigbee, usado para conectar e controlar dispositivos de automação doméstica, como lâmpadas, sensores e interruptores.
- Roteador Zigbee (ZR): Um roteador, além de executar uma função de aplicação, pode repassar dados de um dispositivo para outro (funcionando como um repetidor para aumento do alcance).
- Dispositivo de Borda Zigbee (ZED): É o dispositivo mais simples, contendo apenas a sua função de aplicação e a capacidade de comunicar com um ZR ou ZC.
Normalmente os dispositivos ZC e ZR são alimentados pela rede elétrica (para permitir comunicação a qualquer instante) enquanto que os ZED podem ser alimentados a bateria e dormir periodicamente para maior economia de energia.
Em uma rede Zigbee, os dispositivos podem ser interligados em topologias de estrela, árvore ou ponto-a-ponto (mesh).
Alternativas
Existem vários outros protocolos wireless que permitem a criação de redes locais de curto alcance:
- WiFi: bastante usado em computadores e celulares, o WiFi foi projetado para taxas altas de transferências e grandes volumes de dados, ao custo de um maior consumo de energia.
- Bluetooth e Bluetooth Low Energy (BLE): usados principalmente na conexão de periféricos a computadores e celulares, o Bluetooth tem alcance pequeno, mas suporta taxas médias de transferência.
- Thread: baseado também no protocolo IEEE 802.15.4, é um protocolo mais recente mas que vem ganhando aceitação. Tem como vantagem o uso do endereçamento IP v6 (facilitando a integração com redes locais), mas o consumo de energia e latência na comunicação são maiores que os do Zigbee. Dá mais flexibilidade de aplicações, ao custo de menor interoperabilidade.
Diferença entre Zigbee e WiFi
Embora tanto o Zigbee quanto o WiFi sejam protocolos de comunicação sem fio, eles atendem a diferentes necessidades. O WiFi é amplamente utilizado para conectar computadores, smartphones e dispositivos que exigem altas taxas de transferência de dados, como streaming de vídeo e navegação na internet. Ele foi projetado para oferecer velocidades rápidas, o que acaba resultando em um maior consumo de energia. Dispositivos que utilizam WiFi geralmente precisam estar conectados à rede elétrica ou ter baterias de alta capacidade.
O Zigbee, por outro lado, é voltado para dispositivos que não precisam de altas velocidades de comunicação, mas sim de eficiência energética. Ele é ideal para sensores e atuadores, como lâmpadas inteligentes, termostatos e sistemas de alarme. Com consumo de energia muito mais baixo, o Zigbee é perfeito para dispositivos alimentados por bateria, permitindo que eles funcionem por longos períodos sem a necessidade de recarga frequente.
Além disso, o WiFi funciona principalmente em topologias estrela, onde um roteador central gerencia todos os dispositivos conectados. Já o Zigbee permite o uso de topologias em mesh, o que significa que os dispositivos podem se comunicar entre si, repassando informações de forma distribuída, aumentando o alcance da rede sem depender de um ponto central. Isso torna o Zigbee mais robusto em termos de cobertura em redes locais maiores, especialmente em ambientes com muitos obstáculos ou onde a instalação de roteadores adicionais seria inviável.
Em resumo, o Wi-Fi é ideal para grandes volumes de dados e alta velocidade, enquanto o Zigbee brilha em aplicações que exigem baixo consumo de energia e comunicação eficiente entre dispositivos em curtas distâncias.
Vantagens
O protocolo Zigbee apresenta as seguintes vantagens:
- Protocolo maduro, suportado por várias empresas e produtos;
- Suporte a topologias estrela, ponto a ponto e mesh;
- Baixo consumo de energia, ideal para dispositivos a bateria;
- Baixa latência, garantindo respostas rápidas;
- Robustez, graças ao uso de prevenção de colisão, confirmações de recebimento e retransmissão de pacotes;
- Segurança, as comunicações são protegidas com encriptação AES com chave de 128 bits.
Módulos com suporte ao Zigbee
Uma das opções tradicionais para utilizar Zigbee são os módulos XBee da Digi. Estes módulos contém apenas a parte de comunicação e devem ser usados em conjunto com microcontroladores.
Mais recentemente, a Espressif lançou dois modelos de ESP32 que suportam o protocolo ZigBee:
- ESP32-C6: Com um núcleo RISC-V rodando a 160 MHz, 512k de RAM e um bom conjunto de periféricos, este modelo suporta comunicação WiFI, BLE e 802.11.4.
- ESP32-H2: Uma opção de menor custo, possui um núcleo RISC-V rodando a 96 MHz, 320k de RAM, um número menor de entradas/saídas digitais e suporte somente a comunicação BLE e 802.11.4.
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