Zigbee es un conjunto de protocolos de comunicación inalámbrica de bajo consumo basados en el estándar IEEE 802.15.4, diseñado para redes inalámbricas de área personal y aplicaciones de Internet de las cosas (IoT), domótica, redes de sensores y control industrial. Su objetivo son las comunicaciones seguras con baja tasa de envío de datos y la maximización de la vida útil de los dispositivos alimentados por batería. La versión actual del estándar, Zigbee 3.0, unifica los antiguos perfiles de aplicación (iluminación, domótica, edificios inteligentes, energía, etc.) en una única especificación de capa de aplicación.
El estándar es desarrollado y mantenido por la Connectivity Standards Alliance (CSA), organización que hasta mayo de 2021 se denominaba Zigbee Alliance. La misma alianza es también responsable del estándar Matter, que coexiste con Zigbee dentro de su ecosistema.
En principio, el ámbito donde se prevé que esta tecnología cobre más fuerza es en domótica, como puede verse en los documentos de la Zigbee Alliance, en las referencias bibliográficas que se dan más abajo en el documento «Zigbee y Domótica». La razón de ello son diversas características que lo diferencian de otras tecnologías: Su bajo consumo. Su topología de red en malla. Su fácil integración (se pueden fabricar nodos con muy poca electrónica).
Visión general Zigbee se basa en el nivel físico y el control de acceso al medio (MAC) definidos en la versión de 2003 del estándar IEEE 802.15.4 La relación entre IEEE 802.15.4-2003 y Zigbee es parecida a la existente entre IEEE 802.11 y Wi-Fi Alliance. La especificación 1.0 de Zigbee se aprobó el 14 de diciembre de 2004 y está disponible a miembros del grupo de desarrollo (Zigbee Alliance). Un primer nivel de suscripción, denominado adopter, permite la creación de productos para su comercialización adoptando la especificación por 3500 dólares anuales. Esta especificación está disponible al público para fines no comerciales en la petición de descarga. La revisión actual de 2006 se aprobó en diciembre de dicho año.
Zigbee utiliza la banda ISM para usos industriales, científicos y médicos; en concreto, 868 MHz en Europa, 915 en Estados Unidos y 2,4 GHz en todo el mundo. Sin embargo, a la hora de diseñar dispositivos, las empresas optarán prácticamente siempre por la banda de 2,4 GHz, por ser libre en todo el mundo. El desarrollo de la tecnología se centra en la sencillez y el bajo costo más que otras redes inalámbricas semejantes de la familia WPAN, como por ejemplo Bluetooth. El nodo Zigbee más completo requiere en teoría cerca del 10% del hardware de un nodo Bluetooth o Wi-Fi típico; esta cifra baja al 2% para los nodos más sencillos. No obstante, el tamaño del código en sí es bastante mayor y se acerca al 50% del tamaño del de Bluetooth. Se anuncian dispositivos con hasta 128 kB de almacenamiento.
En 2006 el precio de mercado de un transceptor compatible con Zigbee se acerca al dólar y el precio de un conjunto de radio, procesador y memoria ronda los tres dólares. En comparación, Bluetooth tenía en sus inicios (en 1998, antes de su lanzamiento) un coste previsto de 4-6 dólares en grandes volúmenes ; a principios de 2007, el precio de dispositivos de consumo comunes era de unos tres dólares.
La primera versión de la pila suele denominarse ahora Zigbee 2004. La segunda versión y actual a junio de 2006 se denomina Zigbee 2006, y reemplaza la estructura MSG/KVP con una biblioteca de clusters, dejando obsoleta a la anterior versión. Finalmente Zigbee Alliance ha presentado la versión de 2007 de la pila. También se incluyen algunos perfiles de aplicación nuevos, como lectura automática, automatización de edificios comerciales y automatización de hogares basados en el principio de uso de la biblioteca de clusters.
En ocasiones Zigbee 2007 se denomina Pro, pero Pro es en realidad un perfil de pila que define ciertas características sobre la misma.
El nivel de red de Zigbee 2007 no es compatible con el de Zigbee 2004-2006, aunque un nodo RFD puede unirse a una red 2007 y viceversa. No pueden combinarse routers de las versiones antiguas con un coordinador 2007.
Zigbee 3.0 La versión Zigbee 3.0 fue ratificada en diciembre de 2015 y lanzada comercialmente a principios de 2016. Su principal aporte fue la unificación de los perfiles de aplicación previos —entre ellos Zigbee Home Automation, Zigbee Light Link, Zigbee Building Automation y Zigbee Smart Energy— en una única especificación de capa de aplicación, lo que simplifica la interoperabilidad entre dispositivos de distintos fabricantes.
Zigbee 3.0 define más de 130 tipos de dispositivos cubriendo domótica, iluminación conectada, sensores, seguridad y monitorización de salud, y mantiene compatibilidad hacia atrás con las implementaciones previas del estándar.
Connectivity Standards Alliance
El estándar Zigbee es desarrollado por la Connectivity Standards Alliance (CSA), una alianza industrial fundada en 2002 con el nombre de ZigBee Alliance. El 11 de mayo de 2021, la organización anunció su cambio de marca a Connectivity Standards Alliance para reflejar la diversificación de su catálogo de estándares más allá de Zigbee, incluyendo el desarrollo de Matter.
La CSA mantiene tanto el desarrollo de Zigbee como su marca, indicando que ambos estándares continuarán evolucionando dentro de la misma organización.
Relación con Matter
Matter —originalmente conocido como Project Connected Home over IP o CHIP, anunciado en diciembre de 2019— es un estándar de capa de aplicación basado en IP desarrollado por la misma Connectivity Standards Alliance que mantiene Zigbee. A diferencia de Zigbee, que define tanto la capa física y de MAC (a través de IEEE 802.15.4) como su propia pila de red, Matter es agnóstico al medio físico y opera sobre Wi-Fi, Thread y Ethernet.
Ambos estándares coexisten dentro del ecosistema de la CSA: Zigbee continúa siendo soportado y desarrollado, con más de mil millones de chipsets desplegados según la propia alianza, mientras que Matter se posiciona como capa de interoperabilidad común entre tecnologías inalámbricas en el hogar inteligente.
Zigbee vs Bluetooth Zigbee es muy similar al Bluetooth pero con algunas diferencias y ventajas para domótica: Una red Zigbee puede constar de un máximo de 65535 nodos distribuidos en subredes de 255 nodos, frente a los ocho máximos de una subred (Piconet) Bluetooth. Menor consumo eléctrico que el de Bluetooth. En términos exactos, Zigbee tiene un consumo de 30 mA transmitiendo y de 3 μA en reposo, frente a los 40 mA transmitiendo y 200 μA en reposo que tiene el Bluetooth. Este menor consumo se debe a que el sistema Zigbee se queda la mayor parte del tiempo dormido, mientras que en una comunicación Bluetooth esto no se puede dar, y siempre se está transmitiendo y/o recibiendo. Tiene una velocidad de hasta 250 kbit/s, mientras que en Bluetooth es de hasta 3000 kbit/s. Debido a las velocidades de cada uno, uno es más apropiado que el otro para ciertas cosas. Por ejemplo, mientras que el Bluetooth se usa para aplicaciones como los teléfonos móviles y la informática casera, la velocidad del Zigbee se hace insuficiente para estas tareas, desviándolo a usos tales como la Domótica, los productos dependientes de la batería, los sensores médicos, y en artículos de juguetería, en los cuales la transferencia de datos es menor. Existe una versión que integra el sistema de radiofrecuencias característico de Bluetooth junto a una interfaz de transmisión de datos vía infrarrojos desarrollado por IBM mediante un protocolo ADSI y MDSI.
Dispositivos
Tipos de dispositivos Se definen tres tipos distintos de dispositivo Zigbee según su papel en la red:
Coordinador Zigbee (Zigbee Coordinator, ZC). El tipo de dispositivo más completo. Debe existir solo uno por red. Sus funciones son las de encargarse de controlar la red y los caminos que deben seguir los dispositivos para conectarse entre ellos. Router Zigbee (Zigbee Router, ZR). Interconecta dispositivos separados en la topología de la red, además de ofrecer un nivel de aplicación para la ejecución de código de usuario. Dispositivo final (Zigbee End Device, ZED). Posee la funcionalidad necesaria para comunicarse con su nodo padre (el coordinador o un enrutador), pero no puede transmitir información destinada a otros dispositivos. De esta forma, este tipo de nodo puede estar dormido la mayor parte del tiempo, aumentando la vida media de sus baterías. Un ZED tiene requerimientos mínimos de memoria y es por tanto significativamente más barato.
Como ejemplo de aplicación en Domótica, en una habitación de la casa tendríamos diversos Dispositivos Finales (como un interruptor y una lámpara) y una red de interconexión realizada con Routers Zigbee y gobernada por el Coordinador.
Funcionalidad Basándose en su funcionalidad, puede plantearse una segunda clasificación:
Dispositivo de funcionalidad completa (FFD): También conocidos como nodo activo. Es capaz de recibir mensajes en formato 802.15.4. Gracias a la memoria adicional y a la capacidad de computar, puede funcionar como Coordinador o Enrutador Zigbee, o puede ser usado en dispositivos de red que actúen de interfaz con los usuarios. Dispositivo de funcionalidad reducida (RFD): También conocido como nodo pasivo. Tiene capacidad y funcionalidad limitadas (especificada en el estándar) con el objetivo de conseguir un bajo coste y una gran simplicidad. Básicamente, son los sensores/actuadores de la red.
Un nodo Zigbee (tanto activo como pasivo) reduce su consumo gracias a que puede permanecer dormido la mayor parte del tiempo (incluso muchos días seguidos). Cuando se requiere su uso, el nodo Zigbee es capaz de despertar en un tiempo ínfimo, para volverse a dormir cuando deje de ser requerido. Un nodo cualquiera despierta en aproximadamente 15 ms. Además de este tiempo, se muestran otras medidas de tiempo de funciones comunes:
Nueva enumeración de los nodos esclavos (por parte del coordinador): aproximadamente 30 ms. Acceso al canal entre un nodo activo y uno pasivo: aproximadamente 15 ms.
Protocolos Los protocolos se basan en investigaciones recientes sobre algoritmos de red (ad hoc on-demand distance vector, vector de distancias bajo demanda; neuRFon) para la construcción de redes ad hoc de baja velocidad. La mayoría de redes grandes están pensadas para formar un clúster de clusters. También puede estructurarse en forma de malla o como un solo clúster. Los perfiles actuales de los protocolos soportan redes que utilicen o no facilidades de balizado.
Las redes sin balizas (aquellas cuyo grado de balizado es 15) acceden al canal por medio de CSMA/CA. Los routers suelen estar activos todo el tiempo, por lo que requieren una alimentación estable en general. Esto, a cambio, permite redes heterogéneas en las que algunos dispositivos pueden estar transmitiendo todo el tiempo, mientras que otros sólo transmiten ante la presencia de estímulos externos. El ejemplo típico es un interruptor inalámbrico: un nodo en la lámpara puede estar recibiendo continuamente ya que está conectado a la red; por el contrario, un interruptor a pilas estaría dormido hasta que el mecanismo se activa. En una red así la lámpara sería un enrutador o coordinador, y el interruptor un dispositivo final.
Si la red utiliza balizas, los routers las generan periódicamente para confirmar su presencia a otros nodos. Los nodos pueden desactivarse entre las recepciones de balizas reduciendo su ciclo de servicio (duty cycle). Los intervalos de balizado pueden ir desde 15,36 ms a 15,36 ms * 214 = 251,65824 segundos a 250 kbit/s; de 24 ms a 24 ms * 214 = 393,216 segundos a 40 kbit/s; y de 48 ms a 48 ms * 214 = 786,432 segundos a 20 kbit/s. Sin embargo, los periodos largos con ciclos de servicio cortos necesitan que una temporización precisa, lo que puede ir en contra del principio de bajo coste.