Balanza inalambrica

Universidad Tecnológica Nacional
Facultad Regional San Francisco
PROYECTO FINAL
BALANZA INALAMBRICA
Profesor
Ing. MUSSO, Daniel
Alumno
BONINO, Darío J.
VIRGLINIO, Mario F.
Fecha: 07/11/2008
Índice
Summary.................................................................................................................................4
Resumen.................................................................................................................................5
Introducción.............................................................................................................................6
Desarrollo Balanza Inalámbrica B-INA 60...............................................................................6
Los aspectos fundamentales..............................................................................................6
Herramientas utilizadas para el desarrollo..........................................................................6
Metodología de trabajo.......................................................................................................6
El Receptor.............................................................................................................................7
Microcontrolador.................................................................................................................7
Antena Zigbee....................................................................................................................9
LCD Gráfico......................................................................................................................11
Fuente 5V.........................................................................................................................12
Fuente 3,3V......................................................................................................................13
Teclado Matricial..............................................................................................................14
Encendido del equipo.......................................................................................................15
Banco de memorias..........................................................................................................16
Real Time Clock (RTC).....................................................................................................16
Buzzer..............................................................................................................................17
Tarjeta SD........................................................................................................................17
Puerto USB.......................................................................................................................18
Puerto Impresora – PC.....................................................................................................18
Circuito completo del Receptor.........................................................................................19
Diseño de Placa...............................................................................................................20
El Transmisor........................................................................................................................24
Microcontrolador...............................................................................................................24
Fuente de Alimentación....................................................................................................25
Antena Zigbee..................................................................................................................26
Acondicionamiento de señal.............................................................................................27
Celda de carga.................................................................................................................29
Circuito Completo.............................................................................................................29
Diseño de Placa...............................................................................................................30
Funciones del Receptor........................................................................................................32
Pantalla Presentación.......................................................................................................32
Pantalla Principal..............................................................................................................32
Pantalla Presentación Total de Acumuladores.................................................................33
Función Tarar...................................................................................................................34
Función Sumar.................................................................................................................34
Función Borrar Acumulador..............................................................................................34
Función Emitir...................................................................................................................34
Funciones no implementadas...........................................................................................34
Funciones especiales.......................................................................................................34
Basculas y Balanzas.............................................................................................................37
Historia de la Balanza.......................................................................................................39
Tipos de balanzas.................................................................................................................42
Celdas de carga....................................................................................................................53
Forma y funcionamiento de la celda de carga..................................................................53
Zigbee...................................................................................................................................55
Objetivo............................................................................................................................56
Banda de operación..........................................................................................................56
Nodos y topologia de red..................................................................................................57
Seguridad.........................................................................................................................60
Capa de aplicación................................................................................................................61
Subcapa de soporte..........................................................................................................61
Estructura de aplicación...................................................................................................62
Direccionamiento de Terminales......................................................................................63
Fundamentos de comunicación de la capa de aplicación.................................................63
Descubrimiento.................................................................................................................64
Enlace..............................................................................................................................65
Mensajes..........................................................................................................................66
Objetos de dispositivos Zigbee.........................................................................................67
Dispositivos Zigbee...........................................................................................................68
Dispositivos y Servicio de Descubrimiento.......................................................................72
Dispositivos de Gestión....................................................................................................72
Capa de Red.........................................................................................................................73
Descripción General.........................................................................................................74
Especificación del servicio................................................................................................76
Funcionalidades...............................................................................................................77
Especificación de los Servicios de Seguridad.......................................................................83
Arquitectura de Seguridad................................................................................................83
Seguridad MAC................................................................................................................84
Seguridad NWK (Red)......................................................................................................85
Seguridad en APL.............................................................................................................85
Rol Del Centro de Validación............................................................................................87
Dispositivos Zigbee...............................................................................................................88
Dispositivos de Bajo Nivel................................................................................................88
Dispositivos de Alto Nivel.................................................................................................94
Sistema Operativo.................................................................................................................96
Comparativa Bluetooth vs Zigbee.........................................................................................97
Sensores de control Zigbee..............................................................................................97
Eliminación de Cables con Bluetooth................................................................................97
Costo del prototipo................................................................................................................99
Transmisor Inalámbrico....................................................................................................99
Receptor Inalámbrico........................................................................................................99
Conclusiones.......................................................................................................................100
Agradecimientos.................................................................................................................101
Bibliografía y Referencias...................................................................................................102
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Summary
This project gestates initially as a consequence of the orientation to her agriculture
Engineering in Electrónica instructs of the race, dictated in the Universidad
Tecnológica Nacional Facultad Regional San Francisco.
The product B-INA 60 a wireless scales are that it allows weighing the contents of the
hopper automatically.
This scales are able to store in her memory of program to 8192 weighings.
The utilization of scaleses in the charging process and unloading of a hopper, it is the
form but you complete to carry a control of the aforementioned process. In this way
the producer does not have to depend of other alternative methods for the weigh-in
of this, obtaining an optimal performance during this procedure.
The principal objective is to carry completion an user-friendly, wireless product and to
a reasonable price.
The great advantage of this scales, the facility is by same handling of her, because
you consist of a graphic LCD where they can appreciate the present-day weight, the
piece of information of the accumulator, RF's sign, etc. This way the one thing that
the producer has to do is to select the show that you desire located in the keyboard
membrane.
Another very important advantage is the fact of being wireless, that allows having a
control of several hoppers with a same recipient, that provokes a reduction of the
price of a complete team.
What turns out well joining all these characteristics, it is to make easy the work of the
producer, that reduces only the control of the weighings to assure its correct storage
himself.
In addition to all what's renowned, this product not only is going to be destined for the
field, if no than due to your simplicity and you will be orientated to the industry in
general, like being control of gear, dynamometers, control of long-distance
command, sensors' anthology of data when not having wire connections industrials,
etc.
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Resumen
Este proyecto se gesta inicialmente como consecuencia de la orientación a la agroindustria de la carrera Ingeniería en Electrónica, dictada en la Universidad
Tecnológica Nacional Facultad Regional San Francisco.
El producto B-INA 60 es una balanza inalámbrica que permite pesar en forma
automática el contenido de la tolva.
Esta balanza es capaz de almacenar en su memoria de programa hasta 8192
pesadas.
La utilización de balanzas en el proceso de carga y descarga de una tolva, es la
forma mas completa para llevar un control de dicho proceso. De esta forma el
productor no tiene que depender de otros métodos alternativos para el pesaje de
esta, obteniendo un rendimiento óptimo durante este procedimiento.
El objetivo principal es llevar acabo un producto de fácil manejo, inalámbrico y a un
precio razonable.
La gran ventaja de esta balanza, es la facilidad de manejo de la misma, pues consta
de un LCD gráfico donde se pueden apreciar el peso actual, el dato del acumulador,
la señal de RF, etc. De esta manera lo único que tiene que hacer el productor es
seleccionar la función que desea ubicada en el teclado membrana.
Otra ventaja muy importante es el hecho de ser inalámbrica, lo que permite tener un
control de varias tolvas con un mismo receptor, lo que provoca una reducción del
precio de un equipo completo.
Lo que se logra juntando todas estas características, es facilitar el trabajo del
productor, que se reduce únicamente al control de las pesadas para asegurar su
correcto almacenamiento.
Además de todo lo nombrado, este producto no solo va a estar destinado al campo,
si no que debido a su simplicidad y al no tener conexiones alámbricas estará
orientado a la industria en general, como ser control de aparejos, dinamómetros,
control de mando a distancia, recolección de datos de censores industriales, etc.
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1 Introducción
La idea de realizar este proyecto surge ante la demanda continua del campo por
la automatización y modernización de los diferentes procesos existentes en este.
De tantas inquietudes planteadas, nos interesó como inicio en este proceso de
modernización, la del pesaje en forma inalámbrica a como ser de hacienda,
tolvas, mixer, etc.
A través de consultas realizadas en comercios dedicados al rubro del agro en
nuestra ciudad y de información recopilada de Internet, llegamos a la conclusión
de que todavía no se ha implementado un equipo de pesaje en forma inalámbrica
en el campo. Lo que si existen diferentes firmas dedicadas a este tema, con
conexiones alámbricas
2 Desarrollo Balanza Inalámbrica B-INA 60
Basándonos en las investigaciones y conocimientos adquiridos, el desarrollo del
prototipo de balanza inalambrica se realizó siguiendo y utilizando los siguientes
items.
2.1 Los aspectos fundamentales
●
●
●
●
●
●
Conexión Receptor-Transmisor mediante Zigbee.
Visualización gráfica con iluminación de pantalla
Almacenamiento de datos.
Portátil y de fácil manipulación.
Salida para impresor etiquetador o PC
Funciones de suma, acumulación, tara y borrado de datos.
2.2 Herramientas utilizadas para el desarrollo
●
●
●
●
Altium 2006 (Programa de diseño de circuitos).
Freescale CodeWarrior Development v6,2 para MCUs 68HC(S)908
(compilador)
P&E's BDM (Background Debug Mode) MULTILINK interface de
programación para MCUs HCS08.
Kit de placas zigbee basada en un transceptor de radio frecuencia de
2.4GHz de Freescale el MC13192 (ZigBee).
2.3 Metodología de trabajo
Se desarrollo el diseño de los circuitos dividiendo el sistema en dos partes,
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receptor y transmisor. De cada uno, a su vez, se separó en circuitos que
luego conforman el esquemático final.
Realizado los esquemáticos se procede al ruteado de las distintas placas.
Posteriormente el realizado de las misma y finalmente se programaron
ambas placas para realizar las funciones estipuladas al comienzo.
3 El Receptor
El receptor consta de 13 secciones las cuales se detallan a continuación. Cada
una de ella fue diseñada por separado y unidas en un esquemático final para
mayor ordenamiento y sistematización del trabajo.
3.1 Microcontrolador
El MCU utilizado es un MC9S08JM60 de la familia Flexis JM de Freescale
de 8 bits de 64 QFP con un cirstal de 12MHz trabajando internamente con
un PLL enganchado a 24MHz de Bus.
El mismo interaciona con todos los perifericos conectados mediantes sus
puertos exteriores a detallar
●
●
●
●
●
●
●
●
Antena Zigbee (8 puertos)
LCD gráfico (13 puertos)
Tarjeta SD (5 puertos)
USB (3 puertos)
Buzzer (1 puerto)
Teclado (6 puertos)
Banco de memoria y RTC (2 puertos)
Impresora (2 puertos).
Aspecto general de la disposicioón de los MCU utilizado para el proyecto
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Figura 3.1 Disposición general de los pines.
El MCU posee las siguientes características fundamentales
Tabla 3.1 Caracteristicas MC9S08JM60
En la siguiente figura podremos observar el circuito esquemático que detalla
la configuración utilizada en los parrafos anteriores.
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Figura 3.2 Microcontrolador
3.2 Antena Zigbee
La placa zigbee esta basada en un transceptor de radio frecuencia de
2.4GHz de Freescale el MC13192, el cual es manejado por el
microcontrolador de Freescale el MC9S08JM60, antes mencionado, la
comunicación entre el MCU y el transceiver se realiza por medio de una
interface SPI (Serial Peripheral Interface) de 4 hilos. El conexionado físico
se conecta mediante pines de paso estándar detallados a continuación.
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Figura 3.3 Asignación de pines de la placa zigbee.
A continuación se detalla el esquemático de la antena zigbee.
Figura 3.4 Circuito antena zigbee
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3.3 LCD Gráfico
El display gráfico utilizado es un WG12864A de 128x64 dots con backlight
alimentado por un puerto del MCU para su control de encendido-apagado.
La alimentación del LCD es por medio de la fuente de 5V del receptor.
Posee una conexión de 8 bits de datos y 6 de control conectados al a los
puertos del MCU. Dicha distribución de pines se puede observar en la
siguiente figura.
Figura 3.5 Asignación de pines del LCD
Características mecánicas del display y esquemático del mismo
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Tabla 3.2 Características mecánicas.
A continuación se detalla el esquemático del circuito del LCD
Figura 3.6 Circuito del LCD
3.4 Fuente 5V
La alimentación del circuito en general esta proporcionada por un
convertidor DC - DC de 5V MC34063A de ON Semiconductor, operando con
una entrada de 12V en combinación Step-Down.
Las principales características se destacan a continuación
●
●
●
●
●
Opera con una entrada de 3,0V a 40V.
Bajo consumo de corriente en Standby.
Limitación de corriente.
Corriente de salida de 1.5A
Voltaje de salida ajustable.
Se puede observar en la figura siguiente la disposición de pines y el
diagrama esquemático interno del MC34063A. Y el esquemático en
configuración Step-Down utilizado en el receptor.
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Figura 3.7 Diagrama esquemático interno
A continuación se detalla el esquemático del convertidor
Figura 3.8 Circuito del convertidor.
3.5 Fuente 3,3V
La alimentación de la antena zigbee y la tarjeta SD es realizada a través de
un regulador LM2937 de 3,3V
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Figura 3.9 Circuito regulador de 3,3V
3.6 Teclado Matricial
El teclado es a membrana de la empresa Microteclados de uso general
modelo T 2669 S de 16 teclas matricial de 3x4.
Sus características principales
●
●
●
●
●
●
●
●
Autoadhesivado al dorso (adherir sobre superficies lisas, planas,
bien limpias y desengrasadas).
Frente de polyester texturado.
Conector: Hembra 8 contactos en línea, para CI paso 2,54 mm.
(Provisto con teclado).
Resistencia Ohmica: < 200 ohms, al accionar tecla.
Aislación: >200 Megohms, entre contactos.
Corriente Máxima: 10 mA.
Tensión Máxima: 30 V.
Vida Util: >1.000.000 de operaciones, en cada tecla.
Figura 3.10 Teclado membrana de 16 teclas.
A continuación se detalla el esquemático del teclado matricial
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Figura 3.11 Circuito teclado matricial.
3.7 Encendido del equipo
El encendido se realiza por medio de una tecla del teclado matricial en
circuito cerrado de alimentación por medio de un transistor FET. El mismo
alimenta el MCU activando, luego de reiniciarse este, al optoaislador para
mantener al circuito cebado hasta que se vuelva accionar nuevamente la
tecla que proporcionará el apagado.
A continuación se detalla el esquemático del encendido
Figura 3.12 Circuito de encendido.
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3.8 Banco de memorias
El banco compuesto por seis memorias de 256 Kbits cada una, del tipo
E²prom genérica 24LC256 comunicadas entre ellas y el MCU por interface
I²C.
Sus principales características.
●
●
●
●
●
●
●
●
Low power CMOS Tecnology.
Interface I²C.
Ciclos de 5mseg. máximo de escritura.
1,000,000 de ciclos escritura/borrado.
Retención de datos > 200 años.
Protección electrostática > 4000V.
Protección se escritura por hardware.
Máximo clock de 400KHz.
A continuación se puede observar el circuito implementado para el banco de
memoria completo.
Figura 3.13 Circuito del banco de memoria.
3.9 Real Time Clock (RTC)
El receptor posee un circuito integrado encargado de administrador de
segundos, minutos, horas, días, mes, y año que entrega al MCU por
comunicación I²C denominado DS1307 conectado a los mismos alambres
del banco de memoria.
Sus principales características
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●
●
●
●
●
Ram de 256 bytes no volátiles mantenidas por batería externa de
3V.
Interface I²C.
Detección automática de sobretensión.
Consumo < 500nA.
Forma de onda de salida programable.
A continuación se detalla el esquemático del RTC
Figura 3.14 Circuito del Real time clock.
3.10 Buzzer
El buzzer esta conectado a un puerto del MCU de generación de 2
frecuencias propias.
A continuación se detalla el esquemático del Buzzer
Figura 3.15 Circuito Buzzer.
3.11 Tarjeta SD
El circuito de la tarjeta se implementó en el hardware para futura ampliación
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del proyecto no siendo la misma implementada en el software final.
A continuación se detalla el esquemático de la tarjeta SD
Figura 3.16 Circuito de la tarjeta SD.
3.12 Puerto USB
El circuito de la conexión USB, al igual que el item anterior, se implementó
en el hardware para futura ampliación del proyecto no siendo la misma
implementada en el software final.
A continuación se detalla el esquemático del USB
Figura 3.17 Circuito conexión USB.
3.13 Puerto Impresora – PC
La conexión para adaptar un impresor etiquetador externo o conexión a PC
se realiza por medio de una ficha DB-9 conectada a un MAX-232 para
adaptar tensiones de protocolo.
Los datos entre el MAX-232 y el MCU es realizada por medio de
comunicación Sci.
Los datos transmitidos por el puerto a la impresora son
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"FECHA:_____/_____/_____"
"__________________________
"CAMION:________________"
"________________________"
"PROCEDENCIA:___________"
"_______________________"
"DESTINO:________________"
"_______________________"
"CARGA:_________________"
"_______________________"
"PESO TOTAL: acumulador 1"
Nota: La linea Peso Total imprime el acumulador 1 por defecto. En caso de
estar en cualquiera de los otros 3, imprime el total de los 4 acumuladores.
A continuación se detalla el esquemático de la impresora
Figura 3.18 Circuito impresor.
3.14 Circuito completo del Receptor
El circuito completo esta conformado mediante la unión esquemática de
cada modulo visto anteriormente.
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Figura 3.19 Circuito modular del receptor
3.15 Diseño de Placa
El diseño se realizó en doble fas acomodando todo el ruteado en la forma
especial de la placa utilizada, debido a la adaptación a posteriori del
gabinete aplicado.
El impreso de cada fas se realizó mediante hojas especiales “Press-n-Peel
Blue” mediante el sistema de impreso láser y sellado de placa por calor y
atacado por ácido férrico
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Figura 3.20 Papel Azul
En las siguientes dos figuras se puede observar el PCB generado por el
programa Altium 2006 y a su derecha la placa propiamente dicha, sin el
soldado de componentes.
Las ultimas muestran el 3D generado por el programa y la placa soldada en
su totalidad de cada capa.
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Figura 3.21 Top Layer
Figura 3.22 Bottom Layer
Figura 3.23 Botton Layer
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Figura 3.24 Top Layer
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Figura 3.25 Gabinete completo.
4 El Transmisor
El Transmisor consta de 4 secciones las cuales se detallan a continuación. Cada
una de ella fue diseñada por separado y unidas en un esquemático final para
mayor ordenamiento y sistematización del trabajo, siguiendo la temática del
diseño del receptor.
4.1 Microcontrolador
El MCU utilizado es un MC9S08JM60 de la familia Flexis JM de Freescale
de 8 bits de 64 QFP con un cirstal de 12MHz trabajando internamente con
un PLL enganchado a 24MHz de Bus.
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Como se puede observar se utilizó el mismo MCU conentado de la misma
forma para ahorro de diseño y tiempos
El mismo interaciona con todos los perifericos conectados mediantes sus
puertos exteriores a detallar
●
●
●
Antena Zigbee (8 puertos)
ADC lectura de la celda.(1 puerto)
ADC lectura de nivel de batería.(1 puerto).
Figura 4.1 Microcontrolador.
4.2 Fuente de Alimentación
La alimentación y encendido se realiza con una entrada que puede proceder
de una batería o de un trasformador de 12V según se requiera.
Los voltajes utilizados requerían una reducción por medio de regulador de
9V para alimentación de celda de carga y amplificador instrumental y el
resto se reduce a 3,3V para alimentación de MCU y antena Zigbee, como
también filtrado de señal.
Dicho circuito se puede observar en la siguiente figura.
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Figura 4.2 Circuitos de alimentación.
4.3 Antena Zigbee
A diferencia del receptor el siguiente circuito no posee divisores de tensión
para adaptar las distintas conexiones al MCU ya que este último se alimenta
con 3,3V
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Figura 4.3 Antena Zigbee.
4.4 Acondicionamiento de señal
El acondicionamiento de la señal emitida por la celda de carga es
amplificada por un amplificador de instrumentación AD623 de Analog
Devices de alimentación simple.
Sus principales características son
●
●
●
●
●
●
Operación en simple o doble alimentación.
Bajo consumo de corriente < 550uA.
Regulación de ganancia por resistor externo.
800 Khz de ancho de banda para G=1.
70dB mínimo de CMRR con G=1 a 60Hz.
Rango de alimentación de 3 a 12V.
El diagrama simplificado del amplificador interno es el siguiente
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Figura 4.4 Diagrama simplificado del AD623
El circuito a continuación posee dos conexiones aplicadas al MCU, dichas
conexiones corresponden a la señal filtrada y otra sin filtrar provenientes de
la celda de carga. La razón de tal motivo es realizar los ensayos
correspondientes con la misma placa y utilizar la más conveniente.
La sección sin filtrar es simplemente la diferencia obtenida del amplificador
diferencial de entrada, amplificada 100 veces y luego ingresada al ADC de
12 bits del MCU.
La sección filtrada esta formada por un filtro Chevishev de frecuencia de
corte de 20Hz para evitar el efecto aliasing terminada por un seguidor de
emisor para adaptar impedancia, todo utilizando amplificadores
operacionales TL08X.
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Figura 4.5 Acondicionamiento de señal.
4.5 Celda de carga
La celda de carga es del tipo S para esfuerzos de tracción con las siguientes
características principales.
●
●
●
●
Capacidad máxima 2000Kg.
Tensión máxima 10V.
Resistencia del puente 350 ohm.
Material base Aluminio.
Figura 4.6 Configuración del puente
4.6 Circuito Completo
En la siguiente figura se puede observar el esquemático de las conexiones
de los módulos antes mencionados.
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Figura 4.7 Circuito completo
4.7 Diseño de Placa
El diseño se realizó con la misma metodología que el receptor.
La placa del transmisor se diseño solo en simple fas.
La siguiente figura muestra de izquierda a derecha, el diseño en Altium
2006, la placa soldada del bottom layer y la imagen 3D generada por el
software antes mencionado.
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Figura 4.8 Imágenes placa
Figura 4.9 Transmisor conectado con la celda.
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5 Funciones del Receptor
El Receptor posee una serie de funciones que, a modo, de guía práctica serán
detallados a continuación.
Se mostrará la pantalla generada y la función presionada en el teclado con una
breve descripción de su funcionamiento.
5.1 Pantalla Presentación
Es el logo de presentación que se observa cuando es
encendido
el
dispositivo
apretando
la
tecla
Apagar/Encender
Figura 5.1 Pantalla presentación.
5.2 Pantalla Principal
En la pantalla principal se podrá observar
5.2.1 El pesaje en dígitos grandes: permite observar el valor del
pesaje obtenido desde el transmisor, osea, de la balanza
propiamente dicha.
5.2.2 El valor del acumulador 1, 2, 3, ó 4: permite visualizar el valor
acumulado según se elija en cual de los cuatro acumuladores se
dese guardar el pesaje.
5.2.3 Icono de nivel de señal de la antena zigbee: permite observar
que nivel posee el enlace transmisor-receptor.
5.2.4 Icono nivel de batería del receptor o del transmisor: permite
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observar si alguno de los dispositivos tiene bajo nivel de batería.
5.2.5 Icono de borrar: permite observar un icono el cual nos avisa que
se puede borrar esa información.
5.2.6 Icono imprimir: permite observar un icono el cual nos avisa que
se puede imprimir pantalla.
Figura 5.2 Pantalla Principal
5.3 Pantalla Presentación Total de Acumuladores
Presionando la tecla Total se podrá pasar de pantallas a
modo de observar los distintos acumuladores con sus
valores.
Llegado al valor del acumulador 4 pasará a la presentación del valor
guardado de los cuatro acumuladores juntos, como se puede observar en la
siguiente figura.
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Figura 5.3 Pantalla visualización de acumuladores
5.4 Función Tarar
La tecla TARAR permite poner en cero (0) el valor de la
medición
5.5 Función Sumar
La tecla SUMAR, suma, acumula y guarda en los cuatro
acumuladores
Nota: Para borrar, ver la función borrar
5.6 Función Borrar Acumulador
La tecla BORRAR AC permite borrar el acumulador que
se observa en la pantalla en ese momento. Para borrar
todos, se debe hacer de a uno.
Si se borra un acumulador y se presiona la tecla SUMAR para seguir
acumulando, el acumulador borrado comenzara de cero (0).
5.7 Función Emitir
La tecla EMITIR activa la impresion de ticket si el icono
de imprimir se encuentra presente en la pantalla.
El Ticket generado tendra la siguiente información
5.8 Funciones no implementadas
El dispositivo posee cuatro funciones que no son implementadas en este
modelo, debido que no eran necesarias para el tipo de pesaje que usamos
en la demostración.
Tales funciones son las teclas LIMITE SUPERIOR, LIMITE INFERIOR,
BORRAR LIMITE y RESTO
5.9 Funciones especiales
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Las funciones especiales se utilizan para calibración del dispositivo y son
tres
5.9.1 Función Captura
Con el receptor apagado, mantener presionada
la tecla SUMAR mientras se enciende el equipo
presionando la tecla ENCENDER / APAGAR
Aparecerá una pantalla que se puede observar en la siguiente
figura la cual genera la captura de los dispositivos transmisores
autorizados para entrar al sistema en una cantidad máxima de 10.
En caso de tener varios transmisores, se podrá
visualizar solamente uno que elijamos de la lista
obtenida.
Para
cambiar
de
transmisor
visualizado hay que recapturar nuevamente y
elegir el deseado con las teclas SUBIR / BAJAR
Si no encuentra dispositivos en el sistema durante 30 segundos
reiniciará la búsqueda.
Figura 5.4 Pantalla de captura de zigbee.
5.9.2 Función Divisiones Internas
Con el receptor apagado, mantener presionada
la tecla TOTAL mientras se enciende el equipo
presionando la tecla ENCENDER / APAGAR
Aparecerá una pantalla que se puede observar en la siguiente
figura que visualiza las divisiones internas que envia el ADC que
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lee la celda de carga del transmisor.
Figura 5.5 Pantalla visualización divisiones del ADC
5.9.3 Función Calibración Absoluta
Con el receptor apagado, mantener presionada la tecla BORRAR
AC mientras se enciende el equipo presionando la tecla
ENCENDER / APAGAR
Aparecerá una pantalla que se puede observar en la siguiente
figura el modo de calibración absoluta que permite la contrastación
del instrumento para darle la precisión al mismo según cada celda
de carga o sistema de pesaje que se le acople.
Figura 14.6 Pantalla de calibración de la balanza.
Opera de la siguiente manera, una vez entrado
a este modo, espera a que se presione la tecla
TARAR para obtener la tara fisica que soporta la
balanza en su sistema y se almacena.
Automaticamente, queda nuevamente en
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espera hasta que se cargue al sistema con las pesas de
contrastación. Realizando esto se calibra con las teclas SUBIR /
BAJAR hasta que en la pantalla se visualize el mismo valor de las
pesas, luego se presiona BORRAR LIMITE para guardar la
calibración.
Terminada la operación regresa a la pantalla principal.
6 Basculas y Balanzas
La Balanza es un instrumento cuya función principal es la de medir la masa de un
cuerpo. Por masa entendemos la medida de un cuerpo en relación con la inercia,
es decir, con la resistencia que pone un sistema físico a cualquier cambio o
modificación. Hay mas de un dispositivo para medirla masa del cuerpo.
Por un lado tenemos la llamada herramienta
romana, que opera técnicamente y que tiene
una gran antigüedad. Entre las funciones que
ha cumplido esta herramienta se encuentran,
entre otras, la de pesar mercancías destinadas
a la venta.
También tenemos el caso de la báscula. La
misma surgió como respuesta a las dificultades
que presentaba la herramienta romana. Es
decir, todo aquello que no podía ser pesado en
ésta sí era posible ser pesado en la báscula,
más que nada porque cuenta con una
plataforma a ras del suelo que es lo que hace
que el proceso de pesado sea mucho más
sencillo de llevar a cabo. La capacidad que
tiene la báscula para soportar grandes pesos
es lo que ha permitido que se pesen, incluso, grandes camiones en ella.
En cuanto al tema que nos ocupa, la tercera opción con la que nos podemos
encontrar para medir el peso de la masa es la balanza. La misma es más
frecuentemente utilizada en una superficie terrestre donde el peso se vincula
directamente con la masa. Se opone a la báscula en que así como aquella es
empleada para pesar masas de gran magnitud, en ésta ocurre todo lo contrario.
Por lo general, se colocan sobre ellas masas muy pequeñas, por lo general de
pocos kilos.
En cuanto a su uso, éste no solo está restringido al hogar. Podemos notar su
presencia en laboratorios (justamente porque lo que se pesa es de menor
magnitud, la báscula no sería tan necesaria en este caso), en empresas y en
numerosas industrias que quieren determinar el peso de sus productos.
Por lo tanto, no solo se pesará un determinado objeto sino también – como
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ocurre en los laboratorios, por ejemplo – numerosas sustancias de distinta índole.
Cuesta ahora imaginar un solo tipo de herramienta para medir el peso porque en
la actualidad hay modelos electrónicos de avanzada que arrojan mucha precisión
y rapidez en su tarea de medición del producto o sustancia.
Lo cierto es que en la antigüedad se utilizaban aquellas que operaban
mecánicamente y con una lentitud notablemente mayor a las actuales.
Uno de los primeros mecanismos empleados fue el
que contaba con dos brazos iguales, también
llamados brazos paralelos. Este modelo tuvo su
momento de mayor empleo entre los egipcios y se
cree que data desde hace más de 2.000 años antes
de Cristo. Dicho sistema de brazos simétricos
funciona de la siguiente manera. Había una barra en
el dispositivo que debía encontrarse en un
contrabalance ideal.
De dicha barra se desprendían dos platos, uno desde
cada extremo. A su vez, la barra debía ser sostenida
por un punto de apoyo que tenía que ser de la menor
dimensión posible. Ahora bien, en cuanto al proceso
de medición de la masa, se debía proceder de la
siguiente manera. En primer lugar, era pertinente
colocar el producto que quería ser pesado en uno de los platos, al que
llamaremos plato A o plato número uno. Una vez hecho esto, en el plato B o plato
número se iban colocando paulatinamente pesas, que además debían contar con
un peso fijo y conocido.
Para determinar si la balanza había llegado a su punto de mayor equilibrio, había
que observar que la barra estuviera en una posición perfectamente horizontal.
Una vez que se ha llegado a este equilibrio, a esta armonía entre los dos brazos,
entre los dos platos, ese era el momento en el que se calculaba el peso del
producto o sustancia, el llamado peso control.
Esto proviene de toda la suma que se ha hecho de las pesas que se fueron
colocando en el plato B. Este peso resulta, desde ya, el peso del producto que se
quiso determinar con la operación y, por supuesto, el peso del producto que se
colocó en el plato A es el mismo que el de las pesas que se pusieron en el plato
B.
Pero el ejemplo anteriormente mencionado no fue, desde ya, el único que se
implementó para medir el peso. Hubo otro sistema, emparentado con el romano.
Este tipo de operativo mecánico consistía también en una barra sostenida
gracias a un punto de apoyo y el pesaje se llevaba a cabo a través de un solo
plato donde se colocaba el peso que se quería determinar con exactitud. Si bien
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hasta aquí el método es casi igual al ejemplo anterior, la diferencia radical es que
en este caso los brazos no son iguales o simétricos. En uno de los brazos, el que
resultaba ser el más corto, se colocaba el peso a determinar. El brazo largo, por
su parte, directamente no tenía plato. Es decir, lo que tenía era el llamado pilón,
una suerte de peso deslizable, que se ubicaba sobre una regla numerada. Dicho
pilón se movía alejando o acercando el peso hasta el punto de apoyo para
alcanzar el fin que siempre se persigue: el del perfecto equilibrio.
6.1 Historia de la Balanza
Aproximadamente en el año 3.500 antes de Cristo el comercio era una de
las actividades mas relevantes, especialmente en todo lo referente al
intercambio de los productos.
Debido a esta evolución en dicha comercialización, el pueblo egipcio se vio
forzado a pesar y medir esos productos destinados a la venta.
Por esta razón, el surgimiento de un nuevo instrumento que colaborara en
este aspecto resultaba esencial. Estos son los inicios de la historia de la
balanza egipcia.
Este tipo de instrumento primitivo de medición consistía de una columna con
un astil atado con una cuerda en cuyos extremos, a su vez, se sostenían
unas bandejas mediante otras cuerdas. En dichas bandejas era donde se
colocaban, por un lado, la mercancía que se quería pasar y, por el otro, una
pesa de un valor que debía ser convenido.
Con el transcurso de los años, los egipcios fueron paulatinamente
modificando su invento, por lo cual ya cerca del 1.500 agregaron una
plomada que permitía verificar si el instrumento en sí se encontraba o no
nivelado según los requerimientos.
Los romanos también se permitieron crear su propio sistema de medición
del peso, mientras los egipcios se enriquecían con su propio invento porque
lo perfeccionaban continuamente. De hecho, a la plomada luego le sumaron
una aguja – más popularmente conocida como fiel – que indica el equilibrio
entre los platos del operador de medición, que además es el momento
exacto para el realizar el cálculo del peso.
Pero la civilización romana, como ya adelantábamos, no se quedó atrás.
Cerca del año 200 A.C. lograron darle a forma a lo que luego se conoció
como romana de gancho.
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Figura 6.1 Balanza antigua extraída de una tumba de la época romana
La historia de la balanza creció y dicho instrumento fue ampliamente
difundido durante el imperio. Su sistema el siguiente: la romana de gancho
tiene un astil pero de constitución asimétrica. Desde su extremo de menor
longitud se puede colgar un gancho. En dicho gancho debe colgarse la
mercancía, y posteriormente se perfeccionaría el invento gracias al
agregado de un plato. Por otro lado, desde el extremo más largo se desliza
un peso fijo, que además tiene que ser dentado y graduado. Tan importante
sería esta creación de los romanos, que se constituiría en el perfecto
antecedente de las llamadas básculas de plataforma, las cuales se utilizan
debido a que su resistencia les permite soportar grandes pesos.
6.1.1 Evolución de las balanzas
Los egipcios y los romanos no fueron los únicos en aportar su
grano en la historia de la balanza y los instrumentos medidores de
peso.
Da Vinci, por ejemplo, fue otro exponente de la colaboración en
este aspecto. En el siglo XV configuró una medidora cuyo
cuadrante era graduado. Asimismo, se apartó de otros inventos
porque el suyo indicaba el peso del producto en dicho cuadrante,
que además tenía una forma semicircular.
Por esta razón es que se la considera como la primera herramienta
de medición de índole automática, distinta al caso de aquellas que
establecían entre los pesos determinadas equivalencias.
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Figura 6.2 Balanza de brazos iguales de Roberval
También los estudiosos de las matemáticas se permitieron
contribuir con sus propias creaciones.
Tal fue el caso de Gilles de Roberval, quien llevó adelante un
novedoso sistema de astiles que se acoplaban de manera
paralela. Con este método, el francés estaba desafiando el sistema
de palancas. Recordemos que éste permitía que los platos del
instrumento se mantuvieran en una horizontalidad inmune al
desplazamiento de los pesos.
6.1.2 Representación pictórica
Si nos adentramos un poco más en la historia de la balanza, es
preciso mencionar que ya la bascula tenia su propia y primitiva
representación pictórica.
Si nuevamente nos retrotraemos al Antiguo Egipto, nos
encontramos con numerosos bajorrelieves y papiros donde se
encontraba representada la medidora, casi siempre con sus
platillos colgados de los extremos del brazo, generalmente
suspendido desde un soporte ubicado en el medio del instrumento.
Asimismo, dicha forma de configuración se utilizó con una
connotación simbólica para hacer referencia a términos tales como
la justicia y al derecho.
Los medidores, a su vez, tienen su propio lugar en los museos. Por
ejemplo, en el Museo de Nápoles podemos encontrar distintas
clases de medidoras que se encontraron en Pompeya, que van
desde aquellas que cuentan con dos platillos, pasando por las que
tienen solamente un platillo en su constitución, hasta (como no
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podía ser de otra manera) una de las más conocidas: la romana,
que utilizaba el principio de palanca que Roberval se permitió
desafiar.
6.2 Tipos de balanzas
Antes de delimitar la amplia cantidad de ambientes donde puede operar una
báscula y explicar los tipos de balanzas que existen, determinemos en
primera medida cuál es su función principal.
Junto con el modelo romano y con la báscula, se trata de uno de los tres
instrumentos (también conocidos con el nombre de operadores técnicos)
que están destinados pura y exclusivamente a la medición de la masa de un
cuerpo.
Asimismo, es posible destacar un empleo de este operador que se lleva a
cabo con mayor frecuencia, como es el caso de la aplicación sobre la
superficie terrestre. Esto permite que se asocie la masa a su cuerpo
correspondiente.
La diferencia principal que podemos
establecer con la báscula es que ésta
última es utilizada cuando lo que se
quiere pesar son masas sumamente
grandes y de volumen más que notorio,
en cambio las medidoras más comunes
se emplean en los casos en los cuales
los kilos de peso son notablemente
inferiores, razón por la cual percibimos la
constante demanda de las mismas en
ambientes como laboratorios y cocinas.
Porque resultan prácticas y fáciles de
emplear.
Como todo desarrollo, el de los
instrumentos de pesaje también ha sido
vertiginoso y ha ido entregando al
mercado diferentes tipos de balanza según el ámbito o el uso que se les
quiera dar.
Un ejemplo claro de esto es el pasaje que se ha hecho de aquellos modelos
más tradicionales (considerados un poco obsoletos en términos de demanda
del usuario) a los modelos que funcionan a partir de un sistema
esencialmente mecánico, cuya lectura resulta directa y precisa.
Entre los principales empleos de estos operadores de medición es posible
destacar a la utilización en los comercios, donde se los usa para efectuar el
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pesaje de los alimentos que van a ser vendidos a granel, como el caso de
las carnes, el pescado y frutas varias.
Este tipo de balanza tiene como parte esencial de su constitución a una
suerte de caja registradora. En la misma, el vendedor deberá introducir el
valor de aquella materia que está decidido a pesar. Así es como, de manera
automática, el operador va a realizar rápidamente el cálculo del importe, que
además podrá ser visto en una pantalla, dejando a un lado cualquier duda o
sospecha del cliente de que el vendedor ha encarecido el verdadero valor
de su compra. Una vez que dicha compra ha sido finalizada, entonces el
medidor arroja un ticket con el detalle de todos los productos que fueron
previamente pesados.
Otro tipo de balanza es la que se emplea cuando lo que se quieren medir
son pequeñas cantidades de una determinada sustancia o material, como el
caso de las medidoras de laboratorio. El rasgo que las define es el de la
precisión, junto con el de la alta resolución.
En cuanto a la constitución de este
modelo, posee unos platillos fabricados
en acero inoxidable y una función de tara
que podrá ser activada siempre que así
se lo necesite. Por otra parte, cualquiera
sea el subtipo de este modelo de
medidora, todas ellas tienen consigo un
certificado de calibración, que puede ser
sometido a verificación cuando se lo
requiera.
En cuanto a todas las posibilidades que
se ofrece, podemos destacar que tienen
la capacidad de efectuar diversas
recetas,
tienen
el
sistema
de
cuentapiezas y de porcentaje. Con esta
clase de operador, el momento del
pesaje no va a ser dificultoso, más bien todo lo contrario.
Además de esto, que resulta esencial para todo pesaje, sus pesos de
calibración y sus componentes de red (que asimismo funcionan a 240 V) no
les impide ofrecer otra opción: la de la alimentación por medio de baterías.
Estos operadores destinados a los laboratorios tienen un rango que opera
en miligramos y cuentan con un dispositivo de calibración que opera de
manera automática y que se encuentra en la parte interna del equipo de
medición. Por esta razón, el ajuste del medidor va a realizarse a partir de un
peso de calibrado, también interno. Esto implica, por supuesto, que no sea
necesario emplear un peso de calibración que opere externamente.
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Otro tipo de balanza que es sumamente utilizada es la de cocina. Se las
coloca en los hogares y resultan muy prácticas cuando se busca pesar
alimentos, paso previo al de la etapa de cocinarlos según lo dispongan las
recetas de cocina.
Entre las ventajas más destacables del modelo anteriormente mencionado,
podemos destacar que su manejo es sumamente sencillo, lo mismo que la
función de tara con la que operan, la cual facilita en gran medida la
realización de las recetas que se tienen a mano a la hora de cocinar. Este
tipo de medidora puede ser alimentada de dos maneras. Una de las
opciones es mediante la introducción de baterías. La otra opción consiste en
alimentarla por medio de la red.
Asimismo, su rango de pesado puede llegar hasta los 150 kilogramos. Algo
que es muy importante es su capacidad de lectura, que llega a la precisión
de entre 0,01 y 50 gramos.
Otros tipos de medidoras muy usadas: las industriales, las de joyerías, las
de muelle, las de mesa, las de colegio, las de animales y las más pequeñas,
llamadas de bolsillo.
6.2.1 Balanza de Laboratorio
El laboratorio es un ambiente que se encuentra equipado con
muchos instrumentos de medición y equipos, todos ellos
empleados con el objetivo de realizar experimentos e
investigaciones de variada índole, ya sea en relación a lo
industrial, a lo químico, a lo biológico, entre muchas otras clases
de investigaciones que se llevan a cabo.
Por lo tanto, teniendo en
cuenta el trabajo que la gente
de un laboratorio desempeña lo
que
se
necesita
es,
fundamentalmente, una gran
precisión en las mediciones
ejecutadas.
En el caso de las balanzas de
laboratorio, las mismas aportan
ese nivel de precisión (por algo
también se las conoce con ese
calificativo) requerido en el
proceso de medición. Para dar
una idea aproximada del grado
de exactitud con el que operan, cabe mencionarse que hasta
pueden llegar a medir pesos de sustancias que equivalen a una
millonésima de gramo.
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Sin embargo, y a pesar de sus grandes beneficios, también este
tipo de herramienta de medición de peso necesita de muchos
cuidados. Fundamentalmente, deben estar protegidas en una caja
de plástico o también en una de vidrio. Con esto se previene algo
radical: que no se altere la lectura del peso de la sustancia por
factores como el aire ambiental y su movimiento.
Otro aspecto que debe ser tenido siempre en cuenta es que la
temperatura ambiente, la presión atmosférica y las partículas del
aire inciden directamente en el momento de ajustar el aparato y en
el momento de calibrarlo. Asimismo, las balanzas de laboratorio
tienen la tarea de transferir los valores de los patrones a lo que se
denomina como calibrando.
Además de esto, este tipo de herramienta de medición, cuando es
utilizada en el medio de las investigaciones y los análisis, también
se las conoce como comparadoras. Este tipo de dispositivo lo que
permite es que su lectura, como ya lo hemos adelantado, sea de
gran resolución. Esto ayuda a que se minimicen casi enteramente
las diferencias entre las lecturas del patrón y las lecturas del
calibrando. Por esta razón, los laboratorios están equipados con
una considerable cantidad de comparadoras.
Entre los modelos más conocidos y
empleados con mayor frecuencia se
encuentra
la
comparadora
de
carrusel automático. La misma se
caracteriza por contar con una de las
mejores repetibilidades disponibles.
Por esta razón, es un modelo muy
solicitado y de gran sofisticación. Se
calcula que en el mundo solo existen
escasos ejemplares para adquirir.
En el caso de los laboratorios de
física, por ejemplo, se emplean
distintos tipos de herramientas de
medición que operan con sus propios
sistemas. Para pesar un objeto, por lo
general
se
produce
un
desplazamiento
de
las
masas
calibradas sobre cuatro rieles y luego se fijan en posiciones que
estén etiquetadas. Los distintos rieles lo que hacen es diferenciar
los distintos tipos de peso que se utilizan en el laboratorio de física.
Por ejemplo, el primer riel corresponde de 100g a 200g. El
segundo riel está en relación con los 10g hasta los 100g. Por su
parte, el tercer riel abarca desde 1g hasta 10g. Y por último, para
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concluir con este orden descendente, el cuarto riel desplaza un
peso de 0.1g hasta 1g.
6.2.2 Balanza de colgar
Este tipo de balanza de colgar resultan ideales para ser utilizadas
en los comercios, así como también para cuando se esta al aire
libre.
En cuanto al rango de pesado que puede cubrir la balanza
comercial de colgar, éste es muy amplio y va desde los 20 gramos
hasta las 10 toneladas aproximadamente.
Cabe mencionarse la importancia de su mecanismo antichoque,
que se constituye en una de las características fundamentales de
este tipo de balanza.
Su uso puede ser muy variado por la extensión de su rango de
pesaje. Es decir, se podrán pesar tanto mercancías muy pequeñas
como grandes contenedores o sacos.
En cuanto a su uso en el tiempo libre, esta báscula brinda la
posibilidad de medición de las pescas capturadas en una salida o
incluso de las bicicletas, en ambos casos con igual eficacia y
óptima visualización.
En lo que respecta a otro de sus usos, el esencialmente comercial,
se produce cuando se necesitan colgar rangos de pesaje en
toneladas, lo cual es muy común en dicho ámbito comercial y en
diversas industrias.
6.2.2.1 Modelos de balanza comercial de colgar
Como ocurre casi siempre con todos las subclasificaciones de
las balanzas de colgar, los modelos y series nunca van a
presentar características unívocas.
Por el contrario, el mercado intenta responder con una balanza
especial de acuerdo al uso que se le quiere dar, siempre
teniendo en cuenta el rango de pesaje y el ámbito en el que se
colocará la báscula propiamente dicha. Una de las series
dignas de mención es la G, mecánica y con división en gramos.
Se trata del dinamómetro, del cual a su vez se pueden
encontrar más de diez modelos y que pesan desde 10 gramos
hasta 50 kilogramos. Si hay algo que caracteriza al
dinamómetro es su alta precisión, es más, su desviación
máxima se corresponde con 0, 3% de la carga total en gramos.
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Asimismo, ofrece otra ventaja que
es que puede ser rápidamente
adaptado de la función de la
medición de la fuerza de tracción
a otra medición: la de la fuerza de
compresión. Sin embargo, para
esto hay que tener en cuenta que
se necesita el juego adaptador de
fuerza de compresión. Este juego
opera a través de un montaje
cuya adaptación es fácil y rápida,
y que se basa en el denominado
principio modular.
Esta serie de balanza de colgar
es muy reconocida por su
facilidad de uso y por ser
altamente
perdurable,
según
comprobaciones que se han
hecho. Además de esto, se trata de un modelo mecánico y
robusto y de gran calidad no solo en cuanto al material con el
que está realizado sino también en cuanto a la forma. Su
ajustabilidad, a su vez, es considerada como casi perfecta
Otro modelo de balanza de colgar es el llamado PCE-HS 50. El
mismo posee un gran alto rango de pesado y su resolución es
sumamente clara, lo cual es una gran ventaja en lo que
respecta a la tarea de medición del peso.
Su uso ha sido generalmente industrial, aunque con el tiempo
también este modelo ha sido incorporado a tareas hogareñas y
a actividades realizadas al aire libre. Justamente su practicidad
ha sido la ventaja que permitió que su uso sea amplio y no uno
solo, por eso es que este tipo de báscula de colgar la podemos
emplear para la caza, por ejemplo, e incluso también para la
pesca.
Esta serie cuenta con una pantalla LCD que está muy bien
protegida ante todos los avatares meteorológicos que pueden
dañarla y, por extensión, comprometer los resultados de la
lectura del peso. La banda de medición que posee es
integrada, lo cual posibilita un trabajo simultáneo de medición
del peso como de la longitud del producto destinado al pesaje.
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Por otra parte, tiene entre sus
partes una carcasa realizada en
fundido de aluminio, lo cual la
hace extremadamente sólida, sin
dudas otro importante beneficio
en la tarea de medición. También
tiene un asidero giratorio y un
gancho flexible. Tanto uno como
el otro permiten determinar el
peso en forma vertical.
En cuanto a la operación de esta
serie de balanza de colgar PCE–
HS 50, hay que mencionar que en
el momento del encendido, la
báscula va a proceder a realizar
una puesta a cero automática, lo
cual garantiza una precisión de
forma casi permanente.
Su alimentación, por otra parte, es a través de la colocación de
baterías. Su manejo resultará muy sencillo y la banda de
medición (de 100cm.) que posee puede ser fácilmente
extraíble.
Esta serie tiene, asimismo, una función llamada Data Hold que
permite realizar una fijación de los valores de peso. Por otro
lado, son sus bandas extensométricas las que aseguran una
gran precisión, al tiempo que se muestran muy resistentes ante
el inminente desgaste.
6.2.3 Balanza mecánica
El uso de una balanza particular, como el caso de la que nos
ocupa, casi nunca se encuentra restringido a un único ámbito. Es
decir, a pesar de que las características de la medidora estén
directamente relacionadas con un medio en especial, eso no
implica que en otro no pueda ser utilizada también.
En cuanto a las balanzas mecánicas, las mismas son empleadas,
por ejemplo, para realizar tareas de investigación y análisis en
laboratorios, así como también pueden aparecer en el medio de la
docencia (cuando se imparte una clase de química, por mencionar
un solo exponente de este tipo de utilización), debido
fundamentalmente a que se trata de un modelo ideal para hacer
demostraciones de uso, por la precisión y la forma de manejo de la
medidora en si.
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Asimismo, este tipo de basculas es de
gran ayuda cuando se quieren realizar
pesajes in situ. Este tipo de medición
del peso es aquel que se relaciona
con un lugar fijo de obtención del
peso, dado que proviene de una
expresión latina que significa “en el
mismo lugar”.
Cabe mencionarse que a la hora de
hacer
una
división
entre
las
medidoras, dos categorías se erigen
como las más conocidas o las más
relevantes. Por un lado, tenemos a
aquellas que son electrónicas y, por el
otro, a las balanzas mecánicas sobre
las cuales nos estamos refiriendo.
En el primer caso, se trata de un
aparato especial que cuenta con un
sensor, al que también se lo conoce con el nombre de celda de
carga. Dicho sensor lo que hace es variar su nivel de resistencia
de acuerdo a si el peso del producto o mercadería en cuestión esté
aumentando o bien disminuyendo.
En el segundo caso, tenemos a las balanzas del grupo de las
mecánicas. Aquí estamos hablando de medidoras que actúan o
llevan a cabo la medición a partir de una relación de palancas.
Recordemos que el sistema de palancas está vinculado con el
empleo de este tipo de máquinas simples, que están compuestas
por una barra, por lo general de gran rigidez. Esta barra tiene la
capacidad de girar con toda la libertad que requiera alrededor del
llamado punto de apoyo, a su vez conocido con el término de
fulcro. La palanca puede ser empleada con el objetivo de
amplificar la fuerza mecánica que se le aplica a un objeto.
Sin embargo, esta no es su única función. También tiene la
capacidad de incrementar la distancia que recorre un objeto,
cuando está en proceso de respuesta a la aplicación de una
determinada fuerza.
Este tipo de balanzas mecánicas, además, cuenta con una
precisión del 0,3% de la carga, con lo cual se torna altamente
recomendable para su uso en los mencionados laboratorios, que
exigen como condición fundamental la medición exacta de
sustancias o productos, para que los informes diarios no presenten
casi margen de error.
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Al mismo tiempo, estas balanzas tienen un rango de taraje del
20% del rango de pesado máximo. En lo que respecta a las
ventajas que estas medidoras ofrecen podemos mencionar a que
su adquisición puede ser para unidades en gramos o para
unidades en Newton, depende de para qué se la quiera utilizar.
Hay básculas mecánicas que pueden
llegar a contar con un rango de
pesado que van de los cinco a los
cien gramos y que poseen en su
constitución una pinza que sirve para
llevar adelante el proceso de toma de
carga. Sin embargo, los ganchos con
los que cuentan no pueden levantar
cualquier peso. Por lo general, este
modelo de medidora puede realizar
una toma de carga de mercaderías
de 2,5 a 50kg., no mucho más que
eso.
Por otro lado, hay modelos mayores
que poseen una aguja de arrastre y
un asidero.
Otra de las ventajas que podemos
resaltar tiene relación con la
posibilidad de realizar conversiones varias. Es decir, el equipo de
conversión con el que cuenta permite que con facilidad la báscula
se adapte a ser un medidor de fuerza de presión. Además de esto,
se trata de balanzas ligeras pero no por eso menos sólidas y cuya
fabricación generalmente se realiza en Suiza.
En cuanto al ajuste de cada muelle y el montaje de la medidora
misma, siempre se busca que sea realizado con la mayor precisión
posible. Luego de esto, se lleva adelante un control definitivo en
estaciones de medición especiales, cuyo objetivo es el de afianzar
la calidad de las básculas.
En cuanto a los modelos a destacar, nos encontramos con la
balanza mecánica con división en gramos. Se caracteriza también
por una alta precisión (inherente a los modelos mecánicos) y por
su alta resistencia. Su uso más frecuente es el que se realiza en el
ámbito escolar, sobre el cual nos hemos referido anteriormente.
Asimismo, tiene la habilidad de convertirse con gran rapidez en un
aparato de precisión que ayuda, justamente, a medir la fuerza de
presión. Para esto se necesita, por supuesto, el equipo de
conversión de fuerza de presión correspondiente. Entre sus
máximas ventajas es posible mencionar: la facilidad en su
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utilización, su solidez que garantiza una alta durabilidad, su calidad
en aspectos relacionados con el material y la forma y su perfecta
capacidad para la ajustabilidad.
6.2.4 Balanza electrónica
Cuando nos referimos a las balanzas, indefectiblemente tenemos
que hacer alusión a dos grandes grupos: el de las balanzas
mecánicas y el de las balanzas electrónicas.
En el primer caso, las medidoras actúan a partir del conocido
sistema de palancas.
En el segundo caso, el que nos ocupa, estamos haciendo
referencia a una clase de báscula que opera gracias a la presencia
de un sensor – también conocido como celda de carga – que
produce una variación de resistencia de acuerdo al aumento o
disminución de los pesos.
Dichas celdas de carga, por otra parte, cuentan con una precisión
máxima de 1 en 10.000, pero gracias a la acción del
funcionamiento electrónico la precisión se modifica notablemente a
1 en 5.000
Asimismo, cuando la celda o
sensor se somete a impensados
esfuerzos para los límites de sus
capacidades, el sensor va a pasar
a una zona llamada inelástica,
donde se le resta toda utilidad
posible, quedando como inservible
a las necesidades particulares de
medición del peso.
Antes de hacer referencia a todos
los modelos o series de balanzas
electrónicas con los que nos
podemos
encontrar,
cabe
mencionarse que las básculas van a medir la fuerza ejercida por
un objeto-sujeto a la misma fuerza de gravedad. Es decir, se
produce una relación con dicha fuerza que permite realizar el
cálculo de la masa.
Por otro lado, las medidoras requieren fundamentalmente de
una calibración, que se lleva a cabo en el lugar mismo de su
utilización. Esto implica que las diferencias de gravedad van a ser
siempre notables en cualquier parte del mundo.
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Asimismo, se debe tener en cuenta un método de calibración
específico, es decir, no se trata de una decisión arbitraria. Por lo
general, el método que se emplea para la calibración de las
balanzas electrónicas es el de comparación a estándares o
patrones de carácter internacional, que a su vez son definidos de
masa.
Entre los ejemplos podemos bien mencionar a la libra y al
kilogramo, por destacar solo algunos. En cuanto a la división, ésta
se realiza automáticamente gracias a la comparación, debido a
que se toma de manera teórica una fuerza de gravedad
constante. Entonces, si lidiamos con una fuerza de gravedad
constante, la masa va a ser directamente proporcional a la fuerza.
6.2.4.1 Variedad de series
Entre los distintos modelos de balanzas electrónicas, es
posible destacar la serie llamada AH. En cuanto a sus
características más notorias, se encuentra su robusta carcasa
de acero, su función de cuentapiezas, su display (que
además es retroiluminado), su función de cálculo de
porcentaje y nueve unidades internas que permiten el
pesaje. Asimismo, cuenta con una batería interna recargable y,
por supuesto, con una calibración electrónica, que ya hemos
visto que es fundamental en el proceso de pesaje.
En lo que respecta al display, se
trata de una opción que nos
permite obtener una lectura muy
clara de los resultados de la
medición, al tiempo que su
retroiluminación es programable
según las circunstancias. Gracias
a esto, la lectura resultará muy
cómoda, aún cuando se esté en
zonas donde las condiciones de
iluminación
son
altamente
desfavorables,
dificultando
el
proceso de obtención de los
resultados.
La programación se relaciona con
el hecho de optar por una
iluminación que se encuentre permanentemente conectada o
por una que se active de manera automática, cuando se
detecta que sobre el plato de la balanza electrónica se ha
colocado un peso X.
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Por otro lado, la base de datos interna que posee esta serie
cuenta con nueve unidades, las cuales también pueden ser
programadas con gran facilidad, con el objetivo de que se
pueda acceder a cualquiera de ellas tan solo pulsando una
tecla determinada.
En cuanto al proceso mediante el cual se cuentan las piezas,
se realiza a través de unos muestreos de cantidades
predefinidas, también llevado a cabo presionando la tecla en
cuestión.
El cálculo de porcentaje, por otro lado, se realiza
muestreando primeramente el patrón y luego efectuando el
cálculo automáticamente.
Otra serie es la llamada BH, que cuenta con una alta
resolución, con un display retroiluminado, también con el
cálculo de porcentajes y la función cuentapiezas, pero con el
agregado de un paravientos de protección y del valor de
calibración seleccionable.
En lo que respecta al paravientos, éste es transparente y
desmontable, e incluye una tapa superior translúcida, que
permite utilizar la balanza aún en zonas donde las corrientes
de aire pueden llegar a ser dañinas para el proceso de pesaje.
Esta serie de balanza electrónica también puede pesar en
distintas unidades, además de los gramos, que pueden ser
configuradas por el usuario según sus propias intenciones.
7 Celdas de carga
Las balanzas electrónicas actualmente operan de una forma determinada gracias
a la presencia de un sensor. Dicho sensor, por supuesto, funciona de manera
electrónica también y es conocido comúnmente con el nombre de celda de carga
o bien célula de carga.
Se trata de la base que permite el funcionamiento de la báscula en cuestión, en
especial porque envía una señal a un sistema de indicador electrónico de lectura.
En definitiva, podemos pensar al sensor como un tipo de resorte, al cual es
posible medirle las deformaciones que presenta a través de un operativo de
índole electrónica.
7.1 Forma y funcionamiento de la celda de carga
En lo que respecta a la construcción y operación de la celda de carga,
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pasemos a determinar en primer término en qué consiste su constitución. Se
trata de un trozo de metal, que o bien puede ser de aluminio o bien de
acero.
El mismo debe presentar una muy buena calidad, casi óptima, puesto que
su función es la de permitir que la balanza comience a realizar sus
operaciones.
Al trozo de metal que hemos mencionado es imperativo que se le practique
una perforación o incisión, justamente para poder debilitar algún punto
específico de su estructura general.
Luego de llevar a cabo esta tarea, lo que hay
realizar es una colocación de pequeños
circuitos resistentes a la electricidad, que a su
vez padecerán una alteración física o
geométrica, más que nada en cuanto a su hilo
conductor.
Dichos circuitos se adhieren a la carga
aplicada, es decir, a los pesos que se colocan
sobre los platos de la báscula para obtener
los resultados de la medición.
Ahora pasemos a determinar cómo es que
opera la celda de carga para que la medidora
también pueda operar correctamente. Lo que
se va a aplicar es la antigua pero todavía
extremadamente vigente ley de Ohm. Bajo
este punto de vista, la practicidad que se adquiere es innegable
¿Cómo ocurre esto? El conductor es el encargado, como ya se ha
adelantado, de transmitir una señal que deberá ser proporcional a la
deformación, pero siempre y cuando al circuito se le aplique un voltaje
denominado “de excitación”.
Los circuitos, por su parte, reciben el nombre de “gages” o bien “strain
gages” y pueden presentar numerosas variedades, siempre dependiendo
del uso que se les quiera dar. En cuanto a la señal emitida, la misma se
encontrará indefectiblemente deformada. Por esta razón, tendrá que ser
posteriormente procesada, tarea que realizará el indicador electrónico. Éste,
a su vez, podrá tener características que lo clasifiquen como análogo, así
como también rasgos que lo definan como digital. Cualquiera sea el caso,
permitirá la obtención de la lectura del peso que queremos obtener.
Si hay que aludir al funcionamiento de la celda de carga, entonces es
importante determinar su principio básico o fundamental. El mismo está
basado en la operación que realizan cuatro galgas extensiométricas, sobre
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las cuales hemos dicho que son variadas y conocidas como “strain gages”.
Veamos más detenidamente en qué consisten. Su configuración es
considerada como muy especial y les permite ser electrónicamente
resistentes, de ahí la necesidad de su empleo.
El parámetro variable y sujeto a la medida va
a ser, justamente, la resistencia que presente
la galga. Sin embargo, dicha resistencia no
será siempre la misma. Muchas veces puede
producirse una variación, que va a depender
de la deformación que la galga sufra en
determinadas circunstancias.
Ahora pasemos a delimitar la función del
sensor en el operativo general. Se debe partir
de la hipótesis inicial de que este sensor va a
sufrir también deformaciones, al igual que la
superficie donde está adherido. El mismo se
encuentra compuesto por un sostén altamente
delgado y no conductor, sobre el cual se va a
colocar un hilo de metal muy fino. Esto se
debe hacer con el fin de que la mayor parte
de su longitud pueda distribuirse de manera paralela a una dirección
determinada. El hilo, por su parte, va a tener una resistencia a la
electricidad, pero siempre directamente proporcional a su longitud. En
definitiva, cuando el hilo se alarga, la resistencia va a aumentar
notablemente. Las deformaciones que se van a producir en el objeto sobre
el cual se adhiere la galga son las que van a generar una variación de la
longitud, que da como consecuencia una variación en la resistencia.
Por otro lado, hay otro principio de funcionamiento de las galgas de las
celdas de carga, que se va a basar en la deformación de otros elementos:
los semiconductores. La alteración, en este caso, va a repercutir no solo en
la longitud sino también en la sección. En lo que respecta a estos
semiconductores, los mismos poseen un factor de galga mucho más
elevado que aquel que estaba constituido por el hilo metálico.
8 Zigbee
Zigbee es el nombre de la especificación de un conjunto de protocolos de alto
nivel de comunicación inalámbrica para su utilización con radios digitales de bajo
consumo, basada en el estándar IEEE 802.15.4 de redes inalámbricas de área
personal (wireless personal area network, WPAN). Su objetivo son las
aplicaciones que requieren comunicaciones seguras con baja tasa de envío de
datos y maximización de la vida útil de sus baterías.
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Entre las aplicaciones que puede tener están:
●
●
●
●
●
●
Domótica.
Automatización industrial.
Reconocimiento remoto.
Juguetes interactivos.
Medicina.
Etc.
8.1 Objetivo
El objetivo de esta tecnología no es obtener velocidades muy altas, ya que
solo puede alcanzar una tasa de 20 a 250Kbps en un rango de 10 a 75
metros, si no que es obtener sensores cuyos transceptores tengan un muy
bajo consumo energético. De hecho, algunos dispositivos alimentados con
dos pilas AA puedan aguantar 2 años sin el cambio de baterías. Por lo tanto,
dichos dispositivos pasan la mayor parte del tiempo en un estado latente, es
decir, durmiendo para consumir mucho menos.
8.2 Banda de operación
ZigBee opera en las bandas libres de 2.4Ghz, 858Mhz para Europa y
915Mhz para Estados Unidos. En la siguiente figura se puede ver el
espectro de ocupación en las bandas del protocolo 802 (incluyendo ZigBee).
Figura 8.1 Tecnologías en 2,4 GHz
En la banda de 2.4Ghz usa la modulación de espectro expandido DSSS
(Direct Sequence Spread Spectrum). A una velocidad de transmisión de
250Kbps y a una potencia de 1mW cubre aproximadamente unos 13 metros
de radio.
En la siguiente figura se muestran las características de radio de las
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señales.
Figura 8.2 Características de Radio
En la siguiente tabla se puede observar la distancia en función de la
potencia transmitida y la velocidad de transmisión:
Potencia(mW) /
Velocidad(Kbps)
1mW
28 Kbps
23m
100 Kbps
13m
10mW
54m
100mW
154m
29m
66m
Tabla 8.1 Distancia de Transmisión
En cuanto a la gestión del control de acceso al medio hace uso de
CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Acces with Collision Avoidance) y es
posible usar ranuras temporales TDMA (Time Division Multiple Access) para
aplicaciones de baja latencia.
8.3 Nodos y topologia de red
En una red ZigBee pueden haber hasta 254 nodos, no obstante, según la
agrupación que se haga, se pueden crear hasta 255 conjuntos/clusters de
nodos con lo cual se puede llegar ha tener 64770 nodos para lo que existe
la posibilidad de utilizar varias topologías de red: en estrella, en malla o en
grupos de árboles, como puede verse a continuación:
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Figura 8.3 Topologías de Red
Se permite un encaminamiento o enrutamiento de saltos múltiples, también
conocido como multi-hop, que permite que estas redes abarquen una gran
superficie.
En Zigbee hay tres tipos de dispositivos:
●
Coordinador
 Solo puede existir uno por red.
 Inicia la formación de la red.
 Es el coordinador de PAN.
●
Router
 Se asocia con el coordinador de la red o con otro router Zigbee
 Puede actuar como coordinador.
 Es el encargado del enrutamiento de saltos múltiples de los
mensajes.
●
Dispositivo final
 Elemento básico de la red.
 No realiza tareas de enrutamiento.
Una posible configuración de red seria la siguiente:
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Figura 8.4 Ejemplo de red Zigbee
Otro punto importante es el soporte y la disponibilidad total de la malla, es
decir, que ante caídas de nodos, la red busca caminos alternativos para el
intercambio de mensajes, un ejemplo se puede ver a continuación.
Supongamos que disponemos de una red en la cual los nodos están
conectados en malla y se intercambian datos entre un interruptor y una
lámpara.
Figura 8.5 Camino de comunicación (interconexión)
Si algunos de los nodos, que contienen fallas, y dichos nodos formaban
parte del camino que seguían los mensajes en la comunicación, la red
podría sufrir una caída:
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Figura 8.6 Caída de dos nodos de red
ZigBee permite que se puedan establecer rutas alternativas para seguir
comunicando los dispositivos:
Figura 8.7 Creación de un camino alternativo
8.4 Seguridad
En cuanto a seguridad, ZigBee puede utilizar la encriptación AES de
128bits, que permite la autentificación y encriptación en las comunicaciones.
Además, existe un elemento en la red llamado Trust Center (Centro de
validación) que proporciona un mecanismo de seguridad en el que se
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utilizan dos tipos de claves de seguridad, la clave de enlace y la clave de
red.
9 Capa de aplicación
La pila de arquitectura ZigBee consta de varios componentes en capas como
IEEE 802.15.4 2003 en la capa de Control de Acceso al Medio (MAC), la capa
física (PHY) y la capa de red Zigbee (NWK).
La capa de aplicación de ZigBee se subdivide en la subcapa APS, la capa ZDO
(Zigbee Device Objects) y los objetos de aplicación definidos por cada uno de los
fabricantes.
Figura 5.1 Pila de Prototipo Zigbee
9.1 Subcapa de soporte
La subcapa de soporte de aplicación (APS) proporciona un interfaz entre la
capa de red (NWK) y la capa de aplicación (APL) a través de un conjunto de
servicios que se utilizan junto a los ZDO y otros objetos que hayan sido
definidos por los fabricantes.
Los servicios los ofrecen dos entidades: la entidad de datos APS (APSD) a
través del servicio de punto de acceso APSDE (APSDE-SAP) y la entidad
gestora del APS (APSME-SAP) a través de un servicio que ofrece el punto
de acceso APSE-SAP.
APSDE proporciona el servicio necesario para la transmisión de datos y el
transporte de de datos de aplicación entre dos o más dispositivos en la
misma red.
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APSME proporciona el servicio de descubrimiento y enlace de dispositivos y
mantiene una base de datos de los objetos llamado “APS Information Base
(AIB)”.
9.2 Estructura de aplicación
Dentro de la estructura de aplicación, los objetos de envían y reciben datos
a través del APSDE-SAP. El control y la gestión de los objetos de aplicación
es llevada a cabo por las interfaces de los ZDO.
El servicio de datos ofrecido por el APSDE-SAP, incluye primitivas de
petición, confirmación, respuesta e indicación (request, confirm, response,
indication) para la transferencia de datos.
●
●
●
La primitiva request soporta la transferencia de datos entre pares de
entidades objeto de aplicación.
La primitiva confirm da los resultados de una llamada de la primitiva
request.
La primitiva indication se usa para indicar la transferencia de datos
desde un APS a la entidad objeto de aplicación.
Se pueden definir mas de 240 objetos de aplicación llamados terminales,
con interfaces que para cada uno de los terminales se enumeran del 1 al
240.
Hay dos terminales adicionales que utiliza el APSDE-SAP; el 0 está
reservado para el interfaz de datos de los ZDO y el 255 se reserva para que
el interfaz de datos realice las peticiones de broadcast de datos para todos
los objetos de aplicación.
Los terminales que van del 241 al 254 se reservan para usos futuros.
9.2.1 Servicio de parejas Clave-Valor
El servicio de pares key-valor (KVP) permite a los atributos
definidos, que en los objetos de aplicación se puedan utilizar
primitivas como get, get response, set y set response.
Además, KVP utiliza estructuras de datos de marcado XML en una
versión más reducida. Esta solución proporciona un mecanismo de
instrucciones y control para la gestión de pequeños dispositivos
que permiten a las puertas de acceso la difusión de los datos XML.
9.2.2 Servicios de mensajes
Existen varias áreas de aplicación en ZigBee que tiene protocolos
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de direccionamiento propietarios y que no funcionan bien con KVP.
Por tanto, existen cabeceras que KVP asume y que sirven para
controlar el estado de las variables, que permitan seleccionar,
obtener o realizar las acciones necesarias que se puedan producir
ante ciertos eventos que requieran los dispositivos para mantener
las variables de estado de comunicación.
9.3 Direccionamiento de Terminales
ZigBee proporciona un subnivel de direccionamiento, que se usa de manera
conjunta con otros mecanismos como es el protocolo IEEE802.15.4.Por
ejemplo; hay un número de terminales (endpoints) que se pueden utilizar
para identificar interruptores y bombillas. El terminal 0 está reservado para la
gestión de dispositivos y es utiliza para direccionar los descriptores del
nodo. Cada subunidad que se identifica en un nodo (como pueden ser los
interruptores y las bombillas) se asigna a un terminal específico dentro del
rango 1-240.
Para permitir una diferenciación de productos en el mercado, los fabricantes
pueden añadir clusters que contengan atributos extra para sus propios
perfiles.
Estos clusters específicos no forman parte de la especificación de ZigBee y
su interoperabilidad no está garantizada. Dichos servicios deben ser
indicados en cada uno de los terminales descritos por parte del fabricante,
acompañando a poder ser la nueva hoja de especificaciones.
9.4 Fundamentos de comunicación de la capa de aplicación
9.4.1 Perfiles
Los perfiles son acuerdos a los que se llega por mensajes. El
formato de estos mensajes y las acciones producidas, permiten a
las aplicaciones residir en cada uno de los dispositivos individuales
para enviar instrucciones, realizar peticiones de datos o procesar
instrucciones/datos para crear así una aplicación distribuible e
interoperable. Los perfiles son desarrollados por cada uno de los
fabricantes ZigBee, que en base a las necesidades que existen en
el mercado, proporcionan soluciones tecnológicas específicas.
Los perfiles por tanto tratan de unificar la tecnología con las
necesidades del mercado.
9.4.2 Cluster
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Los clusters son identificados por un identificador de cluster
(Cluster ID), éste cluster se asocia al dispositivo que produce los
flujos de datos.
Los identificadores de clusters son únicos dentro de un mismo
perfil.
Los enlaces se producen por la relación existente entre
identificadores de clusters de salida y de entrada, asumiendo que
ambos clusters están dentro de un mismo perfil.
9.5 Descubrimiento
9.5.1 Dispositivo de Descubrimiento
El servicio de descubrimiento (Device Discovery), es el proceso
por el cual un dispositivo ZigBee descubre otros dispositivos. Para
ello, realiza preguntas/solicitudes que se envían por broadcast o
unicast.
Hay dos formas de realizar las peticiones de descubrimiento de
servicios y dispositivos: la petición de dirección IEEE y la petición
de dirección de NWK.
La petición de IEEE es unicast y asume que la dirección NWK es
conocida.
La petición de dirección NWK es por broadcast y lleva la dirección
de IEEE como datos de negociación de parámetros.
Las respuestas al elemento que ha realizado las peticiones
broadcast o unicast de mensajes de descubrimiento pueden variar
según provengan de un tipo de dispositivos lógicos u otros, como
se indica a continuación:
●
Terminal: responde a las peticiones de descubrimiento de
dispositivos enviando su propia dirección IEEE o la dirección
NWK (dependiendo de la petición)
●
Coordinador: responde a la petición enviando su dirección
IEEE o NWK y las direcciones IEEE o NWK que tiene
asociadas como coordinador ZigBee (dependiendo del tipo
de petición).
●
Router: responde a peticiones enviando su dirección IEEE o
NWK y las direcciones IEEE o NWK de todos los dispositivos
que tiene asociados como router ZigBee (dependiendo de la
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petición).
9.5.2 Servicio de Descubrimiento
El servicio de descubrimiento es el proceso por el cual los servicios
que en un instante de tiempo están disponibles en los terminales o
en los dispositivos receptores y que son descubiertos por
dispositivos externos.
El servicio de descubrimiento realiza las peticiones de sondeo para
cada terminal de cada dispositivo o por el uso de servicios de
sondeo tipo broadcast o unicast.
El proceso del servicio de descubrimiento en ZigBee es la clave
para interconectar dispositivos dentro de una red. A través de
dichas peticiones de los descriptores de cada nodo especificado,
las peticiones por broadcast para preguntar a los dispositivos
cuales son los objetos de aplicación que tienen sus dispositivos.
9.6 Enlace
En ZigBee, hay un concepto de nivel de aplicación que utiliza los
identificadores de clusters en los terminales de manera individual en cada
uno de los nodos. Se llama enlace a la creación de un vínculo entre los
dispositivos de aplicación de la red y los terminales.
La información de cómo los clusters se emparejan con los nodos se indica
en una tabla de enlace (binding table).
El enlace se lleva a cabo después de que el en enlace de comunicaciones
se haya establecido. Una vez el enlace se establece es ya en la
implementación en la que se decide de qué manera un nodo puede llegar a
formar parte de la red o no. Además, también depende de la seguridad
definida para realizar la operación y de cómo se haya implementado. El
enlace sólo se permite si la implementación de la seguridad de la red de
todos y cada uno de los dispositivos lo permite.
La tabla de enlace se implementa en el coordinador ZigBee. Esto es porque
se necesita que la red esté continuamente operativa y disponible, con lo que
es más probable que el coordinador sea el que pueda ofrecer este servicio.
Por otro lado, algunas aplicaciones pueden necesitar tener esta tabla de
enlace duplicada, para que esté disponible por si ocurre un fallo de
almacenamiento de la tabla original.
Las copias de seguridad de la tabla de enlace y/o de otros elementos de
datos sobre el coordinador ZigBee ya no pertenecen a la especificación de
ZigBee 1.0, por lo que es responsabilidad del software de aplicación.
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9.7 Mensajes
9.7.1 Direccionamiento Directo
Una vez los dispositivos se han asociado, las instrucciones entre
los elementos se pueden enviar y recibir, de forma que ya pueden
ser enviadas de un dispositivo a otro.
El direccionamiento directo asume que el descubrimiento del
dispositivo y el servicio de descubrimiento tienen identificados un
dispositivo con un terminal, el cual quiere realizar peticiones de
servicios.
El direccionamiento directo define una manera de realizar el
direccionamiento en el que se envíen mensajes a los dispositivos
incluyendo su dirección y la información de los terminales que
contiene.
9.7.2 Direccionamiento Indirecto
El uso del direccionamiento directo requiere de un dispositivo
controlador que tenga el conocimiento de todas las direcciones, de
los terminales, de los clusters identificadores y de los atributos
identificadores de un dispositivo que quiere comunicarse y que
tiene su información almacenada en una tabla de enlace (binding
table) en un coordinador ZigBee. Este coste de almacenamiento es
mayor que el que se produce en la creación de un mensaje de
direccionamiento indirecto entre pares de dispositivos. La dirección
IEEE compuesta de 10bytes además de un byte adicional que se
necesita son suficientes para que dispositivos sencillos como
pudieran ser interruptores (switches) alimentados por baterías, se
sobrecargarían al almacenar toda la información que hay en la
tabla. Para estos dispositivos, el direccionamiento indirecto resulta
más adecuado.
Cuando un dispositivo fuente/emisor contiene varios atributos, el
identificador de cluster se utiliza para realizar el direccionamiento y
los atributos identificadores se usan para identificar un atributo en
particular incluido en el cluster.
9.7.3 Direccionamiento Broadcast
Una aplicación puede enviar mensajes broadcast a todos los
terminales de un dispositivo dado.
Este direccionamiento forma parte del direccionamiento broadcast
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llamado broadcast de aplicación.
La dirección de destino está formada por 16 bits de la dirección
broadcast de la red y hay que indicar el flag de broadcast en la
trama APS dentro del campo de control.
El origen debe incluir el identificador de cluster, el perfil
identificador y el campo del terminal origen en la trama APS.
9.8 Objetos de dispositivos Zigbee
Los objetos de dispositivos ZigBee (ZigBee Device Objects, ZDO)
representan la clase base de la funcionalidad que proporciona un interfaz
entre los objetos de aplicación, el perfil del dispositivo y el APS.
Los ZDO se encuentran entre el framework de aplicación y la subcapa de
soporte de aplicación. Permite así que se cumplan todos los requisitos de
las aplicaciones que operan con la pila de protocolo ZigBee.
Los ZDO son responsables de:
●
Inicializar la subcapa de soporte de aplicación (APS), la capa de
aplicación (NWK), y los servicios de especificación (SSS).
●
La información de configuración desde la aplicación para
determinar e implementar el descubrimiento y la gestión de la
seguridad, red y enlace.
Los ZDO proporcionan interfaces públicos para los objetos de aplicación en
la capa del framework de aplicación para tener el control de dispositivo y
realizar las funciones necesarias definidas por los objetos de aplicación.
Las interfaces de los ZDO tienen poca presencia en la pila de protocolo
ZigBee. En el terminal 0, a través del ADSDE-SAP para datos y a través del
APSME-SAP para los mensajes de control.
Las interfaces públicas proporcionan la gestión de las direcciones de
dispositivos, el descubrimiento, el enlace (binding) y las funciones de
seguridad incluidos en la capa del framework de aplicación de la pila de
protocolo de ZigBee.
9.8.1 Gestión de Descubrimiento
El descubrimiento se gestiona dependiendo de los objetos de
aplicación. Cuando se solicita, la dirección IEEE de la petición del
dispositivo tiene que ser devuelta (si el dispositivo es un dispositivo
final) o bien con las direcciones de los dispositivos de todas las
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asociaciones (si el dispositivo es un dispositivo coordinador o
router). Todo esto se produce por un dispositivo que se encarga
del descubrimiento de los dispositivos ZigBee.
También sirve para proporcionar otros servicios que se pueden
ofrecer a los dispositivos finales (end devices) definidos en el
dispositivo por los objetos de aplicación que contiene.
Un dispositivo puede descubrir terminales activos, además puede
descubrir servicios específicos que coincidan con un criterio dado
(como pueden ser los identificadores de perfiles y de clusters).
9.8.2 Gestión de Enlace
La gestión del enlace la proporcionan los objetos de aplicación, de
manera que estos objetos en cada uno de los dispositivos ZigBee
puedan conectar todas las capas de la pila de protocolo a través
de varias conexiones, que puedan proporcionar varios nodos en la
red ZigBee.
Las tablas de enlace se construyen y se publican en las peticiones
de enlace y sus respuestas resultantes. Los dispositivos finales y
las instrucciones tanto de enlace como de desenlace (abandono
de la red) entre los dispositivos se soporta a través de los perfiles
ZigBee mencionados anteriormente.
9.8.3 Gestión de Seguridad
La gestión de seguridad la proporcionan también los objetos de
aplicación para habilitar o deshabilitar la parte de seguridad en el
sistema.
Si está habilitada, la gestión de claves se lleva a cabo haciendo el
uso de lo que se conoce como claves maestras (master keys),
claves de red (network keys) que permiten establecer una clave de
enlace (link key).
9.9 Dispositivos Zigbee
9.9.1 Coordinador
9.9.1.1 Inicialización
Normalmente se crea una única copia de los parámetros de
configuración de la red para los objetos pertenecientes a los
ZDO. Además, se pueden definir parámetros para describir el
Node Descriptor, Power Descriptor, Simple Descriptor, e
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incluso los terminales activos.
La aplicación del dispositivo realiza una petición en la lista de
canales para realizar una búsqueda o escaneo de los canales
indicados. La confirmación resultante obtiene una lista
detallada de los PANs activos. La aplicación del dispositivo
compara la lista de canales con la lista de red y selecciona uno
de los canales que se encuentre libre. Una vez se identifica el
canal, la aplicación del dispositivo selecciona los atributos de
seguridad de la capa y trama correspondientes a los
parámetros de configuración.
Después la aplicación chequea si se ha podido establecer el
PAN en el canal.
9.9.1.2 Operación Normal
En este estado, el coordinador ZigBee debe permitir que otros
dispositivos se unan a la red basándose en sus parámetros de
configuración; como pudieran ser la duración de la
incorporación del dispositivo a la red o el número máximo de
elementos que se pueden unir.
El coordinador ZigBee debe responder a cualquier dispositivo u
operaciones del servicio de descubrimiento de su propio
dispositivo o de cualquier dispositivo que tenga asociado y que
esté dormido. La aplicación del dispositivo debe asegurarse de
que el número de entradas de enlace no excede de los
indicados en los parámetros de configuración. Por tanto, el
coordinador ZigBee tiene que soportar el control del proceso de
incorporación a la red de cualquier dispositivo.
El coordinador tiene que mantener una lista de los dispositivos
asociados y facilitar el soporte para elementos huérfanos,
permitiendo que se vuelvan a unir a la red, permitiendo que los
dispositivos se incorporen directamente en la red.
Por otro lado, el coordinador ZigBee debe soportar primitivas
que permitan eliminar o desasociar los dispositivos que estén
bajo su control. El coordinador procesa las peticiones de
solicitud del router o de los dispositivos finales. Una vez
recibida la solicitud de desconexión el coordinador espera un
tiempo para recibir una segunda petición de desconexión. Si le
llega en un tiempo determinado, el coordinador ZigBee pasará
a examinar el identificador del perfil (Profile ID) para ver si
coincide. Si coincide, lo incluye en una lista llamada
AppOutClusterList para que deje de pertenecer a la red. Si no
coincide se enviará un error al dispositivo que solicita la
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desconexión, es decir, el dispositivo seguirá perteneciendo a la
red.
9.9.1.3 Operación del Centro de Validación
El coordinador ZigBee tiene la función de ser el Centro de
Validación (Trust Center) cuando la seguridad está habilitada
en la red. Al centro de validación se le notifica si existen
nuevos dispositivos en la red por medio del APSME. El centro
de validación puede permitir que el dispositivo permanezca en
la red o bien se le fuerce a salir de ella.
Si el centro de validación decide permitir que el dispositivo
permanezca en la red, debe establecer una clave maestra con
el dispositivo a no ser que ya exista una clave maestra previa
entre ellos. Una vez intercambiada dicha clave, el centro de
validación y el dispositivo ahora negociarán una clave para
establecer la conexión.
El centro de validación entonces proporciona al dispositivo la
clave de red (NWK) para que el dispositivo pueda establecer
peticiones al coordinador.
9.9.2 Router
9.9.2.1 Inicialización
Por regla general se crea una única copia de los parámetros de
configuración de la red para los objetos pertenecientes a ZDO.
Si se puede, se crean los elementos de configuración para el
Complex Descriptor, el User Descriptor, el número máximo de
entradas de enlace y la clave maestra.
La aplicación del dispositivo utiliza el ChannelList y sus
parámetros de configuración para buscar o escanear los
canales que se le indiquen. El resultado permite obtener la lista
de red con los PAN activos en la red. Entonces se realizan
varias peticiones de descubrimiento para obtener cuales son
realmente los elementos que existen en la red y asociar los
enlace en la capa de red. La aplicación del dispositivo compara
el ChannelList con la NetworkList para seleccionar los PAN
existentes que se deben unir. Una vez que el PAN al que
unirse se ha identificado, la aplicación del dispositivo debe
realizar una petición para asociar el PAN en el canal. Después
debe chequear el estado de verificación de la asociación en el
coordinador u otros routers seleccionados en ese PAN.
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Si la red tiene la seguridad activada, el dispositivo tiene que
esperar a que el centro de validación le proporcione la clave
maestra y establecer con éste la clave de enlace. Una vez
establecido espera a que el centro de validación de pase la
clave de red. Ahora ya que está autenticado puede funcionar
como un router de la red.
9.9.2.2 Operación Normal
En este estado, el router debe permitir que otros dispositivos se
unan a la red basándose en los parámetros de configuración
que tiene, como el número de elementos máximos o el tiempo
en el que puede estar un elemento en la red. Cuando un
dispositivo nuevo se une a la red, la aplicación del dispositivo
debe ser informada. Cuando se haya admitido en el PAN, el
router debe indicarle la confirmación de la conexión. Si la
seguridad está habilitada, el dispositivo debe informar al centro
de validación.
El router ZigBee debe responder a cualquier dispositivo
descubierto o a operaciones del servicio de descubrimiento,
tanto de su propio dispositivo como de cualquier otro asociado
que pudiera estar dormido.
Si la seguridad está activada, el router debe utilizar la clave
maestra para establecer los procedimientos para la gestión de
la clave de enlace (Link Keys). El router debe soportar el
establecimiento de una clave maestra con el dispositivo remoto
y establecer entonces la clave de enlace. El router tiene que
poder almacenar y eliminar las claves de enlace para destinos
conocidos que requieran que la comunicación sea segura con
lo que debe poder recibir las claves del centro de validación.
El router debe permitir también la eliminación de la red de
dispositivos asociados bajo su control de aplicación.
El router mantiene una lista con los dispositivos asociados y
tiene que facilitar el soporte para que los procesos de de
búsqueda e incorporación de elementos huérfanos de los
dispositivos que previamente han estado asociados, puedan
volver a unirse a la red.
9.9.3 Dispositivo Final
9.9.3.1 Inicialización
La aplicación del dispositivo debe obtener de la lista de canales
la configuración para escanear los canales especificados. El
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resultado debe contener una lista de red (Network List)
detallando los PAN activos en la red. Al igual que el router, se
realizan varias peticiones de descubrimiento para saber
cuantos elementos son los que hay en la red.
La aplicación del dispositivo debe comparar la lista de canales
con la lista de red para deducir a qué red debe unirse. En el
algoritmo debe indicarse entre otras cosas: el modo de
operación de la red, identificación del router o coordinador de la
red, capacidad del router o coordinador, coste de enrutamiento,
etc. Una vez hecho, debe chequear la asociación con el router
o el coordinador ZigBee en el PAN.
Si la red tiene la seguridad habilitada, el dispositivo tiene que
esperar a que el centro de validación negocie primero la clave
maestra, seguido de la clave de enlace y finalmente la clave de
red (NWK), tras lo que se considerará que estará autenticado y
listo para unirse a la red.
9.9.3.2 Operación Normal
El dispositivo final ZigBee debe responder a cualquier
dispositivo descubierto o a las peticiones de operación del
servicio de descubrimiento de su propio dispositivo.
Si la seguridad está habilitada, igual que en el apartado
anterior, debe negociar primero la clave maestra y
seguidamente la clave de enlace, con lo que tiene que poder
almacenar también las claves de enlace de los destinos que
requieran una comunicación segura. Debe poder gestionar
estas claves, tanto para almacenar como para eliminar. Por
tanto tiene que poder mantener una comunicación con el
centro de validación para actualizar las claves de red (NWK
key).
9.10 Dispositivos y Servicio de Descubrimiento
El dispositivo y las funciones del servicio de descubrimiento soportan:
●
El dispositivo de descubrimiento.
●
El servicio de descubrimiento
9.11 Dispositivos de Gestión
9.11.1 Gestor de Seguridad
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El gestor de seguridad determina que seguridad está habilitada o
deshabilitada. Si está habilitada debe permitir:
●
●
●
Establecer una clave.
Transportar la clave.
Autenticación.
9.11.2 Gestor de Enlace
La función de gestión del enlace soporta:
●
●
El enlace de los dispositivos finales.
El enlace y desenlace.
9.11.3 Gestor de Red
La función del gestor de la red debe soportar:
●
●
●
●
●
●
El descubrimiento de la red.
La formación de la red. Permitir y denegar asociaciones.
Asociaciones y desasociaciones.
Descubrimiento de rutas.
Reseteo de la red.
Habilitación e Inhabilitación del estado del receptor de radio.
9.11.4 Gestor de Nodos
El gestor de nodos soporta la petición y respuesta de la funciones
de gestión. Estas funciones de gestión solo proporcionan
visibilidad a dispositivo externos en cuanto al estado del dispositivo
receptor de la petición.
10 Capa de Red
Las primitivas de confirmación de la capa de red, suelen incluir parámetros
encargados de informar acerca del estado de las solicitudes que genera la capa
inmediatamente superior, la capa de aplicación. Estos parámetros son los que
aparecen en la siguiente tabla.
Nombre
Valor
Descripción
SUCESS
0x00
La solicitud ha finalizado correctamente.
INVALID_PARAMETER
0xC1
Parámetro inválido.
INVALID_REQUEST
0xC2
La solicitud se deniega en función del
estado actual de la capa de red.
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NOT_PERMITED
0xC3
Solicitud no permitida.
STARTUP_FAILURE
0xC4
Fallo en la inicialización de la red.
ALREADY_PRESENT
0xC5
Indica que un dispositivo que ya existe en
la red, dispone de la dirección que se
pretende obtener.
SYNC_FAILURE
0xC6
Fallo de sincronización (problema con la
MAC).
TABLE_FULL
0xC7
Indica que no dispone de más espacio
para
almacenar
direcciones
de
dispositivos
en
la
tabla
de
encaminamiento.
UNKNOWN_DEVICE
0xC8
Error porque el dispositivo indicado no
aparece en la tabla de encaminamiento
del dispositivo.
UNSUPPORTED_ATTRIBUTE 0xC9
Identificador de atributo no soportado o
reconocido.
NO_NETWORKS
0xCA
Fallo provocado por la inexistencia de
redes disponibles.
LEAVE_UNCONFIRMED
0xCB
Fallo en el descubrimiento del propio
dispositivo al resto de la red.
MAX_FRM_CNTR
0xCC
Proceso de Seguridad. Trama fuera de
rango.
NO_KEY
0xCD
Proceso de Seguridad. La solicitud carece
de llave de paso.
BAD_CCM_OUTPUT
0xCE
Proceso de Seguridad. El sistema de
seguridad ha producido errores en su
salida.
Tabla 10.1 Primitivas de Confirmación
10.1 Descripción General
La capa de red es necesaria para ofrecer servicios a la capa
inmediatamente superior, la capa de Aplicación, que permitan realizar
operaciones sobre la capa inmediatamente inferior a la misma, la sub-capa
de MAC, definida en el IEEE 802.15.4-2003. Es decir, la capa de red hace
de interfaz entre la capa de Aplicación y la de MAC. Para esto, la capa de
red dispone en esta interfaz de dos servicios, con los que cubre las
necesidades de la capa de Aplicación. Estos dos servicios se conocen como
Servicio de Datos y Servicio de Control.
La comunicación entre la capa de Aplicación y la sub-capa MAC, se lleva a
cabo en el SAP de la capa de Red, utilizando las interfaces descritas
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anteriormente. Esto se traduce de forma que, entre la capa de Aplicación y
la de Red existen dos SAP ,uno por cada servicio que la capa de Red oferta
a la de Aplicación. De la misma forma que aparecen otros dos SAP más
entre la capa de Red y la sub-capa de MAC.
Figura 10.1. Capa de Red
10.1.1 Servicio de Datos
Este servicio de interfaz, es también conocido con NLDE (Network
Layer Data Entity). Provee de un servicio de datos, que permite a
cualquier aplicación comunicarse con las mismas unidades de
datos, con dos o más dispositivos. Obviamente todos los
dispositivos que intervengan en esta comunicación deberán estar
en la misma red de interconexión.
Esta interfaz dispone de los siguientes servicios:
●
●
Generación de la PDU de la capa de Red (NPDU).
Especificación de la topología de encaminamiento.
10.1.2 Servicio de Control
El también conocido como NLME (Network Layer Management
Entity), es un servicio ofertado desde la capa de Red a la superior,
que permite a la capa de Aplicación interactuar o comunicarse con
la pila directamente.
Esta interfaz dispone de los siguientes servicios:
●
Configuración de un nuevo dispositivo. Esto permitirá la
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●
●
●
●
●
●
inicialización de un dispositivo Coordinador, así como el
descubrimiento de nuevos dispositivos dentro de la red de
interconexión.
Inicialización de una nueva red.
Integración y salida de una red.
Direccionamiento.
Descubrimiento de vecinos.
Descubrimiento de ruta.
Recepción de control.
10.2 Especificación del servicio
Además de la posibilidad de comunicación entre la capa de Aplicación y la
de Red, la capa de Red de ZigBee dispone de un canal de comunicación
directa entre los servicios de la misma capa. Es decir, dispone de una
interfaz para comunicar los servicios intermedios de Datos y de Control.
Mediante esta nueva interfaz, el servicio de Control podrá utilizar los
servicios de su capa contigua, la de Datos.
Dentro de cada uno de los servicios de la capa de Red, en las interfaces de
comunicación, se definen las primitivas de comunicación entre las capas de
Aplicación y de MAC. De la misma forma que sucede en la comunicación
entre los servicios de la propia capa. Estas primitivas son las siguientes:
●
Formación de Red. Las primitivas que aquí se engloban, definen
como la capa superior de un dispositivo ZigBee puede inicializarse
a si mismo como dispositivo coordinador de una nueva red.
●
Admisión de Dispositivos. Grupo de primitivas que permiten tanto
a un dispositivo coordinador como a un router la posibilidad de
incorporar dispositivos a su red, mediante descubrimiento de los
mismos.
●
Conversión a Router. Estas primitivas son las que utiliza un
dispositivo ZigBee tipo router, tras haber sido admitido en una
nueva red, para ejercer como router en la misma, reconfigurando su
trama para esto.
●
Incorporación a una Red. Se trata de una serie de primitivas
utilizadas para la incorporación de dispositivos a una red ZigBee.
Dentro se clasifican en tres grupos.
■
■
■
Incorporación a una red por asociación. Cuando un
dispositivo pretende entrar a formar parte de la red del vecino
más cercano que ha encontrado.
Incorporación a una red directamente.
Reincorporación a una red. Esto sucede en el caso de que un
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dispositivo se despierte y no sea capaz de encontrar su red.
●
Incorporación directa de Dispositivos. Se trata de una serie de
primitivas que permiten tanto a los routers como coordinadores de
una red ZigBee la incorporación directa de un dispositivo a su red,
sin necesidad de que este dispositivo lo solicite.
●
Abandonar una Red. Grupo de primitivas utilizadas por los
dispositivos para abandonar la red a la que pertenecen. También
pueden ser utilizadas por otros dispositivos vecinos para informar al
coordinador o router de que algún dispositivo pretende abandonar
la red. Así mismo estas primitivas las utilizan los coordinadores para
notificar al dispositivo en cuestión, que ha abandonado
correctamente la red.
●
Reseteo de Dispositivos. Primitivas utilizadas para que los
dispositivos puedan resetear su capa de red.
●
Sincronización. Juego de primitivas que los dispositivos utilizan
para sincronizar su comunicación con los dispositivos
coordinadores o routers.
●
Mantenimiento de la capa de Red. Este último grupo de primitivas
es utilizada por la capa superior de los dispositivos para leer y
escribir en la base de información de la capa de red.
10.3 Funcionalidades
Todos los dispositivos ZigBee disponen de dos funcionalidades:
●
●
Incorporación a una Red.
Abandonar una red.
Además de estas funcionalidades, los dispositivos Coordinadores y Routers
disponen de una serie de funcionalidades adicionales:
●
●
●
●
Permitir a otros dispositivos incorporarse a la red. De dos formas
distintas:
■ Por indicaciones de la sub-capa de MAC.
■ Por solicitud de incorporación desde la capa de Aplicación.
Permitir a los dispositivos miembros de la red abandonarla. De la
misma forma que sucedía en el caso anterior, dispone de dos
posibilidades:
■ Por indicaciones de la sub-capa de MAC.
■ Por solicitud de incorporación desde la capa de Aplicación.
Asignación de direcciones de red lógicas.
Mantenimiento de una tabla o lista de dispositivos cercanos o
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vecinos.
Por último, los dispositivos Coordinadores, disponen de una funcionalidad
particular. Esta es la que les permite crear o establecer nuevas redes de
datos entre dispositivos.
10.3.1 Creación de una nueva red
Este procedimiento sólo puede ser iniciado por dispositivos
Coordinadores, que no se encuentren ya dentro de una red
ZigBee. Es decir, un coordinador, sólo puede aparecer en una red.
Pero en el caso de que cualquier otro tipo de dispositivo o de que
un Coordinador asociado ya a una red, iniciase este procedimiento
sería denegado por la capa de Red.
Una vez iniciado el procedimiento, desde el interfaz de control de
Red, se comunica con la subcapa de MAC para comprobar si
existen posibles interferencias (otros coordinadores haciendo la
misma operación por ejemplo). Esta comprobación se hace
utilizando varios canales, hasta que se encuentra uno disponible,
el cuál es reservado para la nueva red.
En caso de que no se encuentre ningún canal disponible, se
notificará a la capa superior y se abandonará el proceso de
establecimiento de la red.
Una vez encontrado un canal disponible, este es ocupado y se le
asigna un nombre a la subred a partir del ID del PAN. El cuál
obviamente no puede ser el de broadcast. Este parámetro es
elegido aleatoriamente y siempre dejando 16bits disponibles,
reservados para futuras ampliaciones de la red. Al finalizar esta
secuencia, el nuevo ID es comunicado a la subcapa inferior (MAC).
Entonces, y sino aparecen conflictos con el ID del PAN, se escoge
y establece la nueva dirección de red. Hecho esto, se notifica que
el proceso ha finalizado correctamente y se inicializan los
parámetros del coordinador en base a los parámetros de
identificación obtenidos.
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Figura 10.2 Creación de una nueva red
A continuación se muestra todo este proceso, en un diagrama de
comunicación, en el que se puede apreciar además las primitivas
utilizadas en todo el proceso.
10.3.2 Incorporación de nuevos dispositivos a la red
Este procedimiento sólo puede ser iniciado por dispositivos ZigBee
que sean Coordinador o Router. En caso de que otro dispositivo
iniciase este proceso, sería cancelado por el Servicio de Control de
la capa de Red.
Entonces se habilita el parámetro PermitDuration y la sub-capa de
MAC se configura para permitir la asociación con nuevas
direcciones MAC.
Desde este momento, el dispositivo está esperando que nuevos
dispositivos acepten su oferta para formar parte de la red. Este
proceso no tiene una duración determinada, sólo finalizará en el
caso de que aparezca otra orden o primitiva que la anule.
A continuación se muestra todo este proceso, en un diagrama de
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comunicación, en el que se puede apreciar además las primitivas
utilizadas en todo el proceso.
Figura 10.3 Incorporación de Nuevos Dispositivos a la Red
10.3.3 Incorporación a una red
En este momento aparece la diferenciación entre padre e hijo.
Llamaremos padre al dispositivo que permite que otros dispositivos
se conecten a su red, es decir, se tratará de un dispositivo
Coordinador o en su defecto un Router. Mientras que el hijo pasará
a ser el nuevo dispositivo que pretende formar parte de la red.
La incorporación a una nueva red, puede hacerse de dos formas
distintas.
●
●
Por asociación.
Directamente.
También hay que tener en cuenta que un dispositivo puede
reincorporarse a una red. Bien por haber estado dormido durante
un largo periodo de tiempo o bien porque ha perdido su red y
busca una nueva.
10.3.3.1 Incorporación a una red por asociación
Para la incorporación de un dispositivo a una red por
asociación, aparecen dos procesos distintos, pero paralelos.
Estos son los procesos correspondientes al padre y al hijo.
10.3.3.1.1 Procedimiento del hijo
El procedimiento empieza cuando el dispositivo escanea
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desde la sub-capa de MAC los canales disponibles. Es
decir, en este caso el dispositivo estará buscando
canales en los que haya algún tipo de tráfico. Este
proceso de escaneo por canales tendrá una duración
determinada por canal, al contrario que sucedía en el
caso anterior.
Una vez escogido el canal, se procesan las tramas
encontradas en el mismo, en busca de alguna cuya
longitud sea distinta de cero. Entonces el dispositivo
comprueba si la comunicación efectivamente es entre
dispositivos de tecnología ZigBee. De ser así localiza el
identificador de la red.
A continuación, toda esta información es procesada por
el dispositivo, el número de redes que ha encontrado,
dispositivos cercanos, etc. Buscando, en cuál de todas
las redes localizadas se le permite la incorporación.
Pasando a trabajar con el identificador de dicha red.
En este momento, el dispositivo, también puede decidir
desechar las redes encontradas y volver a analizar los
canales de comunicación en busca de otras que cumplan
sus necesidades.
Si el dispositivo es un Router, deberá indicarlo en su
siguiente comunicación, en la que intentará finalmente
incorporarse a la red.
Acto seguido, el dispositivo hace una lista individual de
los dispositivos cercanos a él (vecinos). Para comprobar
la distancia a la que se encuentra del padre. Si este es
muy distante, podría acceder a través de la asociación
con otros dispositivos, sólo si el coste de esta asociación
no supera una distancia de tres dispositivos asociados.
En caso de que esta condición no se cumpla, el proceso
se anulará nuevamente.
En caso de encontrar un vecino, que cumpla las
condiciones, la capa de MAC se habilita de forma que
solicite una dirección de red. Este proceso puede fallar,
por diversas causas, como que el dispositivo elegido
desaparezca de la red. Si esto ocurriese el proceso sería
anulado y se volvería a empezar.
Si el proceso se completa satisfactoriamente, es decir, el
dispositivo es aceptado en la red. Le es asignada una
dirección de red de 16bits única en toda la red. Además
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se actualiza la tabla de dispositivos de su vecino, para
que sepa que ese dispositivo ya forma parte de la red y
que accederá a la misma a través de él.
Figura 10.4 Incorporación a una Red por Asociación
(Hijo)
10.3.3.1.2 Procedimiento del padre
Este procedimiento es iniciado por la llegada de una
solicitud de incorporación a la subcapa de MAC del
dispositivo. Los dispositivos que pueden aceptar estos
mensajes y permitir la incorporación a la red son sólo los
Coordinadores y Routers. En caso de que otro
dispositivo intente aceptar estos mensajes al capa de red
los eliminará.
A continuación, el dispositivo comprueba por qué un
dispositivo que ya es de su red, solicita su incorporación.
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Tras esto comprueba que lo que pretende el dispositivo
es informar del descubrimiento de un nuevo dispositivo
en la red cercano a si mismo. Entonces se asigna a este
nuevo dispositivo su dirección lógica y única de red.
Aunque también puede darse el caso de que el
dispositivo padre no disponga de espacio de memoria
física para recordar a este nuevo dispositivo. Caso en el
que la incorporación no podrá ser llevada a cabo y por lo
tanto el proceso será anulado.
Figura 10.5 Incorporación a una Red por Asociación
(Padre)
10.3.3.2 Incorporación a una red directamente
En este caso el proceso de incorporación a una red es mucho
más sencillo. Ya que la comunicación es directa entre padre e
hijo, sin utilizar intermediarios.
El hijo, una vez encontrada una red en la que un dispositivo
Controlador o Router se encuentra próximo. Se le envía la
petición de unión a la red. Si el dispositivo padre dispone de
memoria física suficiente para almacenar la nueva dirección de
este dispositivo. Genera una nueva dirección lógica de red, se
la envía al nuevo dispositivo hijo y la almacena en su tabla en
encaminamiento.
11 Especificación de los Servicios de Seguridad
11.1 Arquitectura de Seguridad
11.1.1 Claves de Seguridad
La seguridad en una red de dispositivos ZigBee se basa en claves
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de enlace y de red. En una comunicación por unicast entre pares
de entidades APL la seguridad se basa en claves de 128bits entre
los dos dispositivos. Por otro lado, la comunicación existente
cuando es por broadcast, también las claves para la seguridad se
establecen de 128bits entre todos los dispositivos de la red.
Un dispositivo adquiere la clave de enlace mediante el transporte
de clave, establecimiento de clave o dada en la preinstalación
desde el fabricante. Por otro lado,para el establecimiento de la
clave de red hay dos maneras: el transporte de clave y la
preinstalación. Como se ha mostrado en apartados anteriores el
establecimiento de clave se obteniendo previamente una clave de
enlace basándose en una clave maestra. Esta clave maestra
puede ser obtenida por el transporte de dicha clave o en fábrica.
La clave de red tiene que ser usada por las capas MAC, NWK y
APL de ZigBee. Las claves maestras y las de enlace solo pueden
ser usadas en la subcapa APS, de hecho, las claves maestras y de
enlace deben estar disponibles solo en la capa APL.
11.1.2 Arquitectura de Seguridad
Las aplicaciones ZigBee se comunican usando el estándar de
wireless IEEE 802.15.4 que especifica que hay dos capas, la capa
física (PHY) y la capa de control de acceso al medio (MAC).
ZigBee construye en estas capas una capa de red (NWK) y otra de
aplicación (APL). La capa de MAC proporciona servicios de que
permiten la fiabilidad y la comunicación directa entre dispositivos.
La capa de red (NWK) proporciona enrutado y funciones de multihop que se puedan necesitar para crear cada una de las
topologías que se necesiten como la de estrella, malla, árbol, etc.
La capa APL incluye la subcapa de soporte de aplicación (APS),
los ZDO y las aplicaciones. El ZDO es responsable de toda la
gestión de dispositivos mientras que la capa APS proporciona el
servicio necesario para los ZDO y las aplicaciones ZigBee.
11.2 Seguridad MAC
Cuando una trama en la capa MAC tiene que ser asegurada, ZigBee tiene
que usar la capa de seguridad que se indica en la especificación 802.15.4.
La capa MAC se encarga de su propio proceso de seguridad aunque sean
las capas superiores las encargadas de determinar el nivel de seguridad a
usar. La siguiente figura muestra un ejemplo de los campos de seguridad
que tienen que ser incluidos en las tramas en las que se indica que tiene
que existir seguridad a nivel de MAC.
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Figura 11.1 Seguridad en MAC
11.3 Seguridad NWK (Red)
Cuando una trama en la capa de red necesita ser asegurada, ZigBee debe
usar ciertos mecanismos de protección de los datos. Al igual que la capa
MAC, el mecanismo de protección de trama en la capa de red NWK usa de
la encriptación Advanced Encription Standard, es decir, AES. Sin embargo
son las capas superiores las que deben indicar el nivel de seguridad que se
tiene que aplicar.
Una responsabilidad de la capa de red (NWK) es enrutar los mensajes sobre
enlace multi-hop. La capa de red tiene que enviar como broadcast sus
peticiones de enrutado y recibir las respuestas. Se realiza de manera
simultánea el enrutamiento de los mensajes de peticiones que se envían a
los dispositivos cercanos y los que se reciben de ellos. Si la clave de enlace
apropiada se indica, la capa de red usa esta clave de enlace para asegurar
sus tramas de red. Si por el contrario no se indica, para poder asegurar los
mensajes de la capa de red usa su propia clave de red para asegurar las
tramas de red. Por tanto en el formato de la trama se indica de manera
explícita la clave que se ha usado para protegerla.
La siguiente figura muestra los campos que se deben incluir en una trama
de red.
Figura 11.2 Seguridad en NWK
11.4 Seguridad en APL
Cuando una trama en la capa APL necesita ser asegurada, la subcapa APS
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es la encargada de gestionar dicha seguridad. La capa APS permite que la
seguridad de trama se base en las claves de enlace y de red (Link y
Network Keys) como se ha visto en apartados anteriores. La siguiente figura
muestra los campos para proporcionar seguridad en una trama del nivel
APL.
Figura 11.3 Seguridad en APL
11.4.1 Establecimiento de Clave
Los servicios de establecimiento de clave en la subcapa APS
proporcionan el mecanismo por el cual un dispositivo ZigBee
puede obtener una clave secreta compartida (la clave de enlace)
con otro dispositivo ZigBee.
En establecimiento de clave existen dos elementos: el que inicia la
comunicación y el que responde, que normalmente es el que le
dará la validación. La información de validación, es decir, la clave
maestra da paso a que el elemento iniciador pueda establecer una
clave de enlace.
En el establecimiento del protocolo de clave simétrica SymmetricKey Key Establishment (SKKE), el dispositivo iniciador establece
una clave de enlace con el receptor usando la clave maestra. Esta
clave maestra, puede venir dada de fábrica o que se implemente
desde el centro de validación, que puede ser un tercer elemento o
bien puede venir dada como datos introducidos por usuario.
11.4.2 Transporte de Clave
El servicio de transporte de clave proporciona tanto la posibilidad
de transportar la clave de manera segura y no segura de un
dispositivo a otros.
La instrucción o comando de transportar clave segura significa
transportar las claves maestras, de enlace, de red desde el centro
de validación a los dispositivos. Este comando no protege con
criptografía la clave que tiene que ser cargada.
11.4.3 Actualización de Dispositivos
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El servicio de actualización de dispositivos proporciona una forma
segura para que un dispositivo, como un router, informe a otro
dispositivo, como el centro de validación, que existe un tercer
dispositivo que ha cambiado su estado y que por tanto hay que
actualizarlo, como pudiera ser la inclusión o eliminación de un
dispositivo en la red. De esta manera el centro de validación
mantiene una lista precisa de los dispositivos activos en la red.
11.4.4 Eliminación de Dispositivos
El servicio de eliminación de dispositivos proporciona una forma
segura por la cual un dispositivo como el centro de validación
puede informar a otros, como son los routers de que uno de sus
hijos tiene que ser eliminado de la red. De esta manera se puede
eliminar un dispositivo de la red que no ha cumplido los requisitos
de seguridad dados por el centro de validación que haya en la red.
11.4.5 Petición de Clave
El servicio de petición de clave proporciona una manera segura
para los dispositivos pedir la clave de red o bien la clave maestra a
otro dispositivo como es el centro de validación.
11.5 Rol Del Centro de Validación
Por temas de seguridad, ZigBee define el rol de Centro de Validación. Este
elemento es un dispositivo validado por los dispositivos de la red para
distribuir las claves para que gestione la configuración de aplicación de los
dispositivos. Todos los miembros de la red deben reconocer solo a un centro
de validación (Trust Center) y debe existir solo y solo un centro de validación
por cada red segura.
Las funciones dadas por el Centro de Validación pueden ser subdivididas en
tres roles: el gestor de la validación, el gestor de la red y el gestor de la
configuración.
Un dispositivo se encarga de validar el gestor de validación para identificar
los dispositivos que toman el rol en dicha red y el gestor de configuración.
El gestor de red se encarga de gestionar la clave de red, tanto para tenerla
como para distribuirla.
El gestor de configuración se encarga del enlace (binding) de dos
aplicaciones y facilitar la seguridad entre estos dos dispositivos que
gestiona, como por ejemplo distribuyendo las claves maestras o de enlace.
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Para simplificar el manejo de estros tres roles, se incluyen dentro de un
único dispositivo, el centro de validación.
12 Dispositivos Zigbee
Desde que en 2005 apareciese la primera especificación beta del protocolo
ZigBee. No han dejado de surgir distintos tipos de dispositivos capaces de utilizar
dicha tecnología.
En principio, para este tipo de dispositivos se consideró, que debido a su bajo
coste de fabricación, el precio no sería muy superior a los tres euros por
componente. Así como, que se fabricaron cuarenta mil dispositivos durante su
primer año de vida y se espera que sean cuatrocientos mil los que vean la luz
este mismo año. Lo segundo al parecer se cumplió sin mayores complicaciones.
El problema fue que el primer objetivo (por llamarlo de alguna forma) no se
cumplió del todo. Finalmente un dispositivo ZigBee tiene un coste alrededor de
los cuarenta euros, como mínimo.
De todas formas, se trata de una tecnología en la que muchas empresas han
puesto sus expectativas de futuro y por lo tanto, han aparecido multitud de
dispositivos. Fabricando componentes de bajo nivel, que llevan embebido
procesadores y sistemas capaces de trabajar con este protocolo, como
dispositivos comerciales, listos para utilizar el protocolo directamente desde
cualquier ordenador, PDA o teléfono móvil.
Como nota interesante, consideramos de gran relevancia un estudio acerca de
dispositivos ZigBee, llevado a cabo por la empresa de análisis West Technology
Research Solutions, en el que prevén que para el año 2008 habrían más de
trescientos millones de dispositivos que integren la tecnología ZigBee, sólo en el
campo de la Domótica.
12.1 Dispositivos de Bajo Nivel
Actualmente hay varias empresas que entre sus componentes electrónicos
ofrecen componentes Zigbee. De entre todas hemos escogido dos, las
cuáles tienen ya varios dispositivos comercializados. También hay empresas
que venden paquetes o conjuntos de desarrollo más especializados, pero
estos son suministrados con su propio sistema de desarrollo, lo que provoca
que no sean del todo compatibles con el resto de dispositivos ZibBee.
La primera empresa desarrolladora de dispositivos ZigBee que hemos
elegido, es una alianza entre dos, que son rfSolutions y FlexiPanel. Esta
alianza a dado a la luz diversos dispositivos ZigBee, tanto de bajo como de
alto nivel.
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El dispositivo más bajo de que dispone la compañía recibe el nombre de
EasyBee. Se trata de un transceptor RF que cumple la normativa IEEE
802.15.4. Preparado para trabajar dentro de una red ZigBee como un
dispositivo final.
Figura 12.1 Dispositivo EasyBee
Se trata de un dispositivo de reducidas dimensiones, tan sólo 26mmx20mm,
con un consumo de energía de 2.1V a 3.6V y con capacidad para estar
operativo en condiciones climáticas adversas, pues puede trabajar con
temperaturas entre -40ºC y 85ºC. Además puede comunicarse con otros
dispositivos ZigBee que se encuentren hasta a doscientos metros de
distancia, con una tasa de transferencia de datos de hasta 25kbps.
Las aplicaciones para la que se ha orientado este dispositivo son:
●
●
●
●
Reemplazar el cableado de cualquier red.
Automatismos en viviendas.
Redes y control industrial.
Sensores para redes inalámbricas.
A continuación, este conjunto de empresas ha desarrollado otro dispositivo
más potente, denominado Pixie. Este dispositivo no es uno sólo, sino que se
trata de una serie, hasta ahora compuesta por dos dispositivos. Orientados
para ejercer el rol de Coordinador y Router, dentro de una red ZigBee.
Dentro de la serie Pixie, han recibido el nombre de Pixie y Pixie Lite
respectivamente.
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Figura 12.2 Dispositivos Pixie y Pixie Life
Se trata de dispositivos con las mismas características técnicas que el
dispositivo final EasyBee, pero con mayor capacidad de procesamiento, lo
que les permite ejercer como dispositivos más potentes que estos, dentro de
una red ZigBee.
Además, como característica técnica muy interesante, todos estos
dispositivos disponen de la posibilidad de ser conectados a una antena
externa, lo que les otorgaría un alcance mucho mayor para formar una red
ZigBee.
Otro elemento interesante desarrollado por este compendio de empresas es
un cable de conexión USB. Dicho así puede no parecer interesante, pero al
contrario, puesto que se trata de un cable con el que se puede conectar un
ordenador a los dispositivos ZigBee desarrollados por estas empresas. Una
vez conectado, el cable se convierte en una conexión serie a través de USB,
desde donde podremos configurar y manejar nuestros dispositivos ZigBee e
incluso entrar en la red, en la que se encuentre el dispositivo al que nos
encontremos conectados. Este elemento ha sido bautizado con el nombre
de Pixie Configuration Tool.
Figura 12.3 Pixie Configuration Tool
Y por último, estas dos empresas han desarrollado su producto más
interesante orientado a desarrolladores, que ha sido denominado Pixie
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Evaluation Kit. Con este producto cualquier desarrollador interesado en esta
tecnología (protocolo) podrá probar físicamente sus diseños de dispositivos
ZigBee. Así como trabajar directamente sobre los dispositivos ofertados por
estas empresas, con los que es totalmente compatible. Esto permitirá el
control total de los dispositivos, así como su programación directa y análisis
de su funcionamiento.
Figura 12.4 Pixie Evaluation Kit
Otra empresa que tiene ya desarrollos de dispositivos de bajo nivel ZigBee
operativos es Telegesis. Esta empresa, al contrario que sucedía
anteriormente, dispone de dispositivos que implementan el protocolo
ZigBee, pero que pueden ejercer de dispositivos finales para una red
ZigBee, así como de Routers y Coordinadores, lo que se llama un todo en
uno. Así como un kit de desarrollo bajado en sus dispositivos.
En primer lugar aparece el denominado ETRX1. Se trata de un dispositivo
de bajo coste y preparado para ser integrado en una red ZigBee. Algo mayor
que los dispositivos anteriores 27.75x20.45mm, un consumo ligeramente
superior 2.7V a 3.6V y mismas características físicas para trabajar a
temperaturas de entre -40ºC y 85ºC. Pero aun siendo más grandes y
consumir más, hay que tener en cuenta que se trata de un dispositivo que
puede ejercer, tanto de dispositivo final, como de Coordinador.
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Figura 12.5 ETRX1
Las aplicaciones para las que ha sido orientado este dispositivo son:
●
●
●
●
●
●
Lectura automática de métricas (ARM Automatic Meter Reading).
Alarmas Wireless y Seguridad.
Automatismos de viviendas.
Sensores de presencia inalámbricos.
Control industrial.
Periféricos de PC.
A continuación de este dispositivo apareció el denominado ETRX2. Un
modelo algo menos económico, pero más atractivo todavía. Pues a las
características de los módulos anteriores, podemos añadirle el hecho de que
disponga de 128k de memoria flash y otros 5kbytes de SRAM. Lo que le
permite poder actuar como cualquier tipo de dispositivo dentro de una red
ZigBee. Añadiendo además la posibilidad de tres tipos de antenas
simultáneas conectadas al dispositivo, lo que haría que la conexión se
pudiese dar a distancias muy superiores que las indicadas en el estándar
del protocolo.
Las aplicaciones para las que ha sido orientado este dispositivo son todos
los del dispositivo anterior, más algunas otras más potentes:
●
●
Controles industriales M2M.
Sistemas ZigBee futuros.
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Figura 12.6 ETRX2
Para programar ambos dispositivos se dispone de un interfaz en línea de
comandos, que según define el fabricante es muy intuitivo y sencillo. Lo que
hace que no sea necesaria mucha experiencia en módulos RF para su
programación.
Para finalizar, esta empresa también dispone, tal y como se indicó
anteriormente, de un kit para desarrolladores que pretendan adentrarse en
este nuevo protocolo. Este kit se bautizó con el nombre de ETRX1DVK
Devkit, habiendo evolucionado a ETRX2DVK Devkit. Al igual que ocurría en
el caso anterior, está orientado para trabajar sobre dispositivos de este
fabricante, con la posibilidad de hacer modificaciones, ampliaciones y
nuevos desarrollos. La mayor diferencia con el kit anterior, radica en que la
interconexión para poder programar los dispositivos es a través de cable
serie directamente, sin tener que utilizar un USB que finalmente trabajaba
como serie.
Lo que sí contiene este kit, son algunos dispositivos del modelo ETRX1 o
ETRX2 para poder empezar a trabajar y testear desde el primer momento.
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Figura 12.7 ETRX2DVR DevKit
12.2 Dispositivos de Alto Nivel
Como dispositivos de alto nivel, comprenderemos los dispositivos ZigBee
desarrollados, que son totalmente independientes y que no están
compuestos sólo por los componentes electrónicos que soportan el
estándar, sino que además ya disponen de interfaz que nos permite trabajar
con ellos directamente sobre redes ZigBee.
Este apartado se encuentra aun algo verde, dado que no hay muchos
dispositivos finales para el consumidor disponibles que implementen este
protocolo. Aunque algunos hay y bastante interesantes.
En primer lugar veremos dos dispositivos de la empresa Telegesis, que por
ahora parece ser una de las que más está apostando por el protocolo de
cara al usuario final.
Esta empresa ha desarrollado un dispositivo ZigBee que es totalmente
operativo, dentro de un PenDrive o pastilla USB. Basado en la tecnología de
su dispositivo de bajo nivel ETRX1 y posteriormente ETRX2, recibe el
nombre de ETRX1USB y ETRX2USB respectivamente. Y se trata de un
dispositivo que trabaja en la banda de frecuencia de los 2.4GHz, con
alcance de hasta 100m de distancia para encontrar otros dispositivos
ZigBee, antena omnidireccional y capacidad de utilizar hasta 16 canales
para las búsquedas de dispositivos.
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Figura 12.8 ETRX1USB
Tras este dispositivo, la empresa fabricó otro dispositivo ZigBee más
interesante todavía que el que acabamos de ver. Se trata de un dispositivo
con el nombre de ETRX1CF, evolucionado con el sistema ETRX2 a
ETRX2CF y que como de su nombre se puede extraer, se trata de un
dispositivo en formato de tarjeta Compact Flash. Lo que le permite ser
utilizado desde un ordenador, utilizando el mismo sistema que las tarjetas
PCMCIA. De la misma forma que lo podríamos utilizar desde una agenda
electrónica o PDA. Por lo demás tiene las mismas características y
especificaciones que su hermano USB.
Figura 12.9 ETRX1CF en PDA
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Figura 12.10 ETRX2 en PC y PDA
Además de estas dos empresas desarrolladoras de dispositivos ZigBee, hay
muchísimas otras, dentro de las cuales nos gustaría también destacar a la
Coreana Pantech&Curitel. Quien ha desarrollado ya el primer teléfono móvil
que integra la tecnología ZigBee en sus entrañas. Este modelo no es más
que un prototipo por el momento y se desconoce su fecha de
comercialización, pero por el momento ha demostrado que puede ser
integrado en cualquier tipo de dispositivo.
13 Sistema Operativo
Una vez ensamblados los dispositivos que integran ZigBee, el fabricante añade
el sistema operativo embebido que utilizarán para operar y que permitirán la
comunicación de desarrolladores con estos, para su programación o adaptación
al entorno de operación. Existen actualmente dos posibilidades de sistema
operativo; uno basado en Hyperterminal y otro conocido como TinyOS.
El sistema operativo de Hyperterminal es un entorno sencillo que permite la
comunicación con los dispositivos a través de comandos AT. Utiliza el mismo
sistema de comunicación que los antiguos módems, mediante un puerto serie
RS232. Los comandos AT que utiliza son los estándares para realizar las
operaciones más básicas (AT para comprobar si el dispositivo está operativo,
ATZ para resetearlo, etc.), además se han implementado una serie de comandos
AT especiales preparados para este tipo de dispositivos que nos permiten crear
una red, expulsar dispositivos, buscar una red, enviar información de un
dispositivo a otro o a todos los dispositivos, etc.
También y dependiendo del fabricante, se han incluido comandos AT
propietarios, como es el caso de los dispositivos desarrollados por Telegesis, que
además proporciona un entorno de acceso propio, que contiene las opciones
más comunes en botones que permiten que la comunicación y las operaciones
se realicen en pocos clics de ratón.
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La segunda opción ha sido bautizada como TinyOS, es un sistema operativo
basado en Unix y de código libre bajo licencia open source, orientado a
componentes para redes de sensores inalámbricas. Desarrollado por un
consorcio o asociación encabezado por la Universidad de California, en
cooperación con Itel Research. Suele ser utilizado en los dispositivos ZigBee
OEM. De la misma forma que sucedía en el caso de Hyperteminal, para
comunicarnos con los dispositivos ZigBee será necesario hacerlo a través de un
puerto serie.
En cuanto al desarrollo de aplicaciones, puede trabajarse con distintos leguajes
de programación, aunque las aplicaciones suelen ser implementadas
principalmente en una variante de C conocido como nesC (release 1.2.8
actualmente), orientado y optimizado para las limitaciones de memoria y
comunicación de este tipo de redes; otros dos lenguajes también muy extendidos
en este tipo de dispositivos son Java (Eclipse dispone de una librería de
programación) y el código interpretado Bash. Desde TinyOS se proporciona
interfaces, módulos y configuraciones específicas e interfaces estándar para
entradas y salidas de hardware. Actualmente la versión estable del sistema es la
TinyOS 2.0 y dispone de entorno de programación para Linux, Windows NT,
Windows 2000 y Windows XP y la versión inestable que se encuentra en
desarrollo actualmente es la 2.04 conocida como Boomerang.
14 Comparativa Bluetooth vs Zigbee
Bluetooth y ZigBee tienen mucho en común. Los dos son dos tipos de redes de
área personal wireless o WPANs. Los dos funcionan en la banda sin licencia de
2.4Ghz y los dos consumen poca energía.
14.1 Sensores de control Zigbee
El protocolo ZigBee define un tipo de sensor para aplicaciones comerciales
y de hogar como control de calefacción, aire acondicionado o control de
alumbrado. Para ello se combina con IEEE 802.15.4 que define que la capa
física y MAC, con las de red, seguridad y de software de aplicación se
especifican por ZigBee Alliance, un consorcio de empresas tecnológicas.
14.2 Eliminación de Cables con Bluetooth
Bluetooth, tal y como se conoce, elimina el cableado entre los productos
electrónicos y los accesorios, como por ejemplo entre los ordenadores e
impresoras o entre los teléfonos y los auriculares. Bluetooth está más
orientado hacia la movilidad del usuario y eliminar el cableado a corta
distancia. La meta de ZigBee es más para la automatización a gran escala y
el control remoto.
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Existen algunas diferencias técnicas entre los dos protocolos:
Tecnica de Modulacion
Tamaño de la pila de protocolo
Bateria
Velocidad Maxima
Area de Red
Tiempo de Incorporación
Bluetooth
Zigbee
FHHS
DSSS
250 KByte
28 KByte
Frecuentes Recargas
Hasta 2 años
1 MBits/s
250 KBits/s
Hasta 100 m
Mas de 70 m
3 segundos
Tabla 14.1 Bluetooth vs. Zigbee
30 milisegundos
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15 Costo del prototipo
A continuación detallaremos el costo de la balanza inalámbrica
15.1 Transmisor Inalámbrico
CANTIDAD
DESCRIPCION
PRECIO UNITARIO
PRECIO NETO
1
Antena Zigbee
48,9000
97,8000
35
Resistencias SMD
0,0450
1,6000
1
LCD 128 x 64 Winstar
79,7800
79,7800
1
Teclado Matricial
27,6800
27,6800
1
Gabinete de Mano
56,8000
56,8000
1
Microcontrolador JM60
56,0000
56,0000
25
Capacitores SMD
0,0650
1,62
1
DS1307
12,7400
12,7400
1
Max 232
3,0300
3,0300
2
Placas Doble Faz
14,8000
29,6000
2
Hojas Azules para PCB
11,0000
22
1
Varios (estaño, acido, luz, etc.)
50,0000
50,0000
TOTAL 438,6500
15.2 Receptor Inalámbrico
CANTIDAD
DESCRIPCION
PRECIO UNITARIO
PRECIO NETO
1
Antena Zigbee
48,9000
97,8000
35
Resistencias SMD
0,0450
1,6000
1
Gabinete de Mano
56,8000
56,8000
1
Microcontrolador JM60
56,0000
56,0000
25
Capacitores SMD
0,0650
1,62
1
Placa Pertinax
14,8000
14,8
1
Hojas Azules para PCB
11,0000
11
1
Varios (estaño, acido, luz, etc.)
50,0000
50,0000
TOTAL 289,6200
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16 Conclusiones
Como conclusión de todo el análisis realizado, se puede determinar que el
proyecto es completamente viable con un excelente marco de inserción dentro
del sector de la industria nacional.
Este proyecto no finaliza con esta presentación, si no que va a sufrir mejoras
constantes para insertarse en nuevos mercados y generar una mayor
rentabilidad.
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17 Agradecimientos
17.1 Mugiel S.A.; por aportar componentes SMD y herramientas de desarrollo
17.2 Departamento de Electrónica de UTN Facultad Regional San Francisco;
por facilitar el uso de placas de desarrollo.
17.3 Di Giulio, Pablo; por aportes de conocimientos adquiridos de software.
17.4 Ing. Felissia, Sergio; por aporte de celda de carga
17.5 Familiares y amigos
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18 Bibliografía y Referencias
18.1 Bibliografía
[1] MC9S08JM60 Data Sheet, Rev 2 (2008). Freescale Semiconductor.
18.2 Referencias en la WWW
[2] ZigBee Alliance Web Site – http://www.zigbee.org
[3] Freescale – http://www.freescale.com
[4] Microchip – http://www.microchip.com
[5] IEEE 802.15 Web Site – http://www.ieee802.org/15
[6] FlexiPanel Web Site – http://www.flexipanel.com
[7] Domodesk Web Site – http://www.domodesk.com
[8] Silicon Laboratories Web Site – http://www.silabs.com
[9] STMicroelectronics – http://www.st.com/stonline/
[10] Palo Wireless Web Site – http://www.palowireless.com
[11] TinyOS Web Site – http://www.tinyos.net
[12] Proyecto Open Zigbee – http://www.atmlab.utfsm.cl/~ddelvalle/
[13] Electrocomponentes SA - http://www.electrocomponentes.com/
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