Como funciona o Zigbee, Bluetooth, BLE e BT Mesh

Os protocolos sem fio Zigbee e Bluetooth são amplamente usados para a comunicação em aplicativos de Internet das Coisas (IoT), e há algumas diferenças importantes entre eles, que veremos neste artigo.

Cada protocolo tem seus pontos fortes, que orientam a solução a ser escolhida.

Em certas situações, um protocolo será mais adequado do que o outro, embora às vezes, a solução certa seja implementá-los juntos para aproveitar as vantagens dos dois.

Para entender melhor essas opções de protocolos IoT, vamos analisar as vantagens e as limitações do Zigbee, e em seguida, veremos as três diferentes versões do Bluetooth: Classic, BLE e BT Mesh.

Essa análise irá te ajudar a escolher o protocolo ideal para sua aplicação IoT – seja uma cidade inteligente, IoT industrial ou automação residencial.

Tecnologia Zigbee

O Zigbee é um padrão global, aberto, que funciona em rede Mesh. Totalmente sem fio, oferece baixo consumo de energia e banda estreita para melhor alcance.

O protocolo é mantido e desenvolvido pelo consórcio de empresas chamado Zigbee Alliance.

O Zigbee permite a transmissão de dados por distâncias maiores, graças à topologia Mesh, que passa as informações através dos “nós” intermediários, onde estes falam com os “nós” mais distantes do gateway, funcionando como repetidores de sinal.

Em outras palavras, as mensagens “saltam” por meio de nós intermediários, a caminho do seu destino.

A faixa de frequência de 2,4 GHz do Zigbee pode ser implementada globalmente, e está amplamente difundida. Existem aproximadamente 300 milhões de dispositivos Zigbee instalados.

Vantagens do Protocolo Zigbee

Redes de pequeno, médio e grande porte podem ser criadas com o Zigbee, se comparado ao alcance de qualquer rádio do tipo ponto-a-ponto, devido à topologia Mesh.

A malha Zigbee se configura e reconfigura automaticamente, mesmo se alguns “nós” forem desabilitados ou removidos (processo de auto-cura).

A documentação do Zigbee está amplamente disponível e cobre diversas aplicações.

As tabelas de rotas, resolução de endereços e segurança na comunicação, são incorporadas ao protocolo, economizando tempo de engenharia e reduzindo o prazo de lançamento dos produtos.

O Zigbee oferece suporte a várias topologias de rede, como redes ponto-a-ponto, ponto-a-multiponto, estrela e Mesh, e permite mais de 65.000 “nós” por rede.

Limitações do Protocolo Zigbee

Como a maioria das redes Mesh, os “nós” que repetem as mensagens devem estar ligados à energia. Os dispositivos que podem hibernar, para estender a vida da bateria, como sensores, fechaduras e outros, participam da rede mas não repetem o sinal.

O Zigbee não usa endereçamento IP, portanto é necessário um gateway, que faz a interface da rede Mesh com a rede IP e os servidores na nuvem.

Como a maioria dos telefones, tablets e computadores não incluem o chip Zigbee, os gateways são necessários para se comunicar com eles.

Embora a ideia seja que todos os produtos, de diferentes fabricantes conversem entre si, na prática, por existirem diferentes versões do Zigbee, e também classes de comandos proprietárias, o gateway precisa ter os dispositivos configurados na aplicação para que seja compatível.

Uso do Zigbee

A automação residencial foi o berço do Zigbee, mas o uso comercial e industrial são igualmente importantes, incluindo aplicações para eficiência energética, sistemas médicos, automação de fábricas e iluminação pública.

A iluminação urbana é um ótimo exemplo de uma tendência crescente em redes Mesh, para a qual o Zigbee é adequado, pois permite o gerenciamento de uma grande quantidade de dispositivos.

O agronegócio também aproveita da tecnologia Mesh. Um exemplo é a gestão dos dispositivos para irrigação.

Tecnologia Bluetooth

O Bluetooth é um protocolo de rede sem fio, projetado para comunicação em curtas distâncias. Ele foi criado para substituir a fiação entre computadores, smartphones, fones de ouvido, teclados e mouses.

Assim como o Wi-Fi e o Zigbee, ele opera na faixa de frequência de 2.4 GHz, que é livre de licença e amplamente difundida em todo o mundo.

O padrão Bluetooth é desenvolvido e administrado pelo Bluetooth Special Interest Group (SIG), que coordena a compatibilidade entre os fabricantes.

A marca Bluetooth possui protocolos diferentes. Embora haja interoperabilidade entre esses protocolos, é mais fácil estudá-los separadamente.

Cerca de 4 bilhões de dispositivos Bluetooth são fabricados a cada ano.

Bluetooth Classic

O Bluetooth Classic foi projetado para transmitir dados com banda larga de 2,1 Mbps, em distâncias curtas, onde a duração da bateria não é um problema.

Essa é uma excelente solução para dispositivos de áudio e vídeo que requerem largura de banda e estão ligados à rede elétrica o tempo todo, ou podem ser recarregados facilmente.

Os chips Bluetooth Classic estão em fones de ouvido, teclados, mouses, impressoras e milhares de periféricos que se conectam a um computador, central multimídia veicular ou smartphone.

O Bluetooth usa a arquitetura cliente-mestre. Um mestre pode se comunicar com até sete dispositivos clientes, criando uma pequena rede local.

Vantagens do Bluetooth Classic

A alta taxa de transferência do Bluetooth Classic é o seu ponto forte. É o protocolo ideal para streams de áudio e vídeo, além de ser fácil de emparelhar e começar a receber e transmitir dados.

O Classic é um protocolo maduro, a documentação está amplamente disponível e o chip está presente em praticamente todos os smartphones e computadores atuais.

Limitações do Bluetooth Classic

A sua largura de banda também significa que ele consome bastante energia. O protocolo foi projetado para dispositivos que são facilmente recarregados, tornando-o inadequado para muitas aplicações de IoT.

As redes são pequenas, uma vez que o protocolo foi projetado para substituição de cabos curtos, e não para redes que conectam centenas de dispositivos.

Bluetooth

Bluetooth Low Energy (BLE)

O Bluetooth Low Energy, como o nome diz, resolve o problema do Bluetooth Classic por permitir baixo consumo de energia.

Por outro lado, ele não oferece grande largura de banda, então é usado em situações que não requerem alto fluxo de dados, como na automação residencial.

Os dispositivos BLE estão em sensores, fechaduras inteligentes e milhares de outros dispositivos operados por bateria.

O BLE implementa uma arquitetura cliente-servidor que permite ao hardware usar apenas os recursos necessários, economizando bateria e largura de banda.

As redes BLE podem, teoricamente, conter um grande número de dispositivos, embora a largura de banda e o alcance, limite o tamanho de uma única rede.

Vantagens do BLE

A principal vantagem é não consumir muita energia. Os dispositivos podem funcionar com aquelas baterias do tipo moeda por longos períodos, tornando o protocolo Bluetooth LE a escolha ideal quando o assunto é eficiência energética.

O seu protocolo traz outras vantagens, como um hardware mais simples que permite um custo do chip mais baixo.

O modelo cliente-servidor torna as comunicações fáceis de implementar, reduzindo o tempo de engenharia e desenvolvimento.

O protocolo é amplamente aceito e implementado em bilhões de dispositivos em todo o mundo.

Limitações de BLE

O BLE é um protocolo ponto-a-ponto. Portanto, os “nós” não podem se comunicar além do seu alcance individual.

Isso limita o tamanho físico das redes ao alcance típico de 10 metros do BLE. Funciona bem em escritórios e pequenas residências, mas não é adequado para aplicações maiores.

O endereçamento IP não é implementado, portanto, é preciso um gateway para a comunicação com os servidores na nuvem.

Algumas aplicações com o protocolo BLE são projetadas para usarem os smartphones como gateway; mas isso só funciona quando o smartphone está ligado e conectado ao Wi-Fi.

O BLE tem largura de banda muito menor do que o Bluetooth Classic e não pode ser usado para streaming de áudio e vídeo.

BT Mesh

Bluetooth Mesh

O Bluetooth Mesh (BT Mesh) é um protocolo novo. Ele estende o BLE ponto-a-ponto, para criar redes Mesh onde os “nós” podem atuar como repetidores de sinal.

O BT Mesh é parecido com o Zigbee em função e arquitetura, mas com algumas diferenças.

Uma rede BT Mesh pode, teoricamente, suportar mais de 32 mil “nós”, porém, como outros protocolos, as limitações de largura de banda e espaços físicos, mantêm as redes bem menores do que isso.

Vantagens do Bluetooth Mesh

As redes formadas em malha não são limitadas pelo alcance individual dos “nós”. Em vez disso, cada “nó” pode encaminhar e rotear mensagens para outros destinos, formando redes maiores.

Como o Bluetooth Mesh é baseado em BLE, ele leva junto as vantagens do protocolo, como o baixo consumo de energia, segurança e documentação abrangente.

As redes BT Mesh são auto-formadas e auto-curáveis, semelhante ao Zigbee, e a performance é excepcional.

Limitações do Bluetooth Mesh

O Bluetooth Mesh ainda é um protocolo novo e está passando por melhorias e revisões. Ainda não é amplamente suportado, o que significa que os equipamentos OEM, gateways e dispositivos ainda não são totalmente compatíveis.

Isso provavelmente vai melhorar conforme o protocolo ganhe força; no entanto, é uma preocupação para os aplicativos que estão sendo desenvolvidos hoje.

Qualquer dispositivo que faça o roteamento deve ser alimentado pela rede elétrica, porque assim como os “nós” Zigbee, os “nós” que tem a função de repetidor de sinal não podem dormir.

Eles não usam endereçamento IP, portanto, as interações com a Internet e os servidores em nuvem devem ser passadas pelo gateway.

Uso do BT Mesh

O Bluetooth Mesh foi inicialmente projetado com o mercado de iluminação em mente. Como os “nós” do roteador precisam ser alimentados continuamente, a iluminação é uma excelente aplicação, uma vez que a maioria dos dispositivos estão ligados à rede elétrica em tempo integral.

Conclusão

Por enquanto, o protocolo Zigbee leva vantagem ao BT Mesh por ser mais popular e difundido em dispositivos e gateways de automação residencial, porém, o BT Mesh deve ganhar espaço rapidamente, pela facilidade de implementação, performance, baixo custo e excelente consumo de energia.

É previsto que milhares de dispositivos comecem a ser fabricados com suporte ao BT Mesh em 2021, e o protocolo ganhe força cada vez mais.

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