Zigbee vs. Bluetooth: Cómo elegir el protocolo adecuado para su aplicación IoT

Tanto los protocolos inalámbricos Zigbee® como Bluetooth® se utilizan ampliamente para las comunicaciones locales en las aplicaciones de la Internet de las cosas (IoT), y hay que tener en cuenta algunas ventajas y desventajas a la hora de elegir el más adecuado para su aplicación. Cada protocolo tiene puntos fuertes únicos que guían qué solución implementar cuando se diseña una nueva red.

En determinadas situaciones, un protocolo será más adecuado que el otro, aunque a veces la solución correcta es aplicar ambos juntos para aprovechar sus puntos fuertes combinados, como veremos en este artículo.

Para entender mejor estas opciones de protocolo IoT , veamos las ventajas y limitaciones de Zigbee, y a continuación lo mismo para tres "sabores" diferentes de Bluetooth: Clásico, BLE y BT Mesh. Esto ayudará a explicar las ventajas y desventajas y a mostrar algunos casos de uso para cada uno, de modo que pueda elegir el protocolo óptimo para su aplicación IoT , ya sea una ciudad inteligente, una industria IoT, una señalización digital u otro caso de uso de tecnología conectada.

 

Tecnología Zigbee en IoT Aplicaciones

Zigbee es un estándar global abierto para la creación de redes inalámbricas de malla de bajo consumo y banda ancha, desarrollado por un consorcio de empresas en la Zigbee Alliance. El protocolo Zigbee permite la transmisión de datos a largas distancias haciendo pasar la información a través de una red de malla de nodos intermedios para llegar a otros distantes. Los mensajes "saltan" a través de nodos de radio intermedios de camino a su destino. La gama de frecuencias de 2,4 GHz de Zigbee puede implantarse en todo el mundo, sin necesidad de licencia. Actualmente hay unos 300 millones de nodos Zigbee desplegados.

Ventajas del protocolo Zigbee

Con Zigbee se pueden crear importantes redes de malla mucho más grandes que el alcance de una sola radio. La malla Zigbee se configura automáticamente (autoformación) y se reconfigura dinámicamente para repararse si se desactivan o eliminan nodos (autocuración). Al ser un estándar interoperable, los dispositivos de muchos fabricantes diferentes pueden comunicarse sin problemas, lo que ha contribuido a la amplia aceptación de Zigbee tanto en la automatización del hogar como en la industria IoT. Los costes son modestos, con muchas opciones de equipos OEM en el mercado abierto.

La documentación está ampliamente disponible y cubre muchos casos de uso diferentes. Las tablas de enrutamiento, la resolución de direcciones, la seguridad, los reintentos y los acuses de recibo están integrados en el protocolo, lo que ahorra mucho tiempo de ingeniería. Zigbee admite múltiples topologías de red, como las redes punto a punto, punto a multipunto, en estrella y en malla, y permite más de 65.000 nodos por red y hasta 3,2 km de alcance ideal en exteriores.

Limitaciones del protocolo Zigbee

Como la mayoría de las redes de malla, los nodos Zigbee que enrutan o "saltan" mensajes deben estar encendidos en todo momento. Los dispositivos finales que pueden dormir para prolongar la vida de la batería pueden participar en la malla, pero no ampliarla.

Nota: Consulte DigiMesh®, la tecnología de red de malla propiedad de Digi, para aplicaciones que requieren que toda la red de malla esté en reposo. DigiMesh proporciona una alternativa a la red de malla Zigbee con algunas características que admiten los requisitos de las aplicaciones, como el reposo de toda la red. Digi ofrece soluciones tanto de Zigbee como de DigiMesh para dar soporte a toda la gama de necesidades de las aplicaciones de malla.

Zigbee no utiliza direcciones IP. Por lo tanto, hay que instalar pasarelas para comunicarse con Internet y los servicios en la nube. Dado que la mayoría de los teléfonos, tabletas y ordenadores no incluyen Zigbee, también se necesitan pasarelas para comunicarse con ellos. El aprovisionamiento debe realizarse deliberadamente para garantizar que los nodos se unan a la red correcta y se comuniquen con la pasarela adecuada. La latencia es mayor con la malla que con los protocolos punto a punto más sencillos, aunque esto debe considerarse en el contexto del alcance efectivo y la fiabilidad mucho mayores de la malla.

Casos de uso de Zigbee en ciudades inteligentes, agricultura y más

La automatización del hogar fue el lugar de nacimiento de Zigbee, pero los casos de uso comercial e industrial se han vuelto igualmente prominentes, como la energía inteligente, la iluminación, los sistemas de dispositivos médicos, la automatización de fábricas, el alumbrado público municipal y los sistemas de supervisión de comercios.

El alumbrado público inteligente de las ciudades es un excelente ejemplo de una tendencia creciente en las redes de malla para la que Zigbee es muy adecuado, ya que permite funciones clave como la gestión remota de una gran red de dispositivos. Véase la historia de un cliente de CIMCON en Digi.com para ver un ejemplo de este caso de uso.

Las aplicaciones agrícolas también están aprovechando la tecnología de redes de malla, por ejemplo para gestionar los dispositivos que conectan los sistemas de riego inteligentes

Tecnología Bluetooth en IoT Aplicaciones

Bluetooth es un protocolo de red inalámbrica de área personal diseñado para comunicarse en distancias cortas. Se creó originalmente para sustituir el cableado necesario para conectar dispositivos como ordenadores y teléfonos móviles a sus periféricos, como auriculares, teclados y ratones. Al igual que el Wi-Fi y el Zigbee, funciona en la gama de frecuencias de 2,4 GHz, que está libre de licencias en todo el mundo.

El estándar Bluetooth es desarrollado y administrado por el Grupo de Interés Especial (SIG) de Bluetooth, que coordina la interoperabilidad entre los fabricantes de dispositivos. La marca Bluetooth abarca varios protocolos bastante diferentes. Aunque existe cierta interoperabilidad entre estos protocolos, lo más fácil es considerarlos por separado, por lo que cubriremos Bluetooth Classic, Bluetooth Low Energy y Bluetooth Mesh en sus propias secciones. Cada año se comercializan unos 4.000 millones de dispositivos Bluetooth.

Bluetooth "Clásico"

Bluetooth Classic está diseñado para transmitir datos de alto rendimiento a una velocidad de hasta 2,1 Mbps en distancias cortas en las que la duración de la batería no es una preocupación importante. Es una solución excelente para dispositivos de audio y vídeo que requieren un gran ancho de banda y que pueden recargarse a diario. Los dispositivos clásicos son auriculares móviles, audífonos, teclados, ratones, impresoras y otros periféricos que suelen conectarse a un ordenador, un sistema de entretenimiento para vehículos o un teléfono móvil. Bluetooth utiliza una arquitectura maestro/cliente. Un maestro puede comunicarse con hasta siete dispositivos cliente en una pequeña red de área personal.

Ventajas de Bluetooth Classic

Si su proyecto necesita enviar o recibir muchos datos, el alto rendimiento de Bluetooth Classic le será muy útil. Hay muchos dispositivos que implementan Classic. Para las transmisiones de audio y vídeo es fácil emparejarlo con un teléfono, una tableta o un ordenador portátil para empezar a recibir información, y también se pueden admitir flujos en serie. Classic es un protocolo muy maduro y la documentación está ampliamente disponible en libros, en línea y, por supuesto, en la documentación oficial de los estándares.

Limitaciones de Bluetooth Classic

La implementación de Bluetooth Classic puede ser compleja, ya que se requiere el emparejamiento junto con una interfaz de usuario para gestionar ese proceso. Su gran ancho de banda también significa que consume mucha energía. El protocolo está diseñado para dispositivos que se recargan fácilmente a diario o quizás semanalmente, lo que lo hace inadecuado para muchas aplicaciones de IoT . El tamaño de las redes es bastante limitado, ya que el protocolo se diseñó para la sustitución de cables periféricos de corto alcance y no para redes de sensores escalables que alberguen cientos de dispositivos.

Casos de uso de Bluetooth Classic

La versión clásica de Bluetooth es muy popular en los auriculares de audio, el emparejamiento de teléfonos inteligentes con vehículos y el entretenimiento en el hogar. Su gran ancho de banda y su aceptación en la industria seguirán impulsando su uso en este tipo de aplicaciones durante algún tiempo. Para la mayoría de las aplicaciones de IoT , es probable que las dos siguientes versiones de Bluetooth sean más adecuadas.

Bluetooth de baja energía (BLE)

Bluetooth Low Energy admite conexiones de bajo ancho de banda en distancias cortas con una excelente gestión de la energía. Se utiliza en situaciones en las que una red de área personal no necesita manejar grandes flujos de datos y en las que las baterías deben durar meses o incluso años. Los dispositivos BLE incluyen balizas de localización, balanzas digitales, monitores de temperatura, controladores de iluminación, relojes inteligentes, ollas y miles de otros casos de uso con baterías de bajo ancho de banda.

BLE implementa una arquitectura cliente/servidor que permite que el hardware implemente sólo las funciones de comunicación necesarias, ahorrando dinero, batería y ancho de banda. En teoría, las redes BLE pueden contener un gran número de dispositivos, aunque el ancho de banda, el espacio físico y, sobre todo, el alcance, limitan el tamaño de una sola red de área personal BLE a nodos de pocos cientos.

Ventajas de BLE

Lo dice su nombre: Bluetooth Low Energy no consume mucha energía. Los dispositivos pueden funcionar con pilas de botón durante largos periodos de tiempo, lo que lo convierte en el protocolo Bluetooth preferido para los dispositivos con pocos datos que necesitan funcionar sin vigilancia durante meses. Su protocolo más sencillo tiene otras ventajas. Un hardware menos complejo significa que los chips y dispositivos BLE pueden tener un coste bastante bajo.

El modelo cliente-servidor hace que las comunicaciones sean más sencillas de implementar, reduciendo el tiempo de ingeniería y desarrollo. También significa que los dispositivos no tienen que estar emparejados para comunicarse, sino que pueden leer y enviar datos de forma asíncrona e instantánea siempre que sea necesario. El protocolo está ampliamente aceptado e implantado en miles de millones de dispositivos en todo el mundo, con mucha documentación, equipos OEM y personal de desarrollo capacitado.

Limitaciones de BLE

BLE es un protocolo punto a punto. Por tanto, las radios no pueden comunicarse más allá de su alcance individual. Esto limita el tamaño físico de las redes al típico alcance de 10 metros de BLE, que está bien para las oficinas domésticas, pero no es tan bueno para las aplicaciones de supervisión agrícola o el control del alumbrado público municipal. El direccionamiento IP no está implementado, por lo que hay que utilizar pasarelas para pasar la información a Internet y a las soluciones en la nube.

Muchas aplicaciones BLE están diseñadas para utilizar smartphones como pasarela; sin embargo, esto sólo funciona cuando hay un smartphone presente. En el caso de los wearables, como los smartwatches o las bandas de fitness, eso está bien, pero los sensores utilizados en aplicaciones comerciales e industriales suelen estar desatendidos, lo que hace que las pasarelas de los smartphones sean poco prácticas o imposibles de implementar. BLE tiene un ancho de banda mucho menor que Bluetooth Classic y no puede utilizarse eficazmente para la transmisión de medios.

Casos de uso de Bluetooth Low Energy

Las redes de área personal son uno de los principales casos de uso de BLE, incluidos los electrodomésticos, los monitores de fitness y las redes de vehículos. El beaconing en BLE está diseñado para soportar sistemas de posicionamiento en interiores que pueden determinar su ubicación en una tienda o dentro de una fábrica.

La automatización del hogar es un mercado clave, pero también cualquier pequeño sistema comercial puede aprovechar Bluetooth Low Energy para comunicarse dentro de un espacio de tamaño doméstico. Así, aunque BLE no sea ideal para la agricultura a gran escala, es perfectamente adecuado para supervisar pequeños invernaderos comerciales. También puede proporcionar comunicaciones locales para los instaladores que están configurando los dispositivos de IoT que normalmente hablan a través de un protocolo de mayor alcance, como la malla Zigbee o los datos móviles celulares.

Malla Bluetooth

Bluetooth Mesh (BT Mesh) es un protocolo muy nuevo. Amplía el simple BLE punto a punto utilizando estándares adicionales de enrutamiento y formación de redes para crear redes de malla en las que los nodos pueden actuar como relés para ampliar la red más allá del alcance de cualquier dispositivo. BT Mesh es muy similar a Zigbee en cuanto a funcionamiento y arquitectura, pero con varias diferencias muy importantes. En teoría, una red BT Mesh puede admitir más de 32.000 nodos, pero, al igual que otros protocolos, las limitaciones prácticas de ancho de banda y espacio físico suelen limitar las redes individuales a unos pocos cientos de dispositivos.

Ventajas de la malla Bluetooth

Las redes formadas como malla no están limitadas por el alcance de ningún nodo de radio individual. En cambio, cada nodo puede reenviar y enrutar mensajes a destinos mucho más allá de su alcance nominal, formando redes físicas muy grandes. Dado que Bluetooth Mesh se basa en BLE, incorpora muchas de las ventajas de este protocolo, como el bajo consumo de energía, la buena seguridad, el soporte de balizamiento y la documentación subyacente generalizada. Las redes BT Mesh se autoforman y se autorreparan, con soporte para dormir a los dispositivos finales en una relación padre/hijo de almacenamiento y reenvío similar a la de Zigbee.

Limitaciones de la malla Bluetooth

El protocolo Bluetooth Mesh es todavía nuevo y está siendo objeto de mejoras y revisiones. Todavía no está ampliamente soportado, lo que significa que los equipos OEM, las pasarelas y los dispositivos de mano no son todavía totalmente compatibles. Es probable que esto mejore a medida que el protocolo vaya ganando adeptos; sin embargo, es ciertamente una preocupación para las aplicaciones que se están diseñando hoy en día.

El protocolo "managed flood" simplifica el diseño de la red, pero supone una contrapartida en cuanto a eficiencia y uso de energía en comparación con un protocolo de malla totalmente enrutado como Zigbee. Cualquier dispositivo que enrute debe estar alimentado por la red eléctrica en lugar de funcionar con una batería, ya que, al igual que los nodos Zigbee, los routers BT Mesh no pueden dormir. No utilizan direccionamiento IP, por lo que las interacciones con Internet y los servidores en la nube deben pasar por pasarelas fijas o routers de frontera que traduzcan entre BLE y el protocolo habitual de Internet. Las redes de malla siempre tienen una mayor latencia, ya que los mensajes tienen que "saltar" a través de múltiples nodos en su camino hacia su destino, por lo que las aplicaciones deben ser capaces de tolerar tiempos de respuesta más lentos en compensación por la mayor escala de la red de malla.

Casos de uso de la malla Bluetooth

Bluetooth Mesh se diseñó inicialmente pensando en el mercado de la iluminación. Dado que los nodos de los routers necesitan recibir energía de forma continua, la iluminación es una aplicación excelente, ya que la mayoría de los dispositivos tienen un amplio acceso a la red eléctrica a tiempo completo. Además, Bluetooth Mesh ha implementado una capa de aplicación específica para la interoperabilidad entre fabricantes en el sector de la iluminación, de modo que los interruptores de un proveedor pueden controlar los dispositivos de iluminación creados por otros proveedores. BT Mesh puede soportar fácilmente las redes de sensores, aunque como los nodos de enrutamiento en la malla no pueden ser alimentados por batería, los sensores mismos se implementan mejor en situaciones en las que se dispone de una red alimentada por la red eléctrica, por ejemplo en un edificio con iluminación BT Mesh ya instalada.

Zigbee combinado BLE

Digi XBee 3 Los módulos Zigbee RF también admiten Bluetooth Low Energy como solución de hardware única. BLE puede utilizarse junto con Zigbee para facilitar la configuración de los módulos a través del smartphone mediante la aplicación móvilDigi XBee . Las aplicaciones de balizamiento pueden desarrollarse con el SDKDigi XBee (kit de desarrollo de software) de Mobile.

El SDK incluye un conjunto de bibliotecas, ejemplos de código y documentación diseñados para simplificar el proceso de creación de aplicaciones móviles para iOS y Android que interactúen con los módulos deDigi XBee 3. El SDK puede soportar aplicaciones de balizamiento y también será útil para comunicarse con sensores BLE locales en futuras aplicaciones que combinen dispositivos Bluetooth y Zigbee para formar redes multiproveedor amplias y totalmente interoperables.

Zigbee y Bluetooth son útiles en diferentes tipos de soluciones de IoT . Y lo que es más importante, pueden trabajar juntos para crear aplicaciones muy flexibles que combinen los puntos fuertes de cada uno de los protocolos, bien establecidos e interoperables. Entender los puntos fuertes y débiles de cada uno, incluidas las numerosas versiones de Bluetooth, debería ayudar a los desarrolladores a crear el sistema de comunicación más eficiente, uno que equilibre el uso de energía, el ancho de banda y los costes de los dispositivos para crear potentes redes inalámbricas IoT .

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