Estudio Comparativo entre Plataformas Bluetooth y ZigBee para Transmisión de Voz en Domótica Israel De La Parra González 1, Gerardo Leyva Hernández 1, Luis Enrique Arámbula Miranda 1 1 Dpto. de Sistemas Electrónicos, Centro de Ciencias Básicas, Universidad Autónoma de Aguascalientes, Av. Universidad 940, C.P. 20100, Aguascalientes, Ags. Resumen. En el presente trabajo se evaluó la latencia y la tasa de transferencia para módulos de comunicación inalámbrica. Se eligieron los dispositivos WT11 y XBee que podrían implementarse en el desarrollo de sistemas domóticos con interconexión Bluetooth o ZigBee. El objetivo de la evaluación es mostrar valores de latencia y tasas de transferencia reales que pueden esperarse de dichos dispositivos y también compararlos unos con otros. Se encontró que ambos tipos de dispositivos tienen un desempeño similar, pero destacando una menor latencia para los módulos XBee y una mayor tasa de transferencia para los módulos WT11. Además se observaron algunas características no esperadas como las limitaciones que tienen ambos tipos de dispositivos debidas a la interfaz serial que emplean y por otro lado la imposibilidad de observar la tasa de transferencia máxima para comunicaciones en dos vías utilizando los dispositivos XBee. Palabras Clave: Domótica, Casas Inteligentes, Comunicación Inalámbrica, Bluetooth, ZigBee, Transmisión de Voz, Latencia, Tasa de Transferencia. 1 Introducción 1.1 Domótica El término domótica significa comúnmente: conjunto de sistemas que automatizan las diferentes instalaciones de una vivienda [1]; englobando aquellos que aportan servicios de gestión energética, seguridad, bienestar o comunicación, y que pueden estar integrados por medio de redes interiores y exteriores de comunicación, alambradas o inalámbricas [2]. Recientemente se ha vinculado mucho el término de domótica con el concepto de red doméstica ( home networking ) en el que no solamente se habla de automatizar actividades en el hogar, sino también de compartir y distribuir información dentro de la propia vivienda o hacia el exterior de la misma. Un ejemplo muy claro de este tipo de arquitectura se muestra en la Fig. 1. Un aspecto crucial de la arquitectura de un sistema domótico es el medio de comunicación entre los dispositivos. Por razones de optimización e instalación del sistema, es claro que el medio de comunicación entre dispositivos debería ser
inalámbrico o bien utilizar cableado ya existente (suministro de energía eléctrica). De entre estas dos alternativas, la mayoría de los trabajos actuales se han inclinado hacia el uso de tecnologías inalámbricas. Fig. 1. Red de comunicaciones de una casa inteligente. (tomada de [3]) Una de las tecnologías inalámbricas más comunes en la actualidad que cumplen con el perfil deseado para la domótica es Bluetooth. Sin embargo han surgido algunas otras alternativas que proponen reemplazarlo en ciertos campos de aplicación. Este es el caso de la tecnología ZigBee que ha sido introducida con una serie de adecuaciones en gran parte encaminadas a las aplicaciones domóticas. 1.2 Bluetooth Bluetooth es una especificación abierta de comunicación inalámbrica de corto alcance, diseñada para transmisión de voz y datos, desarrollada por un grupo de compañías de la industria electrónica y publicada en su primera versión en 1999. Su objetivo específico es reemplazar cables en la interconexión de dispositivos electrónicos destacándose en este ámbito por su robustez, su bajo consumo de energía y su bajo costo [4] [5]. Algunos de los logotipos aceptados con los que se representa la marca Bluetooth se muestran en la Fig. 2. Fig. 2. Logotipos aceptados para representar la marca Bluetooth. (tomados de [6])
El núcleo de un sistema con tecnología inalámbrica Bluetooth se conforma de un transmisor y receptor de radiofrecuencia, los procedimientos en banda base y la implementación del protocolo. El sistema podrá ofrecer servicios que habilitarán la conexión de dispositivos y el intercambio de una variedad de tipos de información entre ellos. Además, la especificación Bluetooth incluye perfiles estandarizados que definen diferentes aplicaciones [7]. Algunas de las más importantes son: Transmisión de audio con calidad estéreo Control remoto para aparatos de audio y vídeo Envío de información a una impresora Llamadas telefónicas inalámbricas Acceso a redes e Internet Exploración de archivos y carpetas de un servidor Dispositivos manos libres Audífonos inalámbricos Interfaz de usuario inalámbrica Sincronización de información Transmisión de vídeo En la actualidad existen una gran variedad de plataformas y alternativas para desarrollar aplicaciones con tecnología Bluetooth. Sin embargo, cada una presenta ciertas características que pueden resultar deseables o no para determinado tipo de aplicaciones o para un grado específico de profundidad en el desarrollo. Para el presente trabajo se eligieron los módulos WT11 [8] y su paquete de evaluación [9]. El paquete de evaluación del WT11 fue pensado para evaluar y desarrollar los módulos WT11 o bien probar sistemas Bluetooth que utilicen dichos módulos. Los WT11 pertenecen a una nueva generación de dispositivos Bluetooth 2.0 + EDR de clase 1 que contienen un radio Bluetooth con antena y una implementación completa del protocolo. Son una excelente solución para integrar la tecnología inalámbrica Bluetooth en cualquier diseño de manera rápida y sin necesidad de un conocimiento profundo del protocolo o de las tecnologías de radiofrecuencia. 1.3 ZigBee La especificación ZigBee, desde su primera versión ratificada en 2004, se presenta como el único estándar global de comunicaciones inalámbricas en dos vías que permite el desarrollo de productos para monitorización y control, fáciles de instalar, de bajo costo y bajo consumo de energía [10] [11]. Es desarrollado por la Alianza ZigBee, una agrupación global de compañías creando soluciones inalámbricas para utilizar en aplicaciones industriales, comerciales, del hogar y de manejo de energía. El protocolo ZigBee utiliza como base el estándar IEEE 802.15.4: especificaciones de control de acceso al medio y capa física para redes inalámbricas de área personal y baja tasa de transferencia [12]. La Alianza ZigBee se enfocó en construir, por encima, la especificación de la capa de red, la especificación de la capa de aplicación y la especificación de servicios de seguridad.
Más allá del protocolo especificado, la Alianza ZigBee ha comenzado por dirigir sus intereses hacia campos muy específicos de desarrollo, delimitándolos con la publicación de perfiles estándar de aplicación [13] [14]. Actualmente hay dos perfiles publicados: Automatización de vivienda: dispositivos domóticos Energía Inteligente: aplicaciones para respuesta de demanda y manejo de carga Algunos logotipos asociados a la tecnología ZigBee se muestran en la Fig 3. Fig. 3. Logotipos asociados con la tecnología ZigBee. (tomados de [11]) Existen en el mercado una diversidad de alternativas para desarrollar aplicaciones para ZigBee. Para el presente trabajo se eligió el XBee 802.15.4 Starter Development Kit de Digi Maxstream [15], que es un conjunto de herramientas para el desarrollo de aplicaciones basadas en el estándar 802.15.4. La parte principal del paquete de desarrollo son los módulos XBee 802.15.4 que son dispositivos que se encargan de todo el funcionamiento necesario para cumplir la especificación 802.15.4 y son configurables. 1.4 Comparación entre Bluetooth y ZigBee para transmisión de voz en domótica Pensando en el desarrollo de aplicaciones de transmisión de voz en domótica, es necesario revisar detenidamente ambos protocolos para decidir cuál de ellos podría ofrecer las mejores ventajas. Muchas veces, con los datos técnicos no se aclaran completamente las diferencias significativas entre ambas tecnologías, es por eso que la mayoría de las comparaciones se centran en las aplicaciones ideales de una y de otra. Según lo que se menciona en su sitio web [16], la tecnología inalámbrica Bluetooth está orientada a aplicaciones de voz y datos diferenciándola de ZigBee al presentar a éste como un estándar para control remoto en aplicaciones industriales o en algunas otras en las que no se requieren altas tasas de transferencia sino bajo consumo de energía, bajo costo y facilidad de utilización (p. ej. en domótica). Entonces, para la transmisión de voz en domótica ambas tecnologías parecen tener posibilidades de competir, Bluetooth por estar pensado para transmisión de voz y ZigBee por haberse planeado para domótica. Una de las variables clave en este sentidos es la tasa de transferencia. En la especificación original de Bluetooth se definió que la máxima tasa podría ser de hasta 720 Kbps aunque en las nuevas versiones se habla de llegar hasta a tres veces este
valor. Por otro lado, la especificación de ZigBee habla de alcanzar tasas de transferencia de 250 Kbps. Si se considera que la transmisión de voz requiere al menos de 64 Kbps, ambas tecnologías tendrían la capacidad de implementarse con este fin. 2 Etapa experimental 2.1 Planteamiento del problema Ya se dijo que tanto Bluetooth como ZigBee parecen tener las características suficientes para implementar aplicaciones de transmisión de voz en domótica. Pero debe considerarse también que los dispositivos específicos que se podrían emplear no necesariamente poseerán las características ideales que se mencionan en las especificaciones técnicas de los estándares. Incluso, debe tomarse en cuenta que aunque los dispositivos específicos sí cumplieren con las características ideales, muchas veces el medio en el que se realizare la implementación podría introducir variables que modificaren el rendimiento de los sistemas. Por ejemplo, se ha encontrado [17] que algunos dispositivos con tecnología Bluetooth al ser evaluados en ciertas condiciones con aplicaciones específicas, han llegado a reducir su tasa de transferencia dramáticamente como consecuencia de interferencia generada por otros dispositivos con la misma tecnología o por aumentar la distancia entre los aparatos que estaban en comunicación. Con lo anterior en mente, para el presente trabajo se decidió evaluar dispositivos específicos WT11 para desarrollo con Bluetooth y XBee para desarrollo con ZigBee. Para esta evaluación se realizaron mediciones y comparaciones de ambos módulos para dos variables particulares interesantes en el desarrollo de aplicaciones de transmisión de voz en domótica. Dichas variables son: la latencia y la tasa de transferencia. Se decidió excluir del estudio todas las variables difíciles de controlar involucradas en el desempeño de los dispositivos. De esta manera, ambos módulos fueron probados en ambientes similares, a distancias similares y configurados de manera similar para compararlos sobre las mismas condiciones. Una de las variables comunes fue la configuración de la interfaz serial que poseen ambos módulos. Dicha interfaz puede establecerse a diferentes velocidades y con diferente formato de comunicación. En el caso particular de las mediciones realizadas se estableció una velocidad de la interfaz de 115,200 bps la cual es la máxima permitida por los módulos XBee con un formato de comunicación de 8 bits de datos, 1 bit de parada y sin realizar verificación de paridad. 2.2 Medición de la latencia Para la latencia, se realizaron las mediciones con el esquema mostrado en la Fig. 4. La latencia medida con este método se denomina latencia de viaje redondo ( round trip ), pues corresponde al tiempo que tarda un solo dato desde que se
transmite en el origen hacia el destino y hasta que el destino lo transmita de regreso y sea recibido por el origen. El elemento que cuenta el tiempo en el esquema es un DSP que además lleva el control de todo el experimento. Fig. 4. Diagrama de bloques funcionales para medición de latencia y tasa de transferencia en 2 vías. Una vez iniciado el conteo, el DSP envía un dato aleatorio al módulo origen mediante la interfaz serial. Inmediatamente al recibir el dato, el módulo origen lo transmite de forma inalámbrica al módulo destino. Cuando el módulo destino recibe el dato lo comunica hacia el exterior por su interfaz serial, pero al estar ésta realimentada, el dato regresa por el canal de entrada al mismo módulo destino convirtiéndolo ahora en el transmisor inalámbrico. Posteriormente el dato llega nuevamente al módulo origen y éste lo comunica al DSP mediante la interfaz serial. Cuando el DSP recibe el dato detiene el contador de tiempo y verifica que el dato recibido sea el mismo que se envió. Esta medición se llevó a cabo para cuatro casos diferentes: WT11 configurado con 24 bytes por paquete WT11 configurado con 320 bytes por paquete WT11 configurado con 1,000 bytes por paquete XBee configurado con el mínimo tiempo de espera para constituir un paquete Las configuraciones elegidas para estas mediciones tienen que ver con la formación de paquetes en la comunicación inalámbrica. Los módulos WT11 permiten establecer el tamaño fijo de los paquetes que se utilizarán, pudiendo ser cualquier valor desde 24 hasta 1,000 bytes con el valor por omisión de 320 bytes. Se tomó la decisión de explorar la latencia con respecto al tamaño de los paquetes debido a que la documentación de los módulos WT11 no es muy clara al respecto. Los módulos XBee no permiten establecer el tamaño preciso de cada paquete sino que dan la opción de modificar cuánto tiempo de espera tendrá el módulo desde que recibe un dato hasta que ese dato se utiliza para constituir un paquete, entendiendo que si en el transcurso de ese tiempo de espera llega un nuevo dato, el conteo del
tiempo volvería a comenzar, pero que si el módulo ya tiene 100 datos completos sin que se venza el tiempo, entonces el paquete se constituye inmediatamente con esa información. La latencia sólo fue medida con la configuración de tiempo mínimo por tratarse de un solo dato y así perder el menor tiempo posible esperando un segundo dato que nunca llegaría. 2.3 Medición de la tasa de transferencia en 1 vía Para medir la tasa de transferencia se plantearon dos escenarios: comunicación en 1 vía y comunicación en 2 vías. La primera es cuando la información entre dos dispositivos solamente viaja en un sentido. La segunda es cuando de forma simultánea hay información viajando en un sentido y también otra información viajando en el otro sentido. En el caso de la medición de la tasa de transferencia en una vía se implementó el esquema mostrado en la Fig. 5. Fig. 5. Diagrama de bloques funcionales para medir tasa de transferencia en 1 vía. La medición consiste en tomar el tiempo empleado en transmitir un gran número de datos de manera que al dividir la cantidad de información transmitida entre el tiempo que tomó hacerlo se obtenga la velocidad de la transmisión, llamada tasa de transferencia. En este caso se transmitieron 480,000 bytes de información desde el módulo origen hacia el módulo destino. El DSP1 inicia el contador de tiempo e inmediatamente comienza la transmisión de los datos hacia el módulo origen, deteniéndose solamente a petición de éste último para no sobrecargarlo de información. Los datos son transmitidos de forma inalámbrica entre ambos módulos solamente en el sentido del origen al destino. El módulo destino va entregando los datos recibidos al DSP2 para que éste verifique que están correctos según una secuencia previamente establecida. En el momento que el DSP2 confirma la llegada del último dato entonces envía un byte de respuesta de regreso al DSP1. Cuando el DSP1 recibe la señal de respuesta detiene el contador de tiempo y puede calcularse la tasa de transferencia. Esta medición se llevó a cabo para cinco casos diferentes:
WT11 configurado con 24 bytes por paquete WT11 configurado con 320 bytes por paquete WT11 configurado con 1,000 bytes por paquete XBee configurado con el tiempo mínimo de espera XBee configurado con el tiempo máximo de espera Igual que en la medición de latencia, se eligió explorar la tasa de transferencia de los módulos WT11 con respecto al tamaño de los paquetes debido a que la documentación de los módulos WT11 no es muy clara al respecto. Por su parte en los módulos XBee, al verse involucrados una mayor cantidad de datos que en la medición de latencia, también se pensó en explorar la tasa de transferencia en relación al tiempo de espera configurable eligiendo los valores extremos: el mínimo y el máximo. 2.4 Medición de la tasa de transferencia en 2 vías Finalmente, el tercer grupo de mediciones realizadas fue sobre la tasa de transferencia en dos vías. Para tal objetivo se utilizó el mismo esquema de conexión utilizado en la medición de latencia y mostrado en la Fig. 4. Aunque el esquema es el mismo, el procedimiento varió. Se consideraron 480,000 bytes como en el caso de tasa de transferencia en 1 vía pero acotando la medición solamente al tiempo en el que efectivamente haya información viajando en ambos sentidos. El DSP comienza a transmitir la información sin haber iniciado el contador de tiempo. La información recorre un camino de ida y vuelta pasando por ambos módulos inalámbricos y regresa. El DSP está en un principio a la expectativa de que comiencen a llegar los datos de regreso, en el momento en que esto sucede, se inicia el contador de tiempo y se marca cuál dato se está transmitiendo actualmente porque ya se puede afirmar que hay información en ambos sentidos. La transmisión continúa igual hasta que el DSP detecta que ya se terminaron los datos a transmitir. En ese momento se detiene el contador pues ya no habrá información en ambos sentidos y por lo tanto con los valores del tiempo y de los datos que efectivamente estuvieron en 2 vías es posible calcular la tasa de transferencia. Las mediciones se intentaron realizar para los mismos 5 casos de la tasa de transferencia en 1 vía, sin embargo los módulos XBee no respondieron al ser forzados a su máximo desempeño por lo que no se obtuvieron valores de máxima tasa de transferencia posible para ellos. 3 Resultados Los resultados encontrados pueden verse resumidos en la Tabla 1, en la cual pueden observarse varios detalles interesantes. En primer lugar se observa un comportamiento irregular de la latencia con respecto al tamaño de los paquetes de los módulos WT11. Se esperaba que cuando los paquetes fueran muy grandes, la latencia aumentara y
cuando fueran pequeños disminuyera. Sin embargo se observa lo contrario para el caso de 1,000 bytes por paquete. Tabla 1. Promedios de las mediciones realizadas en cada caso. Variables Latencia (ms) Tasa 1 vía (bps) Tasa 2 vías (bps) WT11 24 55.76 39,113 30,012 WT11 320 56.87 91,152 182,021 WT11 1,000 8.88 90,998 181,745 XBee mín. 8.16 85,274 - XBee máx. - 88,766 - También se observan irregularidades en la tasa de transferencia tanto de 1 vía como de 2 vías con respecto al tamaño de los paquetes en los módulos WT11. En estos casos se esperaba que los paquetes más grandes ahorrarían tiempo y presentarían la tasa más alta. Sin embargo los valores más altos fueron encontrados en el caso de utilizar paquetes de 320 bytes. Se percibe otra anomalía en los resultados al comparar las tasas de transferencia de 1 vía con las de 2 vías para los módulos WT11. Se esperaba que la tasa de 2 vías fuera cercana al doble de la tasa de 1 vía debido a que la cantidad de información en comunicación se duplica. Sin embargo en el caso de los paquetes de 24 bytes no ocurrió lo esperado, incluso se observa una disminución significativa. También debe destacarse que los valores máximos de tasa de transferencia tanto para los módulos WT11 (182,021 bps) como para los XBee (88,766 bps) se encuentran bastante alejados de los valores que establecen las especificaciones de Bluetooth (720 Kbps) y ZigBee (250 Kbps) pero no es tan extraño al recordar que ambos módulos fueron utilizados con una interfaz de 115,200 bps con un formato de 10 bits de los cuales 8 son datos útiles, por lo que su desempeño sí se acerca al delimitado por la interfaz (92,160 bps en 1 vía y 184,320 bps en 2 vías). En forma comparativa entre los dos tipos de módulos puede verse una ligera disminución en la latencia al usar los módulos XBee (8.16 ms contra 8.88 ms) y un ligero aumento en la tasa de transferencia al utilizar los módulos WT11 (91,152 bps contra 88,766 bps). 4 Conclusiones y trabajos futuros Para el caso específico de transmisión de voz en domótica y al evaluar solamente las variables de latencia y tasa de transferencia, puede afirmarse que los módulos WT11 y XBee podrían ser utilizados casi indistintamente atendiendo solamente a algunas limitaciones particulares. Para los módulos WT11 de ninguna manera debe utilizarse la configuración de 24 bytes por paquete debido a que no cumpliría con las especificaciones de tasa de transferencia para transmisión de voz.
Por su parte, para los módulos XBee debería hacerse mayor investigación sobre el funcionamiento en 2 vías en caso de requerir transmisiones de este tipo pues no se ha logrado establecer los parámetros de funcionamiento que se presentarían en este caso. En general parece que el factor más limitante de la latencia y la tasa de transferencia en ambos tipos de dispositivos es la configuración de la interfaz serial. En caso de requerir mejores desempeños deberán buscarse mecanismos alternativos para llevar a cabo la comunicación con los módulos. Referencias 1. Real Academia Española, Diccionario de la lengua española. (2001). 2. Domótica. Wikipedia. http://es.wikipedia.org/wiki/dom%c3%b3tica Accedido el 25 de junio de 2009. 3. Tsou, Y.-P.; Hsieh, J.-W.; Lin, C.-T.; Chen, C.-Y.: Building a Remote Supervisory Control Network System for Smart Home Applications. IEEE International Conference on Systems, Man and Cybernetics (ICSMC '06), Vol. 3, pp. 1826 1830 (2006). 4. Fowler, P.: 5 GHz Goes the Distance for Home Networking. IEEE microwave magazine, pp. 49 55 (2002). 5. Bluetooth Specification Version 2.1 + EDR - Volume 1: Architecture & Terminology Overview. http://www.bluetooth.org (2007). Accedido el 15 de junio de 2009. 6. Bluetooth Brand Book. http://www.bluetooth.org (2007) Accedido el 10 de junio de 2009 7. Bluetooth Wireless Technology Profiles. http://www.bluetooth.com/bluetooth/technology/works/profiles_overview.htm Accedido el 12 de junio de 2009 8. Bluegiga: WT11 data sheet, versión 2.6 (2007). 9. Bluegiga: WT11 Evaluation Kit data sheet, versión 1.1 (2006). 10. ZigBee Alliance, Inc.: ZigBee Specification. http://www.zigbee.org/en/spec_download/zigbee_downloads.asp (2008) Accedido el 15 de junio de 2009 11. ZigBee Alliance, Inc.: ZigBee Membership, Designations and Logos Policy. http://www.zigbee.org/about/zigbeeintro/tabid/220/default.aspx (2009) Accedido el 11 de junio de 2009. 12. IEEE 802.15.4: Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks (WPANs) (2006) 13. ZigBee Alliance, Inc.: ZigBee Smart Energy Profile Specification. http://www.zigbee.org/products/technicaldocumentsdownload/tabid/237/default.aspx (2008) Accedido el 16 de junio de 2009 14. ZigBee Alliance, Inc.: ZigBee Home Automation Public Application Profile. http://www.zigbee.org/products/technicaldocumentsdownload/tabid/237/default.aspx (2007) Accedido el 17 de junio de 2009 15. XBee 802.15.4 Starter Development Kit. http://www.digi.com/products/model.jsp?lid=en&pgid=130&pfid=147&mtid=2578&amti d=2578&pm=y, Accedido el 20 de junio de 2009 16. Compare with other technologies. http://bluetooth.com/bluetooth/technology/works/compare/ Accedido el 10 de junio de 2009 17. Floros, A.; Tatlas, N.A.; Mourjopoulos, J.: A High-Quality Digital Audio Delivery Bluetooth Platform. IEEE Transactions on Consumer Electronics, Vol. 52, No. 3 (2006).