Звезда — самый простой и экономически эффективный способ реализации. Он не содержит маршрутизатора, и все конечные устройства общаются напрямую с координатором.
Zigbee 101: руководство для начинающих
Умный дом: автоматизация, протоколы, устройства, экосистемы и программное обеспечение с открытым исходным кодом. Так много вопросов и так мало ответов. Давайте снимем покров тайны с одного из самых популярных протоколов IOT — Zigbee.
Zigbee — это технология, основанная на радиостандарте IEEE 802.15.4, целью которой является стандартизация маломощных M2M-устройств различных производителей. Особенности сети включают высокую отказоустойчивость, длительное время работы терминала от одной батареи, поддержку большого количества соединений и совместимость устройств разных производителей. Особенности сетевой архитектуры включают поддержку ячеистой топологии, обязательное наличие координатора и, опционально, маршрутизатора. Подробнее об архитектуре сети можно узнать здесь.
ZigBee позволяет передавать данные в радиусе от 5 до 75 (на открытой местности до 200) метров с максимальной скоростью 250 кбит/с. Он поддерживает 27 каналов в трех частотных диапазонах: 2,4 ГГц (16 каналов) 915 МГц (10 каналов) 868 МГц (1 канал).
Согласно одной из теорий, название ZigBee происходит от зигзагообразного танца пчел, которые показывают своим соседям путь к следующему источнику пищи, точно так же, как пакеты данных в стандарте должны найти свой путь через ячеистую сеть.
Что нового в Zigbee 3.0
Прямое подключение или прямое соединение обеспечивает непосредственную работу конечных устройств разных производителей без необходимости использования координатора или маршрутизатора. Это обеспечивает гибкость поведения устройства и повышает скорость реагирования. Зеленая энергия — это набор технологий, которые минимизируют потребление устройством ресурсов батареи и могут собирать их из кинетической, световой и тепловой энергии. Другими словами, выключатель может передавать за ваш счет сообщение о том, что вы к нему прикасаетесь. Подробнее о консолидации читайте здесь. В прошлом существовало множество так называемых профилей. Например, домашняя автоматизация, автоматизация зданий, здравоохранение. Zigbee 3.0 — это унифицированный профиль приложений. Обратная совместимость со всеми продуктами, выпущенными до версии 3.0.
Одним словом, для учета и автоматизации. Существует множество вариантов применения этой автоматизации. И хотя в последнее время наблюдается тенденция к стандартизации, технология поддерживает различные профили применения. Вот некоторые из них. Домашняя автоматизация — управление бытовыми приборами и сценариями. Дистанционное управление — управление устройствами дистанционного управления. Умная энергетика — контроль и автоматизация энергоснабжения и использования энергии. Green Power — поддержка устройств, вырабатывающих энергию. Light Link — управление освещением. Здравоохранение — управление медицинскими и связанными с медициной устройствами (браслеты, кнопки SOS).
Много ли устройств Zigbee?
Около 2600 устройств (список сертифицированных устройств). Следует уточнить, что в большинстве случаев каждый производитель имеет собственное приложение для подключения только своих устройств, но с помощью стороннего программного обеспечения возможно их сопряжение. См. об этом ниже.
Средняя цена за одно конечное устройство составляет около 10 долларов. Вот пример конечных устройств от нескольких популярных производителей: Xiaomi Aqara — около 50 устройств различного назначения (приложение Mi Home не работает с устройствами Aqara); Philips Hue — около 100 устройств (большинство ламп); Ikea trådfri — около 40 устройств (большинство ламп); Tuya — около 30 устройств; SONOFF — около 10 дешевых реле.
Zigbee USB устройства (стики)
Для чего нужны палочки Zigbee? Если вы используете решение стороннего производителя, стик пригодится в качестве координатора сети, подключенного к компьютеру как маршрутизатор для достижения удаленных точек.
Вот пример некоторых популярных устройств: cc2530/2531 — дешевая и популярная флешка. Неплохой выбор для начинающих. Недостатки: низкий радиус действия (10-15 м без антенны) и ограничения по количеству подключаемых устройств. палочка cc2538, разработанная энтузиастами проекта modkam.ru. По сравнению с моделью 2531, она имеет больший радиус действия и не имеет ограничений по количеству подключений (тесты показали более 200 устройств). Палочка deCONZ Conbee также поддерживает широкий спектр систем «умного дома». Среди недостатков родной прошивки — иногда отваливаются конечные устройства. Также примеры менее популярных: nRF52840 dongle — универсальный стик с поддержкой Bluetooth 5, Bluetooth Mesh, Thread, ZigBee, 802.15.4 и ANT и удобной средой разработки.
Zigbee шлюзы
Три наиболее популярных стандартных решения Xiaomi/Aquara — это версии Xiaomi Gateway 2 и 3 и Aqara Hub. Gateway 2 не совместим с Homekit и имеет версию 2 протокола Zigbee. Версия 3 предлагает Zigbee 3.0 и Bluetooth Mesh 5.0. Короткое видео поможет вам понять дополнительные различия.
Менее популярные концентраторы Zigbee, например, Orvibo livolo Wemo Vera Fibaro
Zigbee+ Zvawe Athom Homey Wink Hub 2 SmartThings Hub VeraPlus
DIY, или Сделай сам SLS шлюз — устройство на базе CC2538+CC2592 и ESP32-Wrover-B. Он поддерживает Zigbee 3.0 и, в отличие от Xiaomi, не ограничен одной экосистемой. И в отличие от палочек CC2531, CC2538 и Deconz, это готовое устройство, которое может работать самостоятельно или в системе домашней автоматизации Home Assistant. В настоящее время поддерживается 113 устройств. Видео обзор ZESP32 — Zigbee&ESP = ZESP. ZESP — это прошивка для шлюза Xiaomi. Как и SLS, он предназначен для подключения устройств Zigbee разных производителей. Основная идея заключается в том, чтобы упростить добавление нового устройства в сеть за счет использования изменяющихся стандартов. cc25xxx + ПК — это практичный вариант, если у вас уже есть Raspberry Pi или старый ПК, который может работать в качестве сервера. В этом случае вы можете выбрать одну из удобных систем домашней автоматизации, описанных ниже.
Звезда — самый простой и экономически эффективный способ реализации. Он не содержит маршрутизатора, и все конечные устройства общаются напрямую с координатором.
ZigBee — протокол передачи данных
Наверное, все знают, что такое сеть Wi-Fi, которая есть почти в каждом доме. Существует передающее устройство (маршрутизатор) и приемники (телефон, ноутбук и другие устройства), соединенные в единую сеть, созданную на уровне маршрутизатора. Схематично это выглядит следующим образом:
Этот тип сети называют «звездой» из-за визуального сходства (центральное устройство и лучи, исходящие от него). Все выглядит очень просто.
Как вы можете видеть, на схеме присутствуют устройства из системы умного дома Xiaomi. Оказывается, можно создать собственную систему автоматизации на протоколе Wi-Fi? Ответ: да, может.
Зачем тогда что-то изобретать?
Если вы посмотрите на схему, то заметите, что все устройства либо подключены к розетке, либо нуждаются в частой зарядке. Именно здесь проявляется самый большой недостаток сетей Wi-Fi: высокое энергопотребление. И если для устройств, питающихся от розетки, это не проблема, то для устройств и датчиков, питающихся от батарей, это фатально. Согласитесь, зачем нужен датчик, который должен заряжать батарею каждый день?
Однако существует протокол для передачи данных с низким энергопотреблением, который известен уже давно и до сих пор активно используется. Помните фразу: «Включи Bluetooth, я пришлю тебе фотографии». Да, именно Bluetooth используется для передачи данных и теперь занял место подключения беспроводных аудиоустройств и гаджетов, которые также используются в системе «умный дом». В основном, конечно, он сочетается с Wi-Fi, но есть и устройства только с Bluetooth, как, например, Mi Smart Kettle.
Но и здесь не все идет так гладко, как хотелось бы. Как и Wi-Fi, Bluetooth также использует топологию «звезда». Что в этом плохого? Ответ прост: малый радиус действия и низкая отказоустойчивость. Главное устройство должно быть размещено как можно ближе к центру комнаты, чтобы обеспечить связь со всеми устройствами. Если в квартире это не так критично, то в частном доме просто невозможно обеспечить непрерывную связь между устройствами, находящимися на большом расстоянии друг от друга. Для решения этой проблемы были введены шлюзы Bluetooth. И постепенно развивается сетчатая система, для которой были выпущены специальные лампы.
ZigBee
Логично, что требовался протокол передачи данных с низким энергопотреблением и надежным соединением. Таким образом, спецификация ZigBee была утверждена в 2003 году. Основное отличие от Bluetooth заключается в топологии «сетки».
Он включает в себя 3 типа устройств:
- Координатор — ведущее устройство, создающее сеть. В «умном доме» Xiaomi эту задачу выполняет один из шлюзов.
- Маршрутизатор — устройство, на которое постоянно подается питание. Эту задачу выполняют выключатели и розетки.
- Конечными устройствами являются датчики и устройства с батарейным питанием.
В схематической диаграмме умного дома протокол Xiaomi выглядит следующим образом:
Разве это не логично? Давайте попробуем понять это.
На схеме мы видим шлюз 2, который действует как координатор. Мы подключаем к нему все остальные устройства в приложении MiHome. Как Wi-Fi и Bluetooth, за исключением того, что стрелок значительно больше. Это происходит потому, что розетки и коммутаторы действуют как «маршрутизаторы», принимающие сигнал от центрального блока и передающие его по сети конечным датчикам. Это позволяет масштабировать сети до уровня дома или даже крупного промышленного здания. И отказ одного из устройств маршрутизации не влияет на производительность всей сети.
Вот сравнение двух протоколов связи:
| Технология | Wi-Fi | Bluetooth | ZigBee |
| Стандарт связи | IEEE 802.11 | IEEE 802.15.4 | IEEE 802.15.4 |
| Скорость передачи данных | 300+ Мбит/с | До 3 Мбит/с | 250 кбит/с |
| Потребляемая мощность | Высокий | Низкий | Низкий |
| Полоса пропускания | 2,4 ГГц | 2,4 ГГц | 2,4 ГГц |
| IP-поддержка | + | — | — |
| Топология | » Звездная сеть | » Звездная сеть, глаза | » Звездная сеть, глаза |
Недостатком является низкая скорость передачи данных — до 250 кбит/с. В интересах низкого энергопотребления приходится идти на некоторые компромиссы, но для задач домашней автоматизации это не имеет решающего значения.
Обратите внимание, что если в вашей системе есть 2 шлюза, они будут представлять собой 2 разные, независимые сети ZigBee, на случай недоступности. В таком виде второй и последующие шлюзы будут захватывать сеть первого шлюза. Однако, если один из шлюзов внезапно выйдет из строя, датчики смогут снова подключиться к другому шлюзу.
Чтобы упростить процесс, существует специальная ссылка для подачи заявки. На основе конфигурации устройств ZigBee создается структура и функции будущего приложения. Затем разработчик самостоятельно вносит необходимые изменения.
Разница между Zigbee, Wi-Fi и Bluetooth
Wi-Fi и Zigbee похожи в некоторых отношениях:
- Оба работают на частоте 2,4 ГГц, для которых не требуется специальных лицензий.
- Оба протокола имеют радиус действия до 20 метров.
Однако Zigbee имеет существенные отличия, которые делают его гораздо более подходящим стандартом для связи между устройствами умного дома.
В сети Zigbee существует прямая связь между узлами, а не только связь с «концентратором».
Топология. Основное отличие Zigbee от Wi-Fi заключается в использовании топологии ячеек вместо топологии звезды, когда все узлы сети подключены через центральный маршрутизатор. В топологии «звезда», если соединение с маршрутизатором прерывается, узел не может общаться с остальной частью сети. Например, если соединение между вашим компьютером и маршрутизатором разорвано, вы не сможете передать на него фотографию с планшета — Wi-Fi не допускает прямого соединения между устройствами в сети.
В сети Wi-Fi устройства могут взаимодействовать друг с другом только через центральный узел — маршрутизатор.
Однако, благодаря ячеистой структуре, в случае обрыва связи создается обходной путь, и сигнал достигает приемника по новому маршруту. Это возможно потому, что между узлами существует прямая связь, а не просто связь с «центром». Такая топология гораздо надежнее и используется, например, в самом интернете.
В сети Zigbee устройства могут напрямую общаться друг с другом.
Конкретный пример. Датчик утечки воды, подключенный по Wi-Fi, находится на расстоянии от маршрутизатора Wi-Fi, и между ними есть 2 бетонные стены. В момент аварии датчик может быть просто не в состоянии передать сигнал об утечке из-за слабого сигнала Wi-Fi. Маршрутизатор не получит сигнал датчика, маршрутизатор не передаст сигнал в центр управления, центр управления не закроет клапан, и произойдет затопление. Но если ваш «умный дом» движется зигзагами, то слабая прямая связь между датчиком и центром управления будет передавать сигнал не напрямую, а через другие устройства: лампочку в прихожей, выключатель в комнате или умную розетку. То есть, другие устройства будут выступать в качестве посредников при передаче сигнала об утечке в систему управления умным домом и обратного сигнала для закрытия клапана.
Потребление энергии. Модули Zigbee имеют очень низкое энергопотребление благодаря специальному спящему режиму, когда устройство не используется, и низкую скорость передачи данных (250 кбит/с по сравнению с 300-1000 Мбит/с для Wi-Fi). Высокая пропускная способность не нужна для Zigbee, потому что ей нужно передавать только очень небольшие объемы данных от датчиков и электрических устройств, в то время как Wi-Fi нужен для просмотра видео в реальном времени и т.д. Это позволяет модулю Zigbee работать в течение нескольких месяцев от одной батареи.
Скорость. До появления Zigbee, Bluetooth был опробован в системах умного дома. Радиус действия этих протоколов примерно одинаков, но Bluetooth имеет очень большую задержку. Задержка при передаче сигнала от устройства Bluetooth составляет несколько секунд по сравнению с 30 миллисекундами для устройства Zigbee! 30 мс — это гораздо меньше, чем время реакции человека: для нас включение и выключение лампы Zigbee — это мгновение.
Умный дом и Zigbee
Сети Zigbee используются в промышленной автоматизации, коммерческих зданиях и медицинском оборудовании. Но, безусловно, самым распространенным и популярным применением Zigbee являются системы «умного дома».
До того, как Apple, Google и Amazon вышли на рынок «умных домов», некоторое время был популярен стандарт Z-Wave. Этот протокол был конкурентом Zigbee, но он закрыт, и производители устройств для умного дома вынуждены покупать модуль Z-Wave у европейского производителя. Zigbee — это открытый стандарт, и любая компания может создавать свои модули в соответствии с открытыми спецификациями. Поэтому устройства Zigbee дешевле устройств Z-Wave, и очевидно, что протокол Zigbee победил и стал стандартом де-факто для систем умного дома. ZigBee используется всеми крупными компаниями на рынке «умного дома»: Amazon, Philips, Samsung, Xiaomi, LG, Logitech, IKEA и многие другие.
Умные лампы Ikea Trodfrey работают через ZigBee.
Модуль Zigbee делает устройства разных марок несовместимыми.
На продажу выставлены все устройства с поддержкой Zigbee, какие только можно придумать: лампочки, выключатели, розетки, датчики движения, протечки и дыма, дверные и оконные открыватели, кондиционеры, термостаты, камеры и многое другое. Следует отметить, однако, что само по себе наличие модуля Zigbee не делает устройства разных производителей совместимыми друг с другом (как в случае с устройствами умного дома с модулем Wi-Fi). Например, светильник Ikea Trodfrey Zigbee не работает с узлом Xiaomi Smart Home Gateway Zigbee. Однако некоторые компании добавляют поддержку конкретных устройств других производителей. Например, те же лампочки Ikea работают с мостом Philips Hue Bridge.
Поэтому при выборе устройств Zigbee для своего умного дома следует выбирать качественного производителя, которому вы доверяете, поскольку только его продукцию вы сможете подключить к мосту. Вы также должны убедиться, что мост этого бренда поддерживает интеграцию с современными платформами, такими как Apple HomeKit, Google Assistant или Alexa (подробнее об этом ниже).
Хаб для умного дома – Zigbee мост
Трудно представить современный умный дом без дистанционного управления. Например: откройте мобильное приложение на iPhone или Android и включите кондиционер в гостиной, когда возвращаетесь домой с работы, или проверьте в такси до аэропорта, отключили ли вы утюг от сети, а если забыли, то отключите его.
Для дистанционного управления, даже через мобильное приложение на Android или iOS, сеть устройств Zigbee должна быть подключена к интернету. Для этого используются сетевые мосты (bridges, как их называют Apple и Philips), которые также называют интеллектуальными концентраторами (smart hubs, как их называют Google, Amazon и Samsung). Другое название этого типа устройств — шлюз, это название используется компаниями IKEA и Xiaomi.
Сетевой мост является координатором в сети Zigbee и, в отличие от оконечных устройств (например, открывателей дверей на батарейках), он всегда должен быть подключен к питанию, поскольку координатор в сети Zigbee никогда не спит. Для связи с домашней сетью и Интернетом дистрибьютор подключает к Wi-Fi маршрутизатору обычный кабель витой пары (проводное соединение является наиболее надежным).
Сетевой мост соединяет беспроводную сеть Zigbee «умного дома» с Интернетом.
Как видно на рисунке, концентратор буквально служит мостом между устройствами «умного дома» и Интернетом. Она позволяет подключаться к дому, отслеживать состояние и управлять всеми устройствами из любой точки мира. Для подключения к «умному дому» используется мобильное приложение или голосовой помощник (подробнее об этом ниже).
В диапазоне Zigbee устройства умного дома определенного производителя также имеют мост того же бренда, к которому подключаются устройства. В этом случае устройства Zigbee других брендов обычно не совместимы с «чужим» мостом, и чтобы добавить устройства нового производителя в систему умного дома, вам придется приобрести еще один «родной» концентратор от нового производителя.
Список наиболее популярных узлов/мостов/гейтов Zigbee:
- Узел Акара
- Xiaomi Smart Home Hub
- Xiaomi Aqara Aqara Aqara Aqara Aqara Aqara Aqara Gateway
- Мост Philips Hue
- IKEA TRÅDFRI Gateway
- Samsung SmartThings Hub
Яндекс выпустил второе поколение смарт-динамика Yandex Station, который имеет встроенный хаб Zigbee и может искать и управлять устройствами Zigbee.
Для чего нужны палочки Zigbee? Если вы используете решение стороннего производителя, стик пригодится в качестве координатора сети, подключенного к компьютеру как маршрутизатор для достижения удаленных точек.
Формирование сети
Сеть ZigBee является самоорганизующейся и начинает работать сразу после ее формирования. Устройство, которое при планировании назначается координатором сети персональной зоны (PAN Coordinator), ищет свободный от помех канал и ожидает запросов на подключение. Устройства, которые пытаются подключиться к сети, отправляют широковещательный запрос. Поскольку координатор PAN является единственным устройством в сети, только он отвечает на запрос и устанавливает соединение с сетью. В будущем маршрутизаторы, присоединившиеся к сети, также смогут подключаться к ней. Устройство, получившее ответ на широковещательный запрос, обменивается сообщениями с подключающимся устройством, чтобы определить, может ли оно присоединиться к сети. Пропускная способность определяется способностью подключающегося маршрутизатора обслуживать новые устройства в дополнение к уже подключенным. Существует два метода присоединения: объединение MAC и повторное присоединение NWK. MAC-ассоциация MAC-ассоциация доступна для каждого устройства ZigBee и выполняется на уровне MAC. Механизм MAC-ассоциации выглядит следующим образом: Устройство, разрешающее подключение, дает разрешение на подключение на уровне MAC. Устройство, присоединяющееся к сети, делает запрос на присоединение на уровне MAC и посылает широковещательный запрос маяка. После получения маячка от устройств, желающих присоединиться к присоединяющемуся устройству, последнее определяет, к какой сети и устройству оно хочет присоединиться, и посылает запрос на присоединение на MAC-уровне с флагом переподключения, установленным в FALSE. Затем соединяющее устройство отправляет запрос на подключение к выбранному для подключения устройству и получает ответ с назначенным сетевым адресом. Присвоение MAC не шифрует данные, поэтому присвоение MAC не является безопасным. Переподключение сети Вопреки своему названию, переподключение сети может также использоваться для первоначального подключения. Это делается на уровне сети. Если соединяющее устройство знает текущий сетевой ключ, обмен пакетами может быть безопасным. Ключ может быть запрошен, например, во время настройки. При повторном подключении подключаемое устройство выполняет запрос на подключение на сетевом уровне и обменивается пакетами «запрос на подключение» — «ответ на запрос на подключение» с подключаемым устройством. Динамика сети Помимо того, что в сеть входят новые устройства, структура сети также меняется, когда устройства покидают сеть и присоединяются к другой сети (это происходит, например, при перезагрузке устройства). На следующем рисунке показан пример повторного подключения. Устройство с адресом ‘0E3B’ повторно подключается как ‘097D’, а затем как ‘0260’. Каждый раз, когда он подключается к другому маршрутизатору, он получает адрес из диапазона адресов маршрутизатора, к которому он подключается.
Переподключение терминала в древовидной сети
Сетевые протоколы
Протоколы, указанные в спецификациях IEEE 802.15.4 и ZigBee 2007, позволяют формировать и эксплуатировать беспроводную сенсорную сеть. Стандарт IEEE 802.15.4 определяет физический и MAC-уровни, а спецификация ZigBee — сетевой и прикладной уровни. На рисунке показан стек протоколов ZigBee.
Стек протоколов ZigBee
Я прошу прощения, но я вынужден прервать вас на этом моменте, потому что уже так поздно. Описание стека протоколов можно найти здесь: http://www.rtlsnet.ru/technology/view/3.
Если хабралюди интересуются этой темой, я описываю профиль стека, варианты топологии сети, алгоритмы маршрутизации, профили приложений, кластеры, конечные точки, привязки и безопасность. То есть, как на самом деле конфигурируется топология, как устанавливаются и восстанавливаются маршруты, как подключаются и программируются внешние устройства — датчики, контроллеры, исполнительные механизмы — стандартизированным образом.
Продукты на базе ZigBee могут повысить удобство совершения покупок, помогая продавцам в магазине быстрее находить товары и проверять запасы, что делает их отличным решением для розничной торговли.
Сетевые устройства ZigBee
Сеть содержит три различных типа устройств: координаторы, маршрутизаторы и конечные точки. Хотя все узлы могут отправлять и получать данные, каждый из них играет свою роль.
Координатор — Координатор является наиболее важным элементом и находится в центре формирующейся сети. Координатор сети — это компонент, который устанавливает соединение, знает все узлы в своей рабочей области и управляет как информацией для каждого узла, так и информацией, передаваемой и получаемой по сети. Компонент выполняет функции конфигурации сети:
- выбирает наиболее подходящий канал с наименьшими помехами,
- присваивает уникальный сетевой идентификатор,
- присваивает уникальный адрес каждому элементу и устройству,
- передает сообщения внутри.
Маршрутизатор (шлюз) — этот промежуточный узел используется для пересылки пакетов сообщений между различными узлами. Он расположен между координатором и терминалами. Шлюз получает сообщения от координатора и хранит их до тех пор, пока терминалы не смогут их принять.
Конечные устройства представляют собой классические модули «умного дома», такие как различные датчики или выключатели, которые подключаются к сети через координатор или маршрутизатор. Они не участвуют в управлении дорожным движением. Они работают в режиме низкого энергопотребления, с питанием от батареи. Конечные устройства часто переходят в спящий режим (узел ожидания), который экономит энергию. Это означает, что датчик температуры сообщает о температуре только по запросу пользователя и включается в это время, а в остальное время «спит».
Типы сетей
Протокол работает в зависимости от типа соединения. Существует три основных макета с различными элементами: звезда, сетка и дерево.
Звезда — самый простой и экономически эффективный способ реализации. Он не содержит маршрутизатора, и все конечные устройства общаются напрямую с координатором.
Grid — здесь координатор подключается к ближайшим маршрутизаторам, а они подключаются к другим маршрутизаторам, которые находятся ближе всего к ним. Таким образом, каждый узел с маршрутизатором соединяется с соседним узлом, за исключением терминалов. Когда один узел хочет связаться с другим, сообщение передается от одного к другому по кратчайшему пути, пока не достигнет пункта назначения. Если конкретный узел выходит из строя, сеть продолжает функционировать, поскольку сообщение может быть просто перенаправлено по другому маршруту. Это называется «процесс самовосстановления». Такая ячеистая сеть подходит для умных домов, где есть много конечных устройств.
Дерево — очень похоже на сетку, за исключением того, что маршрутизаторы не общаются друг с другом, а только с координатором и конечными устройствами. Координатор подключается ко всем ближайшим маршрутизаторам, а те, в свою очередь, подключаются к ближайшим конечным устройствам, которые обычно группируются вокруг каждого маршрутизатора.
Применение технологии
Высокие технологии необходимы для повседневной жизни современных людей. Беспроводные протоколы значительно расширяют возможности, ускоряют обмен информацией и размывают границы.
Zigby — это надежное решение, которое можно использовать в следующих областях:
- Оснащение технологического сектора «умных домов». Идеально подходит для автоматизации дома: можно включать свет, дистанционно управлять электроприборами, отоплением, устройствами безопасности и т.д.
- Автоматизация зданий и промышленных помещений. В производственной и перерабатывающей промышленности канал связи постоянно контролирует различные параметры и критически важное оборудование. Это значительно снижает затраты на связь и оптимизирует процесс управления для повышения надежности.
- Сбор медицинских данных. Эта технология используется для наблюдения за пациентами на дому, где сбор медицинских данных имеет решающее значение. В этой системе пациент носит устройство ZigBee, которое собирает такую информацию, как частота пульса, температура тела, кровяное давление и т.д.
- Умный детектор дыма. Система состоит из блока обнаружения дыма, блока беспроводной связи, блока сбора данных и интеллектуального блока идентификации, который различает различные типы дыма, например, дым от приготовления пищи, дым от случайных пожаров, туманный воздух и т.д.
- Мониторинг беспроводных сенсорных сетей. Интеллектуальная система беспроводной сенсорной сети помогает собирать информацию и контролировать качество воздуха, погодные условия, дорожное движение, обнаруживать неисправности и т.д.
Скорость, надежность, безопасность, защита от несанкционированного доступа и способность к самовосстановлению после сбоя интернет-соединения позволяют протоколу поддерживать широкий спектр приложений.
Давайте решим эту проблему. Вам нужно настроить маршрутизатор на работу только на первом канале WiFi — он не пересекается с каналами Zigbee 20-26. Перезагрузитесь и проверьте через 10 минут, стал ли умный дом работать быстрее.
История создания
Первоначально несколько компаний совместно работали над разработкой новых стандартов для беспроводных сетей. Приоритетной задачей было решение проблемы совместимости сети с устройствами разных производителей. Альянс был основан в 2002 году и насчитывает более 300 членов. С 2003 года появились новые стандарты.
- Были созданы стандартные конфигурации программы и файл модели кластера,
- со стохастической маршрутизацией,
- были введены механизмы маршрутизации (маршрутизация от источника и другие),
- была введена возможность обнаружения асимметричных соединений,
- В случае прерывания система автоматически переключается на другой канал без каких-либо помех,
- Существует дополнительная система защиты сети.
Технические характеристики
- Телекоммуникации,
- Игры,
- коммерческое строительство,
- энергоэффективность,
- личный уход на дому,
- автоматизация бытовых процессов.
Первоначально поддерживалась топология сети. Сигнал передавался между устройствами «по цепочке», пока информация не достигала места назначения. Все устройства Zigby при необходимости служат в качестве промежуточных ячеек.
Диаграмма топологии сетки
Сравнение с Wifi и Bluetooth
Основное сходство с Wifi заключается в том, что обе сети работают на частоте 2,4 ГГц, не требуют специальных лицензий и имеют радиус покрытия сигнала 20 метров.
- Zigbee работает в ячеистой сети, в то время как Wifi и Bluetooth подключены к центральному маршрутизатору (топология «звезда»). Если нет соединения с маршрутизатором, узел не может подключиться к другим участникам сети. Например, если телевизор подключен к Интернету через модем, он не сможет воспроизвести фильм или получить его с планшета, если маршрутизатор не подключен к сети. В сетевой структуре узлы непосредственно связаны друг с другом. Это гарантирует, что сбои в соединении не повлияют на передачу данных. Этот механизм гораздо надежнее и относится к самому Интернету. Этот фактор очень важен для внедрения технологии «умного дома». В случае столкновения сигнал Wifi не может быть передан на большие расстояния через бетонные стены.
- Устройства ZigBee потребляют мало энергии, поскольку работают в режиме ожидания. Пропускная способность ZigBee (250 кбит/с) намного ниже, чем у Wifi (300-1000 Мбит/с). Это связано с тем, что Zigbee передает небольшие пакеты данных, в то время как Wifi позволяет передавать большие файлы (видео и т.д.).
- Скорость. Время задержки передачи сигнала у Zigbee намного меньше, чем у Bluetooth (несколько секунд), и составляет 30 миллисекунд. Значение Zigbee примерно эквивалентно времени между нажатием выключателя и включением света в люстре. По этой причине Bluetooth в последнее время реже используется при установке систем «умного дома».
- Количество узлов в Zigby намного больше. Теоретически к сети Wifi могут присоединиться от 300 до 1 000 участников. Однако пользователи отмечают, что при использовании более одного устройства возникают задержки, и проверить номер вряд ли удастся. Система ZigBee работает с любым количеством участников, что очень важно при установке умного дома на больших территориях.
- Цена. Стоимость модуля ZigBee на порядок меньше, чем цена модема Wifi.
Сравнительная таблица беспроводных технологий
Сравнение с Z-wave, Insteon, Tread
Система Insteon предлагает передачу информации по двум каналам: беспроводному и проводному. Этот фактор снижает риск потери данных в случае сбоя. Работа сети Insteon возможна без централизованного управления, так как отсутствует разделение устройств на группы. Недостатком является то, что он не совместим с бытовыми электросетями.
Для стандарта Z-Wave существует меньше программного обеспечения, но система гарантированно работает с проприетарными устройствами.
ZigBee устройства и производители
Сегодня на рынке представлено множество устройств ZigBee: розетки, диммеры, лампочки, датчики движения, датчики контроля воды, датчики температуры и другие. На данный момент (май 2019 года) китайская компания Xiaomi занимает первое место в списке производителей устройств на базе протокола ZigBee по многим причинам. Мы уже писали подробный обзор системы умного дома от этого производителя.
- Координаторы (ZC). Устройство инициирует сеть и определяет все команды для управления ее действиями. Контроллер также обеспечивает безопасность всех процессов.
- Он работает непрерывно и обеспечивает работу до 32 устройств в приостановленном режиме. Он также передает данные и выполняет восстановление блока в случае высокой нагрузки или сбоя системы. Подключение к координатору, другим маршрутизаторам и периферийным детским и устройствам передачи информации.
- Оконечные устройства (ZED), которые обрабатывают прием и передачу пакетов данных. Подключитесь к двум вышеупомянутым гаджетам. Не подключайте гаджеты для детей. Управлять датчиками, органами управления и механизмами, выполняющими команды. Они часто работают в спящем режиме для экономии энергии.
На начальном этапе формирования сети используется координатор PAN. Он вычисляет свободный от помех радиоканал и ожидает запросов на подключение от различных устройств. Первоначально только координатор может подключать других участников, а затем и другие устройства для пересылки данных. После получения запроса происходит обмен сообщениями.
Существует два варианта подключения: Назначение MAC-адреса и повторное подключение к сети. В первом случае устройство, которое хочет стать частью сети на уровне MAC, посылает запрос маяка. Когда маяки достигают места назначения, управляющее устройство сканирует сети и выбирает лучшую сеть для присоединения в данном состоянии и посылает запрос на присоединение с символом присоединения. После получения ответа контроллер отправляет сообщение с адресом. Этот метод соединения не является достаточно безопасным, поскольку не все данные защищены шифрованием.
Воссоединение также часто используется в случае первичного объединения. В этом случае участник, который хочет присоединиться к сети, знает текущий ключ. Поэтому такой тип соединения гораздо более безопасен. Ключ можно узнать при настройке машины. Во время переподключения устройства обмениваются друг с другом пакетами запросов и ответов.
Структура может измениться, если участник покидает сеть или устанавливает новое соединение с другим узлом во время перезапуска.
Координатор
Устройство обеспечивает связь между всеми участниками сети при отсутствии подключения к Интернету.
Хаб (сетевой мост)
Устройство подключает систему «умного дома» к Интернету. Это позволяет удаленно управлять системой. Различные приложения для гаджетов помогают управлять и изменять настройки (подогрев полов, кондиционирование воздуха и т.д.). Узел должен быть всегда активен, так как он действует как координатор сети. Для доступа в Интернет можно использовать как сеть WiFi, так и проводное подключение к маршрутизатору.
Для дистанционного управления устройствами разработано приложение для Android или iOS. Сетевые мосты Smart Hub, Bridge и Gateway используются для подключения к Интернету. Для серии Smart Home также доступен концентратор от того же производителя. При покупке устройств важно обратить внимание на совместимость с ZigBee. Аппаратные средства, отличающиеся в зависимости от производителя, не могут взаимодействовать друг с другом. Также возможно управление домом с помощью голоса. Некоторые узлы работают со всеми голосовыми программами.
