ZigBee.png
В предыдущих статьях мы рассматривали стандарты KNX1-WIRE и X10 — их общей особенностью было то, что устройства в сети подключались к друг другу преимущественно с помощью проводов. Протокол ZigBee же рассчитан на беспроводное подключение устройств в сети друг к другу — это удобнее, однако накладывает свои ограничения на размер сети и скорость передачи данных.

ZigBee является протоколом верхнего уровня, базирующемся на беспроводном стандарте IEEE 802.15.4. Стандарт IEEE 802.15.4 был создан в 2003 году и обеспечивает низкую скорость передачи данных в совокупности с очень длительным временем автономной работы (месяцы и даже годы) и низкой сложностью устройств — то есть идеально подходит для создания умного дома по принципу «один раз настроил и забыл». Протокол ZigBee разрабатывает организация ZigBee Alliance, которая и представила его в 2004 году. Еще через год спецификации первой версии протокола были согласованы и стали создаваться продукты, поддерживающие этот протокол. ZigBee постоянно дорабатывался, и новые версии выходили в 2006, 2007 и 2012 годах. И хотя официально все версии протокола должны быть совместимыми, на практике в одной сети лучше использовать устройства только одной версии протокола. С учетом того, что сейчас на рынке в основном продаются устройства, созданные под последнюю версию протокола — особых проблем с этим нет.

Типы устройств и профилей протокола ZigBee
ZigBee-для-максимального-управления-умным-домом-1.jpg
Разумеется, ZigBee используется не только для домашней автоматизации — сеть может использоваться в промышленном контроле, встроенных датчиках, сборе медицинских данных, оповещении о вторжении или задымлении, строительстве и т.д. Всего можно выделить четыре основных профиля:
  • Домашняя автоматизация — рациональное освещение, продвинутый температурный контроль, охрана и безопасность, фильмы и музыка, датчики воды, энергии, задымления.
  • Мобильные службы — мобильная оплата, мониторинг, контроль и охрана.
  • Коммерческое строительство — мониторинг энергии, HVAC, света, контроль доступа.
  • Промышленное оборудование — контроль процессов, промышленных устройств, управление энергией и имуществом.
Устройства разных профилей не совместимы друг с другом — то есть к примеру устройства для домашней автоматизацией (с пометкой Home Automation) нельзя использовать в одной сети с устройствами для мобильных служб (Telecom Services). Однако все устройства для домашней автоматизации разумеется работают в одной сети, так что проблем это не вызывает.

В 2007 году, при очередном апдейте протокола, были представлены две реализации стандарта — ZigBee и ZigBee Pro. Для умного дома в основном используется последний, однако некоторые производители опускают приставку Pro, что приводит к очередной путанице. В 2009 году был представлен стандарт ZigBee RF4CE (Radio Frequency for Consumer Electronics — радиочастоты для потребительской электроники) — он создан для дистанционного управления бытовой техникой, такой как телевизоры и музыкальные центры: пульты с поддержкой ZigBee RF4CE передают данные по радиоканалу, а потому они предоставляют больше возможностей. И, разумеется, устройства с поддержкой RF4CE опять же могли не работать в сети с другими устройствами для протокола ZigBee.

С учетом всего вышесказанного — для создания полностью рабочей сети на протоколе ZigBee крайне желательно использовать устройства одного производителя, выпущенные для одной версии протокола (лучше самой новой) и только для профиля Home Automation. 

ZigBeeCollage.jpg


В сети ZigBee устройства подразделяются на три категории:
  • Координатор ZigBee (ZC) — наиболее ответственное устройство, формирует пути древа сети и может связываться с другими сетями. В каждой сети есть один координатор ZigBee — он запускает сеть, хранит информацию о ней, выступает как доверенный центр и хранит ключи безопасности.
  • Маршрутизатор ZigBee (ZR) — устройство, которое выполняет функцию передачи данных между удаленными друг от друга устройствами в сети ZigBee.
  • Конечное устройство ZigBee (ZED) — собственно сам датчик или выключатель. Его функциональная нагруженность позволяет ему обмениваться информацией с материнским узлом (или координатором, или с маршрутизатором), но он не может передавать данные с других устройств. Такое отношение позволяет узлу львиную часть времени пребывать в спящем состоянии, что позволяет экономить энергоресурс батарей. ZED требует минимальное количество памяти, и поэтому может быть дешевле в производстве, чем ZR или ZC.

Технические характеристики протокола

К счастью, несмотря на некоторые несовместимости в различных версиях протокола, основные технические характеристики остаются прежними. В Европе сеть работает на частоте в 868 МГц, в США и ряде других стран — 915 МГц. Так же по всему миру (и в России) сеть работает на частоте 2.4 ГГц — на такой частоте обеспечивается максимальная скорость в 250 кбит/с, однако дальнобойность оставляет желать лучшего — она, как и у Wi-Fi на этой частоте, не превышает 10-15 метров (но для квартиры этого, разумеется, вполне хватает). Максимальная выходная мощность при этом составляет 0 дБм (1 мВт).

В реализации протокола от 2012 года появилась возможность создавать устройства, способные обходиться без постоянного источника питания. Энергию для передачи сигнала такие устройства получают, например, от нажатия кнопки на них — то есть энергопотребление ничтожно мало, к тому же такие устройства практически моментально подключаются к сети.

Устройство ZigBee может активироваться (то есть переходить от спящего режима к активному) за 15 миллисекунд или меньше, и с учетом того, что большую часть времени оно находится в спящем режиме, батареек хватает на очень продолжительное время (официально — до двух лет, однако цифра меняется от производителя к производителю).

Топология сети ZigBee — ячеистая, то есть данные в сети передаются по цепочке от одного устройства (обычно маршрутизатора) к другому:

82556cc0ee63fa071f126dd132be70d6.jpg

На практике это приводит к высокой отказоустойчивости сети — при выходе из строя одного устройства сеть продолжает функционировать. ZigBee использует 16-битную адресацию, то есть один ZC (координатор) может работать с 65 536 устройствами. К тому же создателями протокола добавлена возможность использования нескольких сетей ZigBee вместе, поэтому в теории количество устройств практически не ограничено. 

В итоге ZigBee получился с одной стороны достаточно развитым (быстро работает, легко настраивается, хорошая отказоустойчивость), но с другой — достаточно сырым: производители устройств так и не договорились о 100% совместимости девайсов. Так что для создания умного дома в рамках одной квартиры с несколькими десятками устройств такой протокол вполне подходит, для большего лучше присмотреться к другим протоколам.