ZigBee: современный протокол передачи данных

Современные разработки позволили сделать дом удобным, практичным и функциональным. Для работы комплектов и некоторых приборов, таких как лампочки и датчики требуется особая сеть беспроводной передачи данных. Технология Зигби является не просто способом соединения в системе всех компонентов умного дома – это полноценный шлюз, который связывает устройство и передатчик, перенося сведения в центр управления умным домом.

Что такое ZigBee краткий обзор

ZigBee – стандарт надёжной и работающей без обрывов беспроводной связи. Если объяснять простыми словами, что представляет собой протокол, то можно сравнить принцип работы с Wi-Fi и не менее известный и популярный у пользователей Bluetooth. В основе – лежит передача данных от одного прибора другому.

ZigBee — это технология передачи данных в беспроводных сетях. Она отличается низким энергопотреблением и предназначена, для многоканальных систем управления, в системах сигнализации, управления освещением и иных применениях автоматизации дома и зданий.

Этот способ передачи данных был разработан специально для умного дома. Отличия нового типа связи состоят в том, что для работы умных приборов не требуется сложных обходных путей. Связь идёт между устройствами напрямую.
Зигби имеет следующие особенности:

• Безопасность – имеется защита, реализованная с помощью особых 128-битных ключей.
• Конфигурация сети – каждый из входящих в систему приборов получает и передаёт следующему сигнал. В результате образуются ячейки, с помощью которых удаётся избежать обрыва связи.
• Требования к питанию – мощных источников для работы оборудования не требуется.
• Диапазон сигнала – если в помещении нет стен или перегородок, то показатели достигают 12-15 метров, максимально с уменьшением качества сигнала – до 20-22 метров. Если стены имеются, то показатели равным 3-5 метрам.
• Совместимость – все устройства, датчики и приборы имеют специальный сертификат, по которому можно ориентироваться во время выбора подходящей комплектации для обустройства своего умного дома.
• Надёжность – ещё один критерий, который нужно принимать во внимание. В ячеистой сети этот показатель выше в несколько раз, чем при работе с помощью устаревшей технологии Wi-Fi.

История технологии

Необходимость разработки нового стандарта и протокола появилась, потому что WiFi или Bluetooth в полной мере не подходили для новых разработок в сфере организации умного дома и интернета вещей. Причина разработки – низкая надёжность соединения и дорогие по стоимости модули.

Современная технология ZigBee начала развиваться с 2002 года. Именно тогда появился Альянс — это консорциум, которые стимулируют и регулируют развитие этого стандарта домашней автоматизации. В настоящее время в него входят более 500 компаний технологической направленности. Основной целью работы является разработка эффективных протоколов беспроводного соединения. Дополнительная цель разработки протокола — обеспечение совместимости оборудования от разных производителей. Благодаря специальным алгоритмам, применяющимся в ходе маршрутизации, разработка является надёжной и способной к восстановлению при потере интернет — связи между отдельными элементами или узлами в системе. В результате применения стандарта у пользователей (владельцев умного дома) появилась возможность приобретать комплекты, устройства и технику для обустройства пространства по своему желанию.

Первые стандарты были разработаны в 2003 году. Последующая разработка позволила внести в протокол новые возможности. В результате эффективность сетей повысилась в 2 раза, появилась возможность написания специальных приложений, ориентированных именно под новые стандарты беспроводной связи. Сертификация была произведена в 2004 году. Через год Альянс объявил об общедоступном использовании нового протокола. В 2006 году появилась Pro версия, которая затем начала активно развиваться. Протокол 3.0 появился в 2015 году. В нём все наработки и возможности были систематизированы. Улучшилась возможность сертификации новых предметов на совместимость. В 2017 году появилась специальная библиотека и поддержка особого режима связи в сетях. В результате умные вещи смогли быстрее связываться друг с другом и стабильнее удерживать соединение. В следующем году количество сертифицированного оборудования превысило значение в 2500 единиц.

Недавно ZigBee Alliance выпустил «Dotdot» — программу, которая расширила возможности технологии взаимодействия за пределы уже существующих. Dotdot, универсальный язык Интернета вещей, позволяет интеллектуальным гаджетам работать вместе в любой сети, открывая новые рынки для участников.

Что такое Mesh-сети и почему они так эффективны?

Меш – сетями можно назвать такую технологию, в которой существует несколько отдельных источников сигнала, но все они работают слаженно, одновременно и вместе. Основная суть – наличие ряда небольших маршрутизаторов, называемых «узлами», которые соединяются для пересылки трафика между собой, решая проблему плохого соединения узлов. Их основная роль – передача информации и сведений, связь приборов друг с другом, организация целостного «сообщества». Такие соединения ещё называют ячеистой сетью.

Если вы подключились к Wi-Fi на большой территории, например в школе, торговом центре или больнице, то, скорее всего, вы использовали именно ячеистую сеть. По сути, она может покрывать большую площадь. Устойчивое соединение создаётся системой Wi-Fi-станций, которые работают вместе, легко переключают ваше приспособление с одной станции на другую, обеспечивая стабильно хорошее покрытие и скорость интернета.

Mesh-сети отличаются от обычных централизованных сетей тем, что в них все узлы равны, что означает, что каждый узел одновременно является провайдером, маршрутизатором и мостом. Как только оборудование включается (начинает работать по созданному сценарию), поддержка связи осуществляется в автоматическом режиме. Внутри сети осуществляется:

• Самостоятельная настройка.
• Поиск оптимального маршрута для получения устойчивого соединения.
• Подключение к незадействованным участкам.

Дополнительного программного обеспечения или сложных компьютерных программ, приложений и оборудования не потребуется. Пользователь, выбравший современный вариант сетевого соединения, получает:

• Связь со стабильной и быстрой работой.
• Устойчивость соединения. Наличие нескольких устройств в сети означает, что отказ одного из них не вызывает разрыва в работе.
• Независимость работоспособности от обрывов интернета.
• Доступную стоимость.
• Лёгкую настройку функций.
• Высокую пропускную способность. Несколько устройств отправляют и получают данные одновременно.
• Возможность настройки гостевых сетей.

Такая слаженная работа делает Mesh-сети более эффективными перед другими протоколами передачи данных.

Сетевые устройства ZigBee

Сеть содержит три разных типа приборов: координатор, маршрутизаторы и конечные устройства. Хотя все узлы могут отправлять и получать данные, каждый из них играет свою роль.

Координатор – является главным элементом и находится в центре создаваемой сети. Сетевой координатор – это приспособление, которое настраивает соединение, знает обо всех узлах в своей зоне работы и управляет как информацией о каждом узле, так и информацией, которая передаётся и принимается в сети. Элемент выполняет функции формирования сети:

• выбирает наиболее подходящий канал с минимальным количеством помех;
• назначает уникальный идентификатор сети;
• назначает уникальный адрес каждому элементу и прибору;
• передаёт сообщения внутри.

Маршрутизатор (шлюз) – этот промежуточный узел используется для маршрутизации пакетов сообщений между различными узлами. Он находится между координатором и конечными устройствами. Шлюз получает сообщения от координатора и затем хранит их до тех пор, пока конечные устройства, не смогут их принять.

Конечное устройство – это классические модули умного дома, например, различные датчики или переключатели, который подключается к сети с помощью координатора или роутера. Они не участвует в маршрутизации трафика. Работают в режиме низкого потребления электрической энергии с питанием от батарей. Конечные устройства часто переходят в спящий режим (резервный узел), что позволяет экономить электрическую энергию. Это означает, что фиксирующий температуру датчик сообщают её только по запросу пользователя, будучи активированным в этот момент времени, в остальное время он «спит».

Типы сетей

Работа протокола выстраивается в зависимости от типа соединения. Существует три основных вида расположения различных элементов: звезда, сетка и дерево.

Звезда – это самый простой и наименее затратный тип реализации. Он не включает маршрутизатор, а все конечные устройства напрямую связываются с координатором.

Сетка – тут координатор подключается к ближайшим маршрутизаторам, а они подключаются к другим ближайшим к ним маршрутизаторам. Таким образом, каждый узел с маршрутизатором подключён к соседнему узлу, за исключением конечных устройств. Когда один модуль хочет связаться с другим, сообщение переходит от одного к другому по кратчайшему пути, пока не достигнет места назначения. Если конкретный узел выйдет из строя, сеть продолжит функционировать, поскольку сообщение можно просто перенаправить, выбрав другой путь. Это называется «процессом самовосстановления». Такая ячеистая сетка хорошо подходит для умных домов, где много конечных устройств.

Дерево – очень похожа на ячеистую, с той лишь разницей, что маршрутизаторы не связываются друг с другом, а обмениваются данными только с координатором и конечными устройствами. Координатор подключается ко всем ближайшим маршрутизаторам, а они подключаются к ближайшим конечным устройствам, обычно сгруппированы вокруг каждого маршрутизатора.

Применение технологии

Высокие технологии являются незаменимыми в повседневной жизни современного человека. Беспроводные протоколы значительно расширяют возможности, ускоряют обмен информацией и стирают границы.

Зигби – надёжное решение, которое применяется в следующих сферах:

1. Обустройство технологического пространства умных домов. Идеально подходит для домашней автоматизации: включает освещение, удалённо управляет бытовой техникой, системой отопления, работой защитным оборудованием и т. д.
2. Автоматизация зданий и промышленных строений. В обрабатывающей промышленности и производстве, канал связи постоянно контролирует различные параметры и критически важное оборудование. Следовательно, значительно снижаются затраты на связь, а также оптимизируется процесс управления для большей надёжности.
3. Сбор медицинских данных. Эта технология используется для наблюдения за пациентами на дому, где сбор медицинских данных имеет решающее значение. В этой системе пациент носит прибор ZigBee, которое собирает информацию, такую как частота пульса, температура тела, артериальное давление и т. д.
4. Интеллектуальная дымовая сигнализация. Система состоит из модуля обнаружения дыма, модуля беспроводной связи, сбора данных и интеллектуального модуля идентификации, который различает типы дыма, то есть дым, возникающий при приготовлении пищи, от случайного возгорания, туманный воздух и т. д.
5. Мониторинг беспроводных сенсорных сетей. Интеллектуальная сетевая система беспроводных датчиков помогает собирать информацию и контролировать качество воздуха, погодные условия, движение, обнаружение неисправностей и т. д.

Скорость работы, надёжность, безопасность, защита от несанкционированного доступа и возможности самостоятельного восстановления работоспособности после обрыва интернет — соединения – всё это позволяет протоколу поддерживать различные приложения.

Протокол ZigBee в системе умный дом

Синхронизировать все лучшие устройства умного дома непросто, и для этого требуется общий язык, чтобы объединить множество технологий от разных производителей. Именно здесь на помощь приходит Зигби — это один из ведущих протоколов, который помогает концентраторам умного дома управлять технологиями в вашем доме. ZigBee создаёт сетку, в которой каждое совместимое устройство становится своего рода форпостом, способным связываться со следующим.

ZigBee — один из самых популярных протоколов связи, который позволяет различным устройствам умного дома от разных производителей работать друг с другом. Его используют ведущие мировые производители, среди которых Xiaomi, Aqara.

При выборе компонентов для умного дома большое внимание уделят маршрутизатору. Шлюз выбирается с учётом версии программного обеспечения. У 90% новые приборы, выпускаемые сторонними производителями, рассчитаны на интерфейс связи ZigBee 3.0. Он позволяет добавить датчики, которые работают на версии протокола 2.0, что помогает совершенствовать уже имеющийся умный дом или обустраивать новый с меньшими финансовыми затратами. Не стоит забывать и о том, что многие конечные приборы сторонних производителей, сегодня выпускаются с возможностью обмена информацией с применением технологии Bluetooth и соответствующим интерфейсом. Поэтому наличие поддержки шлюзом блютуз соединения будет полезным.

Благодаря широкому распространению и вхождению во многие известные и хорошо принятые экосистемы, ZigBee зарекомендовал себя на рынке растущей отрасли умного дома.

Технические характеристики

Протокол ZigBee создан для надёжного, высокоуровневого и безопасного взаимодействия с объектами передачи информации. Данные передаются по специальному радиоканалу. Функционировать без сбоев позволяет частота 2,4 ГГц. Оборудование отвечает практически мгновенно. Период активации и скорость передачи информации от устройства к устройству занимает доли секунды. Учитывается дальность действия сигнала при установки комплектов и приборов умного дома. Приложения на основе Зигби создаются для разных сфер: коммерческая ниша, игрушки, телевидение, медицина, образование. Используют протоколы технологические пространства (жилые, офисные, производственные). Оптимальный радиус действия составляет до 20 метров. Именно поэтому важно производить предварительные расчёты, чтобы знать, сколько комплектов узлов устанавливать на определённой площади.

В следующей таблице приведены ключевые технические факты для протокола связи.

ZigBee устройства и производители

Устройства на этом протоколе применяют для обустройства умного дома, торговых и производственных помещений. Они экономичные – не требуют значительных затрат электроэнергии для стабильной работы. Срок эксплуатации составляет в среднем 3-4 года при постоянных нагрузках.

При поддержке некоторых из крупнейших мировых компаний, включая Philips, Nest, Samsung, Texas, Siemens и Whirlpool, технология нового протокола в настоящее время встроена в миллионы умных домашних приборов по всему миру. Недавно такие компании, как Amazon, Apple и Google, начали интегрировать ZigBee в свои умные колонки и умные экраны!

В настоящее время альянс насчитывает более 500 членов, и вместе они произвели более 2500 отдельных продуктов, которые работают с ZigBee.

Вот некоторые бренды и модули, на которые стоит обратить внимание:

• Выключатель сенсорный – производитель LIVOLO.
• Датчик температуры– Konke, Aqara, Xiaomi.
• Умная розетка под протоколом зигби–Xiaomi.
• Реле в подрозетник- Xiaomi.
• Диммер- Xiaomi.
• Термостат– IKEA,Sonoff.
• Датчик движения — Konke, Aqara, Xiaomi.
• Датчик дыма — Konke, Aqara, Xiaomi.
• Датчик протечки воды — Konke, Aqara, Xiaomi.
• Датчик влажности почвы — Konke, Aqara, Xiaomi.
• Лампочка–Xiaomi, IKEA,Philips.
• Камера– Xiaomi, Philips.
• Счетчик воды– Xiaomi, Philips.
• Увлажнитель воздуха– Xiaomi.

С помощью технологии ZigBee становится простым любое взаимодействие с устройствами и приборами. Например, управление кондиционером производится за 1-2 секунды голосом. Не сложно взаимодействовать и с различными бытовыми приборами, среди которых робот-пылесос, мультиварки, чайники, посудомоечные машины и кофеварки. По технологии ячеистого соединения ZigBee может работать термоголовка в датчиках или люстра, в комнате – управление работой этих элементов подчиняется сценарию, созданному пользователем.

Преимущества и недостатки технологии

ZigBee – практичное решение для организации технологичного и современного пространства. Специалисты выделяют ряд плюсов и минусов, которые нужно учитывать во время выбора протокола. Среди преимуществ:

• Самовосстанавливающая структура Mesh-сети – если не работает один продукт, другие могут продолжать общаться без проблем.
• Низкое энергопотребление — потребляет всего 0,05 Вт-секунды на передачу данных.
• Более низкая стоимость продуктов, поскольку это протокол с открытым исходным кодом.
• Может поддерживать большую структуру — до 65000 устройств в одной сети.
• Обеспечивает быструю передачу.
• Множество устройств на выбор — 2500 сертифицированных продуктов.
• Оборудование управляется в локальной сети, поэтому Интернет не требуется.
• Сеть является масштабируемой, и в неё легко добавить или удалить конечное устройство.
• Легче управлять домашними приборами и контролировать их одним нажатием кнопки.
• Различные программы и приложения поддерживают стандарт.
• Много сторонних разработчиков сотрудничают с ZigBee.
• Настроить сеть очень просто и легко.
• Нагрузки равномерно распределяются по сети, поскольку в ней нет центрального контроллера.
• Доступна работа модулей от батарейки.
• Надёжная защита передаваемых сведений.

Недостатки технологии:

• Нет единой платформы для разработки сложных приложений.
• Большая часть трафика тратиться на передачу поступающих пакетов информации.
• Скорость передачи средняя или низкая. Отмечается, что полезная скорость в большинстве случаев составляет всего 28-35 кбит/с.
• Радиус действия ограничен 10-20 метрами.

Отличия ZigBee от других протоколов

Основным отличием Зигби является ячеистая сетка, напоминающая способом работы пчелиные соты (название протокола отсылает именно к этой особенности). Созданная сеть Mesh предполагает, что все устройства подключаются и создают единое пространство, параллельно общаются между собой. Если происходит обрыв интернет-соединения или один из приборов отключается, все остальные продолжают функционировать. Тем самым работоспособность умного дома, обучающей площадки или промышленного производства сохраняется. ZigBee использует стабильный, постоянный метод соединения. Если сравнивать его с другими протоколами, то можно выделить его направленность на создание домашнего (частного) соединения, которое отличается простотой настройки, отсутствием сложной технической информации и долгих настроек.

Почему ZigBee лучше WiFi?

Выбирая протоколы беспроводной связи, нужно учитывать, что ZigBee работает стабильнее и в некоторых случаях быстрее. Стандартный протокол wifi является самым распространённым в современном технологическом мире. Именно поэтому часто наблюдается перегруз и обрывы в работе подключённых приборов. В случае подключения приборов умного дома для их работы требуется роутер. Безопасность передаваемой информации и пакетов данных не всегда на должном уровне. Для того чтобы обеспечить полноценную защиту потребуется надёжный пароль. Несмотря на высокую пропускную способность, потребление электроэнергии больше, чем в протоколе ZigBee в 2-3 раза. Дополнительно присутствует необходимость в больших вычислительных ресурсах. Требуются они для эффективного обслуживания поступающих протоколов. Wi-Fi соединяет все узлы в одной точке и образует топологию Звезда. Если центральный элемент выйдет из строя, то выключатся все компоненты. В случае с ZigBee отключение одной из ячеек не приведёт к остановке всей сети.

ZigBee основана на стандарте, доступном для общего назначения. Ещё он предназначался для работы с маломощными приборами и датчиками. Для постоянного использования этот протокол лучше стандартного wifi. Дополнительное превосходство – быстрое переключение к источникам интернета и способность к самовосстановлению.

В чем разница между ZigBee и Bluetooth?

Стандарт Bluetooth предназначен для организации персональной сети. Значительного расхода электрической энергии не требуется. В Зигби, сеть не зависит от скорости интернета, но требует, чтобы одно из устройств выступало в качестве моста. Протокол открытый, что является ещё одним различием между протоколами. Bluetooth имеет высокий радиус действия, ZigBee – ограниченный. Скорость передачи данных в первом случае быстрая, во втором достаточно медленная. Если рассматривать отличия, то протокол Bluetooth имеет:

• 79 каналов – конкурент 16.
• Покрытие радиосигнала 10 метров, против 100 у ZigBee.
• Показатели мощности 4 дБм – у ZigBee 18 дБм.

Кому стоит выбрать ZigBee?

Этот протокол идеально подходит для домовладельцев и арендаторов, так как позволяет настроить практически любое электрическое оборудование в вашем доме. Он также отлично подходит в качестве основного протокола для интеллектуальных датчиков для обнаружения движения, температуры, яркости. С ZigBee у потребителей есть шанс взять на себя ответственность за своё потребление. Например, использование умных продуктов, которые позволяют управлять мощностью, а также потреблением воды, может помочь сэкономить приличную сумму денег!

Точно так же коммунальные предприятия могут использовать ZigBee в интеллектуальных счётчиках для контроля, информирования, автоматизации и мониторинга потребления воды и энергии. Эти интеллектуальные счётчики могут затем предоставить потребителям информацию, которая им необходима, чтобы сократить потери энергии и, в свою очередь, сэкономить деньги.

Продукты на основе ZigBee могут улучшить процесс покупок, обеспечивая помощь в магазине в определение местоположения товаров, а также более быструю проверку наличия товара на складе, что делает их отличным решением для розничных продавцов.

Вывод, почему лучше использовать ZigBee

Рассмотрев все преимущества и недостатки Зигби, можно сделать вывод о том, что для организации пространства умного дома этот протокол наиболее оптимален. Причина – надёжность соединения, минимальная вероятность обрыва. Благодаря этому все системы и датчики, приборы и модули работают и не отключаются даже в случае сбоя в одном из звеньев созданной цепи. С Зигби сотрудничают различные компании, так как процедура сертификации легче и проще. Благодаря этому у потенциального пользователя не возникнет проблем со сбором комплектации для обустройства умного дома. Нет необходимости ограничиваться стандартными вариантами или подбирать приборы от одного производителя.