Что такое ZigBee устройства протокол скорость технология

Что такое ZigBee: устройства, протокол, скорость, технология

Надпись «Zigbee» можно заметить на гаджетах, которые ориентированы для формирования систем «Умный дом», но мало кто понимает, что это такое. Интересна история создания этой технологии и принципы её работы.

Самоорганизующиеся сети (ad-hoc) создавались ещё с 1998 года, в 2004 разработчики основали альянс, который получил название Zigbee. Что это такое мир узнал в том же году – опубликована первая спецификация. Ещё через 12 месяцев появилась ZigBee 2004. А в 2007 году завершена и опубликована первая базовая редакция ZigBee — Pro Feature Set, действующая до сих пор. В состав альянса входит несколько сотен IT-фирм, разбросанных по разным странам.

Что такое сети Zigbee

«Зигби» называют спецификацию беспроводных сетевых протоколов на основе стандарта 802.15. Сформированные сети не отличаются высокой скоростью передачи информации, но считаются безопасными и надёжными.

Особенности Zigbee, которые выводят спецификацию на лидирующие позиции в области IT-сетей:

  • незначительное потребление электричества;
  • поддержка нескольких топологий: элементарных ( «точка-тока», «дерево», «звезда»), сложных ячеистых;
  • допускается использование одного из нескольких алгоритмов маршрутизации;
  • безопасность – проработанный механизм даёт возможность нивелировать угрозы.

Технология Zigbee позволяет быстро развернуть сеть, настройка и совершенствование не вызовут никаких трудностей. Структура состоит из трех звений:

  • координатора – отвечает за запуск и управление сетью, а также занимается установками политики безопасности;
  • маршрутизатора – устанавливает пути для передачи пакетов в пределах сетки, если нужно — изменяет их;
  • конечного устройства – получатель и отправитель данных. Подключён только к координатору или маршрутизатору, при бездействии может уходить в режим «Sleep», что способствует экономии энергии.

Главный создатель «Зигби» – альянс ZigBee, был основан в 2002 году. По состоянию на 2019 год в него входят не менее 300 организаций. Цель IT-альянса заключается в разработке эффективных протоколов беспроводной сети, обеспечение совместимости аппаратуры разных фирм. Первые разработки появились в 2003 году, постоянно модернизировались и дополнялись.

Протоколы

Сетевой протокол Zigbee основан на AODV (принцип динамической маршрутизации) и NeuRFon (нужны для построения беспроводных сетей без центра, образованных случайными пользователями).

До 2019 года разработано три спецификации Zigbee:

  • Zigbee PRO – стандарт надёжной связи
  • Zigbee RF4CE – совместная разработка двух альянсов (нужна для управления аудио и видеоустройствами);
  • Zigbee IP – открытая спецификация на базе IPv6 для развёртывания беспроводных Mesh-сеток.

Стандартизация IEEE 802.15.4 определяет физический, а также MAC сетевые уровни, а сама спецификация ZigBee назначает сетевой уровень и уровни пользовательских приложений.

Главное преимущество протоколов «Зигби» характеризуется способностью корректно управлять «спящими» устройствами, что на порядок уменьшает энергопотребление. Скорость же вывода из режима «Sleep» выше, чем у конкурентов. При возникновении помех на канале связи аппараты автоматически переходят на другой – «чистый». Новые механизмы безопасности делают связь надёжной.

Происхождение термина ZigBee

Наименование Zigbee связано с танцами, в которых участвуют пчёлы-сборщики нектара, вернувшиеся в улей. Таким образом насекомые сообщают «коллегам» о локациях, где можно отыскать пищу.

ZigBee RF4CE

3 марта 2009 представители концерна RF4CE (который занимается радиочастотами для бытовых электронных устройств) подписали соглашение с руководителями альянса «Зигби». Цель сотрудничества — совместная разработка единых спецификаций, которые будут ориентированы на дистанционное управление с применением радиосигналов. В результате появился ZigBee RF4CE – для использования в управляемой на расстоянии аудио или видеопродукции: TV, игровых приставках и других аппаратах. Пользователь получил преимущества, которых не было в существовавших до этого IT-решениях для дистанционного управления: надежную работу сетей, гибкость, совместимость между аппаратами, уход от ограничения прямой видимости.

Программное и аппаратное обеспечение

Программы, разработанные для функционирования с использованием технологии «Зигби» отличаются поддержкой недорогих микросхем с малым энергопотреблением, это нужно для уменьшения стоимости конечных продуктов. Устройства перед запуском в серию проходят сложные испытания в IT-лабораториях, сертифицированных альянсом. В результате пользователь получает недорогие аппараты, которые долго и корректно работают в автономном режиме и при этом не теряя связь с владельцем.

Особенности лицензирования

Чтобы коммерческая организация могла использовать разработки Zigbee, она должна стать членом альянса. Других ограничений на применение спецификаций нет. Однако ежегодно возникают спорные ситуации, связанные с оплатой лицензии GNU. Это вызвано конфликтами с иными международными соглашениями, касающимися свободного ПО.

Где применяется

Zigbee разрабатывалась с целью создания простых и надёжных беспроводных сетей для применения в бизнесе, медицине, образовании.

Отличия ZigBee от Wi-Fi и Bluetooth

Существенное отличие Zigbee от Wi-Fi и Bluetooth – это применение ячеистой топологии. Пример: если ПК теряет связь с роутером, владелец не сможет отправить на него данные с мобильного устройства. Технология Wi-Fi не даёт права участникам напрямую соединяться друг с другом в пределах сети, связь возможна через главный узел – роутер.

Благодаря же технологии с ячейками, при обрыве одного соединения, появится новый маршрут, и информация отправится до адресата по обходному пути. Это происходит по следующей причине: между сетевыми точками налажен прямой коннект, который не зависит от главного узла. Такое децентрализованное устройство сети надежнее и применяется в Интернете.

Технология «Умный дом» и ZigBee

Изначально технология создавалась для коммерческого применения – промышленных, медицинских организаций. Но впоследствии стало популярным внедрение Zigbee в технологию «Умный дом». В этой сфере у «Зигби» был конкурент – Z-Wave, но из-за закрытости этого протокола большинство производителей стало использовать вновь созданный протокол. Открытая спецификация даёт возможность разработчикам создавать программное обеспечение для собственных устройств без каких либо ограничений.

Zigbee-устройства стоят меньше, чем те, которые базируются на Z-Wave. Пользователям доступны: лампы, розетки, кондиционеры, бытовые и специальные датчики. Но важно понимать, что использование одного протокола передачи данных не всегда позволяет «подружить» друг с другом девайсы нескольких разных фирм. Совместимость конкретных продуктов уточняют заранее.

Хабы для бытовых решений «Умный дом». ZigBee мост

Сетевой мост – это диспетчер в Zigbee-сети, и в отличие от иных девайсов (касается, к примеру, датчиков для открытия дверей, снабжённых источниками питания, и подобных им аппаратов) он постоянно должен получать электропитание, иначе работа всей зигби-сети будет нарушена. Чтобы обеспечить коннект с домашней сеткой и интернетом, хаб присоединяется с помощью стандартного кабеля из витой пары к Wi-Fi роутеру (это самый надёжный способ).

Аппарат будет функционировать как мост между подключёнными к «Умному дому» и интернету девайсами. Пользователь сможет из произвольной точки земного шара подключаться к Home-сети, проверять состояние и отдавать указания всем присоединённым аппаратам. Для коннекта с умным домом доступно мобильное приложение, трансляция команд также возможна с использованием голосового помощника.

Применение Siri, Google Ассистент, Alexa

Опция дистанционного устного управления умным домом через голосовых помощников: Apple Siri, Amazon Alexa, Google Ассистент – стандартная функция для 2019 года. Но для обеспечения совместимости с конкретными «помощниками» нужно выбирать устройства с указанными логотипами:

  • Siri (что такое Siri) – «Works with Apple HomeKit»;
  • Андроид – «Works with the Google Assistant»;
  • Алекса – «Works with Amazon Alexa».

Эти надписи свидетельствуют о том, что продуктом управляют при помощи соответствующих сервисов. Ряд гаджетов поддерживают работу со всеми помощниками, а некоторые – только с одним.

О государственном регулировании

Большинство стран не вводили ограничений на использование протоколов беспроводной связи. Сеть, организованная по этой сертификации, не способна помешать передаче других сигналов или вызвать иные проблемы.

ZigBee на планете

Технология используется в Европе, России и Азии. Компании, применяющие Zigbee:

  • Samsung;
  • Logitech;
  • Amazon;
  • Xiaomi;
  • Philips;
  • IKEA;
  • LG.

А также ряд иных производителей.

ZigBee в России. Есть ли ограничения

Применение сетей ZigBee в пределах РФ на частотах 2400-2483,5 МГц не потребует специальной регистрации или согласований. Правовое основание – документ ГКРЧ при Мининформсвязи РФ No 07-20-03-001. Хотя в бумагу постоянно вносятся изменения, по состоянию на 2019 год ограничений на использование технологии «Зигби» нет.

Zigbee – это безопасный и открытый стандарт для создания беспроводных сетей, который помогает управлять электронными устройствами в быту, на производстве, в иных сферах деятельности. Скорость Zigbee не считается главным недостатком, поскольку главное назначение сети не передача больших объёмов информации, а управление другими устройствами. За последние годы число пользователей в Евразии, которые начали применять стандарт стремительно выросло. Но в США по-прежнему предпочитают Z-Wave, хотя знают, что такое Zigbee.

Читайте также:  5 Best VPNs for WiFi Hotspots in 2021 How to stay secure on public WiFi

Источник

Проверка дальности беспроводной связи ZigBee модулей от MaxStream в условиях загородного коттеджа

Тесты проводились с использованием стандартного набора для разработчиков XB24-DKS от Digi (ранее MaxStream).

Основные технические параметры используемых ZigBee модулей:

  • Выходная мощность: 1 мВт (+0 дБм).
  • Чувствительность: –92 дБм.
  • Версия программного обеспечения ПО X-CTU: 5.1.0.0.

Для удобства закрепления беспроводных ZigBee модулей в нужном месте помещения комплект оборудования (рис. 1) был дополнен двумя штативами. Во время проведения эксперимента использовались параметры передачи данных, установленные в ПО по умолчанию: скорость передачи данных — 9600 бит/с, размер пакета данных — 32 байта.

Комплект оборудования, с помощью которого проводились измерения

Выбор именно этого набора обусловлен, в первую очередь, его доступностью, как физической, так и в смысле стоимости, а также простотой использования. Работать с ним можно уже через 5 минут после вскрытия упаковки. Достаточно установить ПО на компьютер и подключить к нему ZigBee модули. Кроме того, компоненты этого набора обладают всеми базовыми возможностями технологии ZigBee. Поэтому все результаты, полученные с использованием набора XB24-DKS, справедливы и для ZigBee модулей более поздних версий.

Цель проведения экспериментов — оценка возможностей передачи данных модулями ZigBee в условиях реального загородного коттеджа. Для получения объективных данных тесты проводились в трех разных строениях. Связано это с тем, что коттеджи, как правило, не имеют стандартных планировок, если только это не элитный коттеджный поселок, где набор возможных планировок заранее определен. Кроме того, при строительстве и отделке таких строений используются более разнообразные материалы, чем, например, при строительстве многоквартирного дома.

Беспроводная связь. Результаты тестов, проведенных в коттедже № 1

Именно поэтому эксперименты на дальность беспроводной связи проводились в трех различных строениях. На рис. 2 представлен подробный план помещения с указанием точек размещения модулей и расстояния между базовым и удаленными модулями ZigBee.

План коттеджа № 1

Условные обозначения (те же обозначения используются и в дальнейших тестах):

  • Bх: Base, базовое устройство; х — порядковый номер базы.
  • Rxy: Remote, переносной ZigBee модуль; х — номер базы, с которой данный модуль взаимодействует; у — порядковый номер точки размещения переносного модуля (свой для каждого х).
  • Рядом с каждой из точек размещения переносного модуля указано расстояние (в метрах) до базы.

Помещение строения No.1 представляет собой обычное жилое помещение, но с минимальным количеством предметов мебели и различных аксессуаров. При строительстве использовалось только дерево. Основные помехи, которые в данном случае оказывали некоторое влияние на беспроводную связь, — это стены толщиной 0,15 м. Конструкция такой стены представляет собой каркас, обитый с двух сторон деревянной вагонкой, а внутри заполненный стекловолоконным утеплителем (рис. 3). Такая конструкция наиболее характерна для дачных коттеджей, которые используются для проживания в летний период.

Фрагмент стены в помещении № 1 в разрезе

При анализе результатов таблицы ясно, что все имеющиеся помехи не создают для устройств ZigBee существенных проблем. Беспроводная связь будет устойчивой при размещении переносного устройства в любой из точек строения. Более того, здесь не нужно устанавливать маршрутизаторы ZigBee.

Однако стоит отметить, что некоторое влияние на беспроводную связь между устройствами оказывает положение нижней двери. Зависимость параметра RSSI от положения двери показана на рис. 4. Такой результат объясняется тем, что дверь в данном случае исполняет роль отражателя. И в зависимости от ее положения может изменяться уровень сигнала. Но, так или иначе, вреда беспроводной связи между устройствами ZigBee это не наносит.

Влияние угла открытия двери на уровень сигнала

Следующие два случая более интересны с практической точки зрения, и для них мы построим схему областей приема сигнала на разном удалении от базы.

Второе помещение представляет собой первый этаж самого большого загородного коттеджа из тех, в которых проводилась проверка дальности связи беспроводных устройств ZigBee. Как видно, помещение имеет довольно сложную конфигурацию. Кроме того, при строительстве этого коттеджа использовалось не только дерево, но и кирпич. Так же в некоторых местах стоят перегородки толщиной 0,15 м, с внешней стороны отделанные деревянной вагонкой, а внутри заполненные стекловолоконным утеплителем. Вообще, это не совсем типично для загородного коттеджа. Однако выбран этот дом был неслучайно. Такая сложная структура помещений и разнообразие использованных при строительстве и отделке материалов позволяют в достаточной степени объективно взглянуть на возможности ZigBee в условиях даже такого строения.

План коттеджа № 2

Беспроводная связь. Результаты тестов, проведенных в коттедже № 2

Как видно, практически во всех случаях связь между беспроводными устройствами стабильна и потери пакетов данных отсутствуют. Также следует отметить, что непосредственно во время проведения экспериментов по помещению перемещались люди. Кроме того, в непосредственной близости (до 2 м) от базового устройства работало в активном режиме Bluetooth-устройство (осуществлялась передача данных между КПК и ноутбуком, к которому было подключено базовое устройство).

Однако в двух случаях (база № 3, точки 4 и 6) небольшие потери все же наблюдаются. В точке 4 было потеряно 0,6% пакетов. При этом пропадало не более одного пакета подряд. На практике такая ситуация не приведет к обрыву беспроводной связи, а вызовет лишь кратковременную задержку. Кроме того, как видно на плане помещения, базу и удаленное устройство в точке 4 разделяют две кирпичные стенки и расстояние почти 5 м. С внутренней стороны эти две кирпичные стенки облицованы керамической плиткой, под которой проложена электропроводка и металлические трубы (водопровод). В итоге мы имеем неплохой экран.

Беспроводная связь. Результаты тестов, проведенных в коттедже № 3

Если есть необходимость полностью исключить потери данных, то можно воспользоваться либо антенной с большим коэффициентом усиления (напомним, что в данном случае используется штатная штыревая антенна), либо установить дополнительный маршрутизатор на пути между базой и удаленным устройством. Все зависит от специфики системы, в основе которой лежит технология ZigBee. В большинстве случаев стремиться к полному исключению потерь не имеет смысла.

В точке 6 было отмечено 0,2% потерь, хотя кирпичная стена, разделяющая базу и удаленное устройство, толще (0,3 м + отделка деревянной вагонкой с обеих сторон), и расстояние между устройствами в два раза больше. Меньший процент потерь объясняется тем, что стена в данном случае одна, а значит, и переотражений сигнала меньше, чем в точке 4.

Проверка беспроводной связи с базой №3 проводилась дважды (второй проход — ячейки таблицы, отмеченные знаком*). Первый и второй эксперименты отличаются тем, что во втором случае рядом с базовым устройством B3 (

1 м) была включена микроволновая печь. Как показала практика, на качество беспроводной связи между устройствами ZigBee это никак не влияет.

Чтобы полностью оценить возможности ZigBee в строении № 2, представим схему областей уровня сигнала (рис. 6). Для этого достаточно измерить уровень сигнала в относительно большом числе точек и нанести их на план строения (в нашем случае таких точек 30). Рядом с каждой из точек размещения переносного ZigBee модуля указано значение параметра RSSI (дБм).

Области уровня сигнала в коттедже № 2

Переходим к третьему, и последнему строению, в котором проводились тесты на дальность связи беспроводных ZigBee модулей ZigBee. Его подробный план представлен на рис. 7.

План коттеджа № 3

Он имеет конструкцию, которая наиболее типична для больших коттеджных поселков. Кроме того, широкое распространение имеют и материалы, использованные при строительстве данного коттеджа. Как видно на плане, строение имеет два типа стен. Несущие стены толщиной 0,4 м и перегородочные толщиной 0,15 м выполнены из бетонных блоков (стенных и перегородочных соответственно) приблизительно одной плотности. Разница между блоками только в размере. Перекрытия между этажами — железобетонные плиты. В строение 3 этажа.

Изначально не планировалось измерять качество связи между беспроводными устройствами при расположении их на разных этажах. Однако стоит отметить, что при наличии между устройствами одного железобетонного перекрытия (модули располагаются на соседних этажах) беспроводная связь устойчива и потери пакетов данных отсутствуют (расстояние между устройствами 4 м, RSSI = –71 дБм, PL = 0). А вот при расположении ZigBee модулей через этаж (здесь на пути между устройствами стоят два железобетонных перекрытия) теряется 100% пакетов данных, и, соответственно, связь между устройствами отсутствует.

Поэтому, чтобы повысить надежность сети в строении с железобетонными перекрытиями, имеет смысл располагать между этажами (например, в лестничном проеме) дополнительный маршрутизатор, это обеспечит беспрепятственное прохождение данных между сегментами сети ZigBee, расположенными на разных этажах строения. Также можно применить ZigBee модули повышенной мощности. Что же касается данного строения, можно сказать, что и здесь ZigBee вполне справляется с передачей данных без потерь. Судя по таблице результатов измерений, при размещении удаленного устройства в любой из представленных точек помещения потери сигнала полностью отсутствуют (даже при условии, что базовое устройство находится далеко не в центре помещения). Области приема сигнала на различном удалении от базового устройства показаны на рис. 8.

Читайте также:  Лучшие забавные имена WiFi для вашей домашней беспроводной сети

Области уровня сигнала в коттедже № 3

Очевидно, что в коттеджах с деревянными перекрытиями передача данных между этажами будет осуществляться гораздо лучше (аналогичный вывод можно сделать, глядя на результаты тестов, проведенные в первых двух коттеджах).

Выводы

Как показали тесты дальности беспроводной связи, проведенные в реальных условиях, беспроводные модули ZigBee отлично справляются с передачей данных внутри различных помещений. Это позиционирует технологию ZigBee как недорогую и надежную основу беспроводных систем для загородных домов с разными архитектурными и инженерными решениями.

Источник

Выбор протокола для Умного Дома. Wi-Fi, Bluetooth, ZigBee или Z-Wave

«Умный дом», «Интеллектуальный офис», «Смарт-автомобиль», «Интернет вещей» – все эти названия говорят о том, что неодушевленное окружение человека становится все «умнее», функциональнее. Среди главных достоинств этих технологий – возможности дистанционного контроля состояния и управления, причем, вне зависимости от местоположения хозяина и его удаленности.

blank

К сожалению, создатели экосистем и разработчики устройств пока так и не наши единого подхода к проблеме обмена данными в системах, «общего языка», на котором ее компоненты будут общаться между собой и с человеком.

В результате актуальным становится вопрос – что выбрать: Wi-Fi, Bluetooth, ZigBee или Z-Wave, какой технологии отдать предпочтение в системе «Умного дома» и аналогичных.

Критерии сравнения

blank

Стандарт, который станет основой для автоматизации в доме, должен быть выбран еще до того, как начнется построение системы, до появления в ее составе первой пары устройств. Не вызывает сомнений единственный факт – сеть должна быть беспроводной.

Остальное – достоинства и недостатки Zigbee, Z-Wave, Wi-Fi, Bluetooth, особенности технологий и архитектуры, предложение устройств, требуют тщательного анализа. Не последнюю роль играет правильный выбор критериев сравнения.

Энергоэффективность, потребление энергии аккумулятора

blank

Энергопотребление – один из главных параметров, на который следует ориентироваться при выборе технологии. Это обусловлено:

  • Стремлением к миниатюризации входящих в систему устройств. Пока нет технологий, позволяющих встроить в миниатюрные девайсы соответствующие по габаритам источники с огромной энергоемкостью, снижение потребления останется в приоритете.
  • Требуемым сроком автономной работы. Далеко не все компоненты могут быть постоянно подключены к питающей сети. Некоторым такое подключение противопоказано с точки зрения безопасности для человека, для других периодическая зарядка становится гарантией продления срока жизни батареи и увеличения долговечности девайса в целом. При этом система должна оставаться работоспособной и при дистанционном управлении, когда человек не имеет возможности (возможно, длительное время) решать вопросы с подзарядкой аккумуляторов гаджетов.

alt

Покрытие, топология сети и безопасность

blank

Среди главных требований к системе;

  1. надежная связь между любыми входящими в нее устройствами;
  2. обмен данными, отправка и исполнение команд без задержек;
  3. минимальное влияние помех на работу сети.

Выполнение первых двух напрямую зависит от радиуса действия передатчиков в составе девайсов и чувствительности приемников, топологии сети.

blank

На уровне организации эти требования можно сформулировать как:

  • Любой девайс должен находиться в зоне покрытия центрального элемента сети или ретрансляторов.
  • Пропускная способность каналов должна быть достаточной для обмена данными без задержек или маршруты передачи должны дублироваться.
  • Производительности центрального узла должно быть достаточно для обработки запросов десятков (сотен, тысяч) устройств сети или узлов, или узлов, выполняющих функции центрального, должно быть несколько.

Добиться такой реализации можно и в централизованных сетях, и в распределенных ячеистых (т.н. mesh-сетях).

Особенностями последних являются:

  1. Возможность любых двух «умных» устройств устанавливать связь непосредственно друг с другом.
  2. При необходимости работа любых соседних устройств в качестве ретрансляторов.
  3. Способность других узлов автоматически принять на себя функции центрального при выходе последнего из строя.

blank

alt

Выполнение запланированных и экстренных задач

Работа по расписанию – важная часть функционирования «умных» систем. Возможности включить кондиционер, нагреть воду или прекратить подачу газа в котел в заданный момент времени сегодня реализованы или в планах на реализацию в ближайшем будущем в большинстве устройств, выполненных по любой беспроводной технологии.

blank

Однако не менее важно, чтобы компоненты системы могли принимать и выполнять команды или генерировать их вне графика, в зависимости от обстоятельств. Наглядным примером служит включение системы пожаротушения при срабатывании датчиков температуры и задымления.

Совместимость

alt

В идеале любые устройства, включенные в сеть, должны поддерживать обмен данными внутри нее. Пока же ситуация требует особого контроля при выборе и технологии, и конкретных девайсов.

blank

Дело в том, что совместимость не обеспечивается не только для гаджетов, поддерживающих разные стандарты. Зачастую даже в рамках одного стандарта «умные» устройства не «понимают» друг друга.

Именно поэтому совместимость, о которой принципиально речь идти не должна, попадает в список основных критериев для сравнения.

Стандарты беспроводной связи для «умных» систем (Wi-Fi, Bluetooth, ZigBee, Z-Wave)

blank

Сегодня в решениях для домашней автоматизации (Home Automation) наблюдается настоящая война стандартов. Отдать предпочтение какому-либо достаточно сложно, поскольку у каждого из них есть свои сильные и слабые стороны.

blank

Wi-Fi может казаться самым очевидным решением для домашней автоматизации. Такую точку зрения поддерживает, прежде всего, его широкое распространение – по утверждениям консорциума Wi-Fi Alliance уже сегодня более 50% интернет-трафика приходится именно на долю Wi-Fi.

alt

Все дело в соотношении достоинств и недостатков стандарта.

BlueTooth LE (Low Energy)

blank

Исходный стандарт BlueTooth известен еще с 1994 г. Технология, изначально ориентированная на обмен данными между мобильными телефонами, сегодня стала одной из основных для связи между узлами и подключения периферийных устройств в локальных сетях. Однако даже после этого стандарт никак не подходил для организации сетей home automation.

Ситуация изменилась с появлением в 2010 г. BlueTooth Low Energy. Она разрабатывалась с прицелом на работу с компактными автономными устройствами, для многих из которых источниками служат малогабаритные маломощные батарейки.

Такое решение одной из основных проблем домашней автоматизации не могло не привлечь внимание разработчиков. Однако потенциал технологии до сих пор не получил реальной оценки, перспективы ее применения так и остаются неясными.

Источник



Протокол ZigBee в системах умного дома

Протокол ZigBee в системах умного дома—>

На упаковках устройств для умного дома можно встретить значок ZigBee. Этот стандарт передачи данных всё чаще используется производителями в системах smart-home наряду со «старым добрым» Wi-Fi. В чём его смысл?

Протокол ZigBee в системах умного дома

Что не так с Wi-Fi и Bluetooth

С одним Wi-Fi роутером можно наладить дома собственную систему автоматизации, подключив к нему энное количество устройств: контроллеры, датчики, камеры, замки. Но у протокола Wi-Fi есть недостаток: слишком большая энергоёмкость. Приборы, подсоединённые к сети, должны быть постоянно включены в розетку или иметь достаточный запас заряда батареи.

В этом плане привлекательнее другой протокол — Bluetooth: для него требуется минимум электричества. Но Bluetooth имеет свой минус: малую дальность действия. Технологию можно использовать только на ограниченной площади. В коттедже или большой квартире для полноценной работы устройств необходимы шлюзы.

Решение — ZigBee

Идеальная технология передачи данных для smart-home должна отвечать трём главным требованиям:

  • малая энергоёмкость;
  • широкий охват;
  • стабильность передачи сигнала.

Решением стало внедрение протокола ZigBee с ячеистой топологией Mesh. Разработка увидела свет в начале 2000-х годов.

Что такое Mesh

В Wi-Fi и Bluetooth сетях каждое устройство работает напрямую с центром (роутером) в пределах 20 метров. Технология Mesh позволила заметно расширить границы охвата благодаря тому, что каждое устройство взаимодействует не только с «базой», но и соседними узлами, и сигнал может передаваться по цепи на значительное расстояние. Если одно звено не способно передать данные из-за поломки, разрядки батареи или в связи с помехами, то система отправляет сигнал через другие узлы.

ZigBee: медленно, но верно

Протокол ZigBee существенно проигрывает Wi-Fi и Bluetooth по скорости передачи данных.

  • Wi-Fi: более 300 Мбит/с;
  • Bluetooth: до 3 Мбит/с;
  • ZigBee: 250 Кбит/с, по факту – 5-40 Кбит/с.

Этот недостаток не имеет ведущего значения в организации систем умного дома. Для подобных задач хватает небольшой скорости интернет-соединения, а на первый план выходят низкие затраты электричества, площадь охвата и надёжность.

ZigBee — такой же протокол, как Wi-Fi и Bluetooth, только имеющий узкую специализацию — интернет вещей и smart-home. Сейчас его применяют почти все крупные игроки рынка умной техники. Но хабы (ZigBee мосты) разных производителей часто несовместимы с устройствами «неродных» брендов. Это нужно учитывать, выбирая комплект оборудования для вашего умного дома.

Читайте также:  Почему плохо раздает интернет низкая скорость

Источник

Zigbee – что это такое

Кулешов ВячеславКулешов Вячеслав

Технология Zigbee – это технология беспроводного умного дома. За последние несколько лет спрос на устройства для умного дома резко возрос. Рынок, который когда-то называли «домашней автоматизацией» или «интернетом вещей», теперь остановился на «умном доме». Существует множество «умных» устройств, таких как: интеллектуальные термостаты, интеллектуальное освещение, различные датчики, пульты дистанционного управления и даже роботы-пылесосы. Новые устройства появляются каждую вторую неделю, и отследить их сложно.

Возможно, вы уже пользуетесь каким-то устройством. Наверняка, замечали, что не все устройства работают одинаково через одну и ту же беспроводную технологию. Это потому, что есть разные технологии, которые лучше работают с этими уникальными устройствами. Zigbee – одна из технологий умного дома.

Технические характеристики

zigbee что это такое

Открытый стандарт Зигби предназначен для приложений с низким уровнем передачи данных и энергопотреблением.

Теоретически это позволяет смешивать реализации разных производителей, но на практике продукты Zigbee расширены и настроены поставщиками и, таким образом, страдают от проблем совместимости.

В отличие от сетей Wi-Fi, используемых для подключения точек к высокоскоростным сетям, Zigbee поддерживает более низкие скорости и использует протокол ячеистой сети, чтобы избежать использования устройств-концентраторов и создать самовосстанавливающуюся архитектуру.

Итак, Zigbee что это такое?

Протокол Zigbee основан на спецификации 802.15 и создан для сетей управления и датчиков по беспроводному стандарту IEEE для беспроводных персональных сетей (WPAN). Сети работают на частотах 2,4 ГГц, 900 МГц и 868 МГц.

Zigbee устройства взаимодействуют между собой в экосистеме умного дома, использующих топологию ячеистой сети. Устройства находят активные девайсы в его окрестностях, инициируют связь без прерываний. Эффективность системы повышается с помощью связи D2D.

Скорость Zigbee – 250 кбит/с, лучше всего подходит для периодической, а также промежуточной двусторонней передачи данных между датчиками и контроллерами. По технологии Zigbee дальность связи заявлена 10-100 метров. Как показывает практика, этот показатель не превышает 20 метров.

Структура системы Zigbee состоит из трех типов устройств: координатор, маршрутизатор и конечное устройство. Каждая сеть должна состоять минимум из одного координатора, который действует как корень и мост (хаб) сети. Координатор отвечает за обработку и хранение информации при выполнении операций приема и передачи данных. Маршрутизаторы выступают в роли промежуточных устройств, которые обеспечивают обмен между компонентами.

“Зигби” и умный дом

zigbee что это такое

Указанный протокол используется различными кабельными и телекоммуникационными компаниями, включая “Comcast”, “Time Warner Cable”, “EchoStar”, “DirecTV”, “Charter”, “Rogers”, “Deutsche Telekom”, “Videocon”. Эти компании используют Zigbee в своих приставках, спутниковых трансиверах и домашних шлюзах для предоставления клиентам решений для мониторинга дома и управления энергопотреблением.

“Zigbee” также доступен в продуктах розничных сетей по всему миру, что позволяет установить и создать собственный “smart home” для повышения комфорта и эффективности.

Посмотрим, как используется этот стандарт передачи в системе умного дома:

  1. Мониторинг безопасности и управление домашними приложениями из удаленных мест.
  2. Дистанционное управление приборами.
  3. Автоматические двери, окна с датчиками движения.
  4. Прогнозирующие датчики дыма, воды и газа.
  5. Умные световые решения с приложениями для управления со смартфона.
  6. Подключенное освещение с опциями энергосбережения.
  7. Интеллектуальные переключатели, которые не требуют батарейного источника питания.
  8. Интеллектуальные приложения для розничной торговли: отслеживание местоположения, датчики, торговые марки электроники.
  9. Мониторинг безопасности пищевых продуктов.
  10. Усовершенствованные беспроводные устройства для улучшения покупок.

Устройства, которые поддерживают протокол:

  • “Amazon Echo Plus”;
  • “Belkin WeMo”;
  • “Bosch Security Systems”;
  • Термостаты “Honeywell”;
  • “Philips Hue”;
  • “Samsung SmartThings”;
  • “Xfinity”.

Как работает Зигби

Далее расскажем, как работает Zigbee.

Для построения сети используются модули серии ETRX3. Размер всего 19 мм x 25 мм как для стандартной версии, так и для версии PA/LNA, что на 40% меньше по сравнению с модулем ETRX2. Они доступны с встроенными антеннами или разъемом Hirose U.FL для подключения внешних антенн. Мощность радиосигнала канала в 105 дБ на стандартном модуле ETRX3 обеспечивает превосходную производительность. Мощность радиочастот может быть дополнительно увеличена за счет использования ETRX3-LRS.

zigbee что это такое

Серия ETRX3 – это маломощные радиомодули Zigbee 2,4 ГГц, в которые встроен приемопередатчик 2,4 ГГц, совместимый со стандартом IEEE 802.15.4, со вспышкой до 192 КБ, 12 КБ ОЗУ и многие современные периферийные устройства. EM357 и EM351 используют эффективную архитектуру, которая превышает требования к динамическому диапазону, налагаемые IEEE 802.15.

Как построить свой собственный умный дом с “Raspberry Pi” и “Mozilla’s Things Gateway”

Вот что понадобится:

zigbee что это такое

  • плата Raspberry Pi (желательно Pi 3 со встроенным Wi-Fi, но ключ Wi-Fi также должен работать);
  • чистая карта microSD с минимальным объемом памяти 4 ГБ;
  • совместимый USB-ключ Zigbee и / или USB-накопитель с поддержкой Z-Wave для связи с устройствами по этому протоколу;
  • совместимые устройства умного дома для добавления.

Порядок действий следующий:

  1. Первое, что нужно сделать – загрузить программное обеспечение “Things Gateway” на ваш Mac или ПК.
  2. Затем найдите файл в загрузках, и распакуйте пакет. Распакованный файл называется «gateway-0.3.0.img».
  3. Отсюда скопируйте файл на чистую SD-карту.
  4. Вставьте карту microSD в компьютер и выберите образ с жесткого диска.
  5. Нажмите “Flash”.

Настройка “Raspberry Pi”:

  1. Теперь запустите “Raspberry Pi. Перед включением вставьте SD-карту, загруженную с помощью программного обеспечения “Things Gateway”.
  2. Вам также необходимо вставить USB-ключи Zigbee и / или Z-Wave. Мы использовали Digi XStick (версия ZB-сетки).
  3. Если нет встроенного Wi-Fi, вы можете вставить USB-адаптер.
  4. Через минуту «Mozilla IoT Gateway» появится в списке доступных сетей Wi-Fi. Подключитесь к этому сетевому идентификатору на своем ноутбуке или смартфоне, и появится всплывающее окно с просьбой ввести SSID и пароль для домашней сети.
  5. Затем шлюз подключится к широкополосной сети, и всплывающее окно исчезнет. Войдите в «gateway.local» в браузере, чтобы завершить настройку.
  6. Здесь нужно создать уникальный веб-домен для шлюза, чтобы управлять удаленно. Задайте имя пользователя и пароль для защиты соединения.
  7. После завершения настройки откроется главный экран “Things Gateway”. Нажмите знак «+» в правом нижнем углу, и шлюз просканирует доступные устройства, поэтому убедитесь, что они подключены.

Создание сетевого моста покажем на примере освещения “Philips Hue”:

  1. Чтобы добавить освещение в “Gateway”, нажмите Меню> Надстройки> знак +> Philips Hue.
  2. Каждая лампочка в списке указана отдельно, чтобы включать и выключать их. Нажав значок «Вещи» рядом с лампочкой, измените цвет на всплывающем колесе спектра цветов.

zigbee что это такое

“Зигби” и голосовое управление

В созданном хабе голосовое управление выполняется и с помощью виртуальных помощников: Siri, Google Assistant или Alexa. В сопроводительной документации или на коробке производитель указывает, какого помощника поддерживает устройство. Для любителей приключений лучшие интернет-клубы подобрали самые популярные игровые автоматы от именитых разработчиков. При выборе площадки многим нравится казино с выводом на карту Сбербанка на oldrushistory.ru , которые позволяют быстро получать деньги в собственное распоряжение. Этот способ выгодный и удобный, ведь в любом банкомате можно обналичить средства. О Siri – виртуальном ассистенте Apple, говорит логотип “HomeKit”, Google Home – “Works with the Google Assistant”.

Задачи устанавливаются через приложение на смартфоне.

Например, колонка “Echo” записывает голосовую команду пользователя в цифровом виде. Этот оцифрованный звук затем отправляется на облачные серверы Amazon, где преобразуется в текст. Этот текст затем интерпретируется службой Alexa.

Отличия Zigbee от других протоколов

Ниже приводим сравнительную таблицу характеристик стандарта Зигби и других беспроводных протоколов связи. Более подробную информацию про bluetooth и о маршрутизаторах Wi-Fi вы можете прочесть на нашем сайте.

Параметры Zigbee Bluetooth Wi-Fi
Частота 2,4 Ггц 2,4 ГГц 2,4 Ггц, 5 Ггц
Стандарт связи IEEE 802.15.4 IEEE 802.15.4 IEEE 802.11
Скорость передачи 250 Кб/с 3 Мб/с 300 Мб/с
Поддержка IP технологий нет нет да
Топология “mesh” “звезда” “звезда”
Энергопотребление низкое низкое высокое
Количество узлов более 65 000 до 8 ячеек
Самовосстанавливающиеся сети да нет поддерживают некоторые устройства

Кулешов Вячеслав

Имею опыт работы в ИТ сфере более 10 лет. Занимаюсь проектированием и настройкой пуско-наладочных работ. Так же имеется большой опыт в построении сетей, системном администрировании и работе с системами СКУД и видеонаблюдения.
Работаю специалистом в компании «Техно-Мастер».

Источник

Опубликовано в рубрике WiFi