Zigbee что это такое простыми словами
Протокол ZigBee: беспроводные технологии на службе «умного» дома
Многоликий ZigBee
ZigBee — протокол верхнего уровня, базирующийся на беспроводном стандарте IEEE 802.15.4. У истоков протокола стоит организация ZigBee Alliance, отвечающая за его развитие и продвижение, а также за сертификацию оборудования. Впервые ZigBee был представлен публике в 2004 году. Через год спецификации первой версии протокола были утверждены, и он стал внедряться в конечные устройства.
Настоящее проклятие ZigBee — проблемы с совместимостью оборудования. Вызваны они целым рядом причин. Начнем с того, что стандарт пережил несколько обновлений — в 2006, 2007 и 2012 годах. Разумеется, авторы новых спецификаций уделили внимание вопросам совместимости, однако, практика показывает, что гаджеты разных стандартов в рамках одной сети лучше не использовать.
На этом проблемы не заканчиваются: для протокола предусмотрено несколько профилей, определяющих назначение устройства. В их числе — Health Care, Home Automation, Light Link, Telecom Services и другие. Если одно из устройств поддерживает определенный профиль, а другое — нет, то взаимодействовать друг с другом они не смогут. Благо, гаджеты, предназначенные для автоматизации дома, используют один конкретный профиль — Home Automation.
Впрочем, даже совпадение по версии стандарта и профилю не гарантирует стопроцентной совместимости, поскольку производством коммуникационных чипов с поддержкой ZigBee занимается множество компаний. Каждая из них интерпретирует спецификации по-своему, некоторые вендоры вносят определенные оптимизации в работу протокола. Итог неутешителен — вероятность того, что устройства от разных производителей откажутся работать друг с другом, весьма велика.
А еще, ZigBee имеет ряд ответвлений: в 2009 году был представлен стандарт ZigBee RF4CE (сокращение от «Radio Frequency for Consumer Electronics»), а год назад свет увидел ZigBee IP. Первый протокол 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, чем их ИК-собратья. ZigBee IP — разработка, позволяющая развернуть сеть 6LoWPAN поверх маломощных устройств с поддержкой IEEE 802.15.4. Схожую задачу решает протокол Thread, активно продвигаемый компанией Nest (читай, Google). На бумаге ZigBee IP выглядит перспективно, но производители не торопятся внедрять его в свои устройства.
Напоследок следует упомянуть о таком явлении, как ZigBee Pro. В рамках очередного апгрейда, произошедшего в 2007 году, разработчики представили сразу две реализации стандарта: простую ZigBee и продвинутую ZigBee Pro. Большинство современных устройств для автоматизации дома базируется именно на Pro-версии от 2007 года. При этом в описаниях оборудования приписка «Pro» зачастую опускается, что создает дополнительную путаницу.
С учетом всего вышесказанного можно сформулировать следующее правило: при создании сети ZigBee необходимо выбирать устройства от одного производителя, выпущенные в рамках одного временного периода (чем современнее — тем лучше). Это должно избавить от большинства проблем с совместимостью.
Техническая часть
Несмотря на путаницу со спецификациями, основные принципы работы ZigBee не меняются на протяжении многих лет. Передача данных в рамках сети осуществляется по радиоканалу. Используемые частоты зависят от региона: для Европы выбрано значение 868 МГц, для США и ряда других стран — 915 МГц. Кроме того, стандарт предусматривает работу на частоте 2,4 ГГц — она не имеет привязки к географическому положению. Удивительно, но подобное обилие вариантов мало сказывается на вопросах совместимости: по факту, практически все ZigBee-оборудование использует частоту 2,4 ГГц. Этот вариант обеспечивает наибольшую пропускную способность — в теории, она может достигать значения в 250 Кбит/с. Дальнобойность сигнала внутри помещения составляет 10-20 метров.
На момент появления, главным козырем ZigBee была поддержка ячеистой топологии сети. На практике это означает, что устройства могут передавать сигнал «по цепочке», от одного гаджета к другому, пока пакет данных не достигнет цели. Это существенно повышает отказоустойчивость системы и увеличивает возможную зону покрытия. Следует заметить, что не все ZigBee-устройства могут выступать в качестве промежуточного звена.
Гаджеты внутри сети делятся на три группы: координаторы (ZC), маршрутизаторы (ZR) и конечные устройства (ZED). Координатор — обязательный компонент. Он формирует древо сети, хранит ключи безопасности и, зачастую, выступает в роли «окна» во внешний мир. Маршрутизаторы — это гаджеты, которые не только выполняют свою базовую функцию, но и занимаются передачей сигнала «по цепи». ZED — наиболее примитивные устройства. В эту категорию попадают различные пульты и датчики. Они могут общаться с координатором или маршрутизатором, но передавать пакеты от одного компонента к другому им не под силу. Большую часть времени ZED бездействуют, а потому их энергопотребление крайне мало. Как правило, питаются они от батареи.
Zigbee – технология беспроводной связи для систем умный дом
Просто и подробно о том, что такое Zigbee. Разница между Zigbee, Wi-Fi и Bluetooth. ZigBee и голосовые помощники.
Содержание
Когда человек начинает погружаться в тему умного дома, он сталкивается с новым для себя словом – Zigbee. Этот логотип часто встречается на упаковках различных устройств для умного дома, например его можно встретить на продукции Xiaomi Smart Home, на лампочках Philips Hue и IKEA TRÅDFRI.
Логотип Zigbee на упаковке набора умных лампочек
При этом в комплекте с такими лампочками производитель продаёт еще и устройство, называемое «мост» или «хаб», которое необходимо для полноценной работы системы умного освещения. В этой статье мы доступным языком подробно расскажем о том, что такое «зигби», и почему именно этот стандарт всё чаще используется в системах умного дома.
Что такое Zigbee
Zigbee – это стандарт беспроводной связи, подобный Wi-Fi и Bluetooth, но созданный специально для интернета вещей и умного дома. Благодаря протоколу ZigBee устройства в умном доме “общаются” друг с другом.
Zigbee создан специально для интернета вещей и умного дома.
Существовавшие 15 лет назад стандарты беспроводных сетей, например WiFi и Bluetooth, не подходили для новых возникших потребностей – таких, как умный дом. Эти стандарты были недостаточно надёжны, а их модули были слишком дорогими. Для разработки нового сетевого протокола была создана ассоциация из ведущих технологических компаний (Philips, Samsung, LG, Siemens и другие) под названием Zigbee Alliance. И в 2004 году был принят международный стандарт, регламентирующий новый протокол Zigbee, работающий на частотах, не требующих специального разрешения. 
Название Zigbee происходит от слов “зигзаг” (zigzag) и “пчела” (bee), на западе термином “зигби” называют танец медовых пчёл. Такое название по мнению разработчиков стандарта подчёркивает то, что сеть Zigbee имеет ячеистую топологию (структуру) и, благодаря специальным алгоритмам маршрутизации, является надёжной и способной к самовосстановлению при потере связи между отдельными узлами. При этом оборудование для Zigbee компактное и имеет низкую стоимость.
Разница между Zigbee, Wi-Fi и Bluetooth
По некоторым характеристикам стандарты Wi-Fi и Zigbee похожи:
Но у зигби есть ключевые отличия, которые и делают этот стандарт гораздо более подходящим для коммуникации между собой устройств умного дома. 
В Zigbee-сети между узлами существует прямая связь, а не только связь с «центром».
Топология. Главное отличие Zigbee от Wi-Fi – это использование ячеистой топологии, а не топологии типа “звезда”, где все узлы сети соединяются через центральный роутер. В структуре “звезда” при потере соединения с роутером, узел не может связаться с остальными участниками сети. Например, если ваш компьютер отключится от роутера, вы не сможете передать на него фотографию с планшета – Wi-Fi не даёт возможности прямого соединения между устройствами в сети.
В сети Wi-Fi устройства могут связываться между собой только через центральный узел – роутер
А вот благодаря ячеистой структуре, при обрыве одного соединения, будет проложен обходной маршрут, и сигнал дойдёт до получателя по новому пути. Это возможно благодаря тому, что между узлами существует прямая связь, а не только связь с «центром». Такая топология гораздо надежнее и используется, например, в самой сети интернет.
В сети Zigbee устройства могут связываться друг с другом напрямую
Конкретный пример. Датчик протечки воды, подключаемый через Wi-Fi, находится на большом расстоянии от Wi-Fi роутера и между ними стоят 2 бетонные стены. В момент аварии датчик может попросту не передать сигнал о протечке из-за слабого Wi-Fi сигнала. Роутер не получит сигнал о срабатывании датчика, не передаст этот сигнал в центр управления, центр управления не перекроет вентиль, и произойдёт затопление. Но если бы ваш умный дом работал на зигби, то при слабой прямой связи между датчиком и центром управления сигнал был бы передан не напрямую, а через другие устройства: лампочку в коридоре, выключатель в комнате или умную розетку. То есть другие приборы выступили бы промежуточными станциями при передаче сигнала о протечке в контроллер умного дома и обратного сигнала о перекрытии вентиля.
Энергопотребление. Очень низкое энергопотребление Zigbee-модулей достигается за счёт специального режима “сна”, когда устройство не используется, и низкой пропускной способности передачи данных (250 Кбит/с против 300-1000 Мбит/с у Wi-Fi). Высокая пропускная способность не нужна зигби, ведь нужно передавать совсем небольшие объёмы данных от датчиков и электроприборов, а вот Wi-Fi должен обеспечивать просмотр видео в реальном времени и т.п. В результате Zigbee-модуль может работать несколько месяцев на простой батарейке.
Скорость. До появления Zigbee в системах умного дома пытались использовать Bluetooth. Радиус действия у этих протоколов примерно одинаковый, но у блютус слишком большие задержки. Задержка при передаче сигнала у Bluetooth-модуля составляет несколько секунд против 30 миллисекунд у Zigbee-модуля! 30мс это намного меньше скорости реакции у человека – для нас включение и выключение зигби-лампочки происходит моментально.
Количество узлов. Wi-Fi попросту не приспособлен к подключению большого количества участников к сети. В теории к одному Wi-Fi роутеру возможно подключить несколько сотен устройств, но каждому активному пользователю известно, что это не достижимо на практике. Роутеры средней ценовой категории начинают зависать и требовать перезагрузки уже после подключения 15-20 гаджетов: ноутбуков, смартфонов, планшетов и других девайсов вашей семьи. А вот одна Zigbee-сеть может иметь тысячи узлов и при этом стабильно работать. Способность надёжно функционировать при большом количестве подключённых устройств – необходимая характеристика сети для умного дома и интернета вещей.
Устройства с Zigbee-модулем значительно дешевле, чем с Wi-Fi.
Стоимость. Производителям zigbee-модуль обходится дешевле, чем Wi-Fi. Устройства для умного дома с Zigbee-подключением тоже стоят значительно дешевле, чем аналогичные приборы с Wi-Fi. Пример: zigbee-лампочка IKEA Trådfri с регулировкой яркости стоит около 700 рублей, а аналогичный продукт wifi-лампочка TP-Link LB110 стоит 2300 рублей.
Умный дом и Zigbee
Сети Zigbee используются в промышленной автоматике, в коммерческой недвижимости и в медицинском оборудовании. Но, безусловно, наиболее широкое и популярное применение Zigbee – это системы умного дома.
До того как на рынок умного дома вышли компании Apple, Google и Amazon, некоторое время был популярен стандарт Z-Wave. Этот протокол был конкурентом Zigbee, но он закрытый, и производители устройств для умного дома должны покупать модуль Z-Wave у европейского производителя. Zigbee же – открытый стандарт, и любая компания может производить свои модули согласно открытой спецификации. Поэтому Zigbee-устройства дешевле, чем приборы с Z-Wave, и сейчас уже однозначно можно сказать, что протокол Zigbee победил и стал де-факто стандартом для систем умного дома. ZigBee используют все крупные компании на рынке умного дома: Amazon, Philips, Samsung, Xiaomi, LG, Logitech, IKEA и многие другие.
Умные лампочки Икея Тродфри работают через Зигби
Наличие зигби-модуля не делает устройства разных брендов совместимыми.
В продаже есть все электроприборы с Zigbee, какие только можно себе представить: лампочки, выключатели, розетки; датчики движения, утечки и дыма, открытия дверей и окон; кондиционеры, термостаты, камеры и многое другое. Но нужно отметить, что само наличие Zigbee-модуля не делает устройства от разных производителей совместимыми между собой (также, как в устройствах для умного дома с Wi-Fi модулем). Например, зигби-лампочка Икея Тродфри не будет работать с зигби-хабом Xiaomi Smart Home Gateway. Но некоторые компании добавляют поддержку конкретных устройств от других производителей, например те же лампочки от Икеи будут работать совместно с мостом Philips Hue Bridge.
Поэтому, выбирая зигби-устройства для умного дома, нужно выбирать качественного производителя, которому вы доверяете, ведь подключать к его мосту вы сможете только его продукцию. Также нужно убедиться в том, что мост этого бренда поддерживает интеграцию с современными платформами: Apple HomeKit, Google Ассистент или Alexa (об этом ниже).
Хаб для умного дома – Zigbee мост
Современный умный дом нельзя себе представить без возможности удалённого управления. Например: открыть мобильное приложение на своём айфон или андроид и включить кондиционер в гостиной, возвращаясь с работы, или проверить, выключили ли вы утюг из розетки, находясь в такси, которое везёт вас в аэропорт, а если всё-таки забыли – отключить розетку.
Для удалённого управления, в том числе и из мобильного приложения на Android или iOS, сеть Zigbee-устройств должна быть подключена к интернету, и именно для этого используются сетевые мосты (Bridge, как их называет Apple и Philips), они же смарт хабы (Smart Hub, как их называет Google, Amazon и Samsung). Ещё одно название устройств такого типа – шлюз (Gateway), такое название используют IKEA и Xiaomi.
Сетевой мост является координатором в Zigbee-сети, и в отличии от конечных устройств (например, датчиков открытия двери на батарейке) он должен быть всегда подключён к электричеству, так как координатор в зигби-сети никогда не спит. Для связи с вашей домашней сетью и интернетом хаб подключается обычным проводом из витой пары к вашему Wi-Fi роутеру (проводное соединение является наиболее надёжным).
Сетевой мост связывает беспроводную зигби-сеть умного дома с интернетом
Как видно на картинке, хаб работает буквально как мост между устройствами умного дома и интернетом. Он позволяет вам из любой точки мира соединяться с домом, отслеживать его состояние и управлять всеми устройствами. Для соединения с умным домом используется мобильное приложение или голосовой помощник (об этом ниже).
Линейка Zigbee-устройств умного дома от конкретного производителя имеет и мост этого же бренда, к которому и подключаются приборы. При этом, как правило, зигби-устройства других брендов будут несовместимы с “чужим” мостом, и для того чтобы добавить устройства нового производителя в свою систему умного дома – нужно будет купить еще один хаб, «родной» для нового производителя.
Список самых популярных Zigbee хабов/мостов/шлюзов:
Siri, Google Ассистент, Alexa и Zigbee
Современный хаб предоставляет возможность голосового управления умным домом через голосового помощника.
Помимо возможности удалённого использования, подключение умного дома из Zigbee устройств к интернету открывает ещё одну возможность, без которой в 2018 году нельзя себе представить современный умный дом. Это возможность голосового управления умным домом через голосового помощника: Apple Siri, Google Ассистент или Amazon Alexa.
Чтобы эта функция работала, у производителя хаба должна быть сертификация от соответствующей IT-компании. Скажем, если вы хотите управлять Zigbee лампочками с помощью Сири на iPhone или HomePod, вы должны выбирать умный хаб с поддержкой HomeKit – ищите логотип “Works with Apple HomeKit”. 
Аналогично, если хотите управлять с помощью Ассистента в своём Android-телефоне или Google Home, ищите логотип “Works with the Google Assistant”. 
Ну а если у вас есть колонка Amazon Echo и ваш любимый виртуальный помощник это Алекса, то вам нужны мосты с логотипом “Works with Amazon Alexa”. 
Будьте очень внимательны, некоторые хабы предоставляют интеграцию сразу со всеми голосовыми помощниками, например Philips Hue Bridge, в то время как другие поддерживают только одного помощника. Например, широко любимый за очень низкую цену Xiaomi Smart Home Gateway работает только с Alexa (комплект Ксиаоми можно купить на Aliexpress). То есть умным домом, построенным на зигби-хабе от Xiaomi, вы не сможете управлять на русском языке, так как Alexa (в отличии от Siri и Google Ассистента) работает только на английском и немецком.
Надеемся, что наша статья помогла вам разобраться в отличиях Zigbee от Wi-Fi, и теперь вы понимаете, почему зигби так широко используется в системах умного дома, и зачем нужен сетевой мост. Будем рады, если вы поделитесь этой статьёй в социальных сетях. Ещё вы можете подписаться на наш Youtube-канал или email-рассылку и получать новые статьи о домашней автоматизации и голосовых помощниках.
ZigBee — суть технологии
Многие хозяева все чаще оборудуют свое жилье технологиями «Умный дом». Система размещается в комнатах и состоит из специальных датчиков. Человек сам может контролировать температуру, управлять кондиционером, освещением, отоплением и другой техникой на расстоянии. Система сигнализирует о возникновении аварийной ситуации (утечка воды, газа и т.д.). Главный плюс – возможность контроля удаленно, непосредственно через мобильный телефон или планшет. Уезжая в отпуск, можно не пытаться вспомнить о том, отключен ли утюг. Чтобы проверить обстановку дома, нужно только открыть специальное приложение. Программа позволяет управлять коммуникациями с любой точки планеты.
Датчики могут соединяться между собой при помощи проводов или образовывать беспроводную систему. Последний вариант имеет преимущество перед первым. При установке беспроводного оборудования не нужно прокладывать множество проводов, которые могут испортить ремонт. А сам монтаж требует больше времени. Одной из таких систем является система строящаяся на основа протокола ZigBee. Это стандарт беспроводной связи, похожий на Wifi и Bluetooth. С ее помощью все приборы в доме или квартире взаимодействуют. Технология активно применяется и в сфере промышленности и здравоохранения.
История создания
Изначально несколько компаний объединились для совместной разработки новых стандартов беспроводной сети. Приоритетным направлением являлось решение проблемы совместимости сети с оборудованием разных производителей. Альянс появился в 2002 году и его состав насчитывал более 300 участников. Начиная с 2003 года стали появляться новые стандарты.
Окончательный вариант технологии ZigBee Pro Feature Set 2006 утвержден в 2007 году.
Технические характеристики
Топология сети
Изначально поддерживалась ячеистая топология сети. Сигнал передавался между устройствами «по цепочке» пока информация не достигнет цели. Все Зигби гаджеты выступают, при необходимости, в качестве промежуточной ячейки.
Сравнение с Wifi и Bluetooth
Главное сходство с Wifi заключается в том, что обе сети работают на частоте 2,4 ГГц, не требую специальных разрешений, а радиус захвата сигнала равен 20 метрам.
Главные отличия ZigBee.
Сравнение с Z-wave, Insteon, Tread
Система Insteon обеспечивает передачу информации по двум каналам: беспроводной и проводной. Этот фактор уменьшает риск потери данных при неисправности. Функционирование сети Insteon возможно без центрального контроллера, поскольку нет разделения устройств на группы. Минус – она не совместима с отечественными электросетями.
Для стандарта Z-wave выпущено меньше программного обеспечения, но система гарантировано работает с оборудованием своего производства.
ZigBee устройства и производители
На современный рынок, выпускается много ZigBee устройств: к ним относится розетка, диммер, лампочка, датчики движения, сенсоры контроля воды, температуры, и другие. На данный момент (май 2019 года) по большому количеству причин среди производителей устройств на протоколе ZigBee лидирует китайская компания Xiaomi. Полный обзор системы умного дома от этого производителя мы делали ранее.
Составные части сети
На начальном этапе формирования сети используется PAN координатор. Он вычисляет радиоканал, в котором нет помех, и ждет запросы на подключение, которые отправляют разные устройства. Изначально подключать других участников может только координатор, а в дальнейшем и другие устройства для пересылки данных. После получения запроса происходит обмен сообщениями.
Бывает два варианта присоединения: MAC ассоциация, повторное сетевое присоединение. В первом случае устройство, желающее стать частью сети на MAC уровне, отправляет запрос маячка. Когда маячки достигают цели, управляющее устройство сканирует сети и выбирает, какую лучше подключить в конкретной ситуации, высылает притязание о присоединении со значком «повторное присоединение». Получив ответ, управляющее устройство высылает сообщение с адресом. Такой способ присоединения не достаточно безопасен, поскольку все данные не защищены кодированием.
Повторное сетевое присоединение также часто используется при первичном обращении. В таком случае участник, желающий вступить в сеть, знает текущий ключ. Поэтому, такой способ присоединения намного безопаснее. Узнать ключ можно при настройке оборудования. При повторном подключении оборудование обменивается между собой пакетами запроса и ответа на присоединение.
Структура может измениться, когда участник покидает сеть или при перезагрузке подключается в другом узле.
Координатор
Устройство обеспечивает взаимосвязь между всеми участниками сети, когда нет подключения к интернету.
Хаб (сетевой мост)
Устройство обеспечивает подключение системы «Smart Home» к сети интернет. Благодаря этому появляется возможность управлять системой удаленно. Различные приложения для гаджетов помогают контролировать и менять параметры (теплый пол, кондиционер ит.д.). Хаб постоянно должен находиться в активном состоянии, поскольку выполняет функции координатора сети. Для подключения к интернету можно использовать как сеть WiFi, так и проводное подключение к роутеру.
Для удаленного управления с гаджетов созданы приложения на Android или iOS. Для подключения к интернету применяются сетевые мосты Smart Hub, Bridge, Gateway. Для серии оснащения «Умного Дома» от бренда выпускается и хаб того же производителя. При покупке оборудования важно проверить его на совместимость с ZigBee. Оснащение, отличающееся производителем, может между собой не взаимодействовать. Кроме того, домом можно управлять голосом. Некоторые хабы работают со всеми голосовыми программами.
Типы поддерживаемых датчиков и устройств
Протоколом предусмотрены некоторые приложения, которые отличаются по назначению. К таким профилям относятся: Telecom Services. Light Link, Home Automation и другие. Последний используется всеми системами автоматического управления домом. В случае если один из приборов поддерживает программу, а второй нет, то они не смогут работать корректно. Множество компаний изготавливают чипы с поддержанием ZigBee. Приложения может немного отличаться, совершенствоваться производителем. По этой причине бывает, что устройства поддерживают протокол, но между собой не взаимодействуют.
В продаже есть всевозможные электроприборы с ZigBee. При внедрении системы важно смотреть описание и подбирать оборудование одного производителя и выпущенное примерно в одно время.
О программной части протокола
При создании программного обеспечения брались за основу упрощения методики построения недорогих маленьких микропроцессоров. Для быстрого старта разработаны стандартные модули с прошивкой ETRX357. Они позволяют работать с аналоговой, цифровой периферией и сетевыми функциями, используя набор АТ команд. Если стандартного функционала недостаточно, можно воспользоваться программным стеком производства Silicon Labs. Все модули изготавливаются на базе микросхемы ЕМ357 и, чтобы перейти от стандартной прошивки к собственному приложению, необходим программный отладчик ISA3. 
Вид одного из одноплатных компьютеров
Для упрощения процедуры существует специальный компоновщик приложений. Он, исходя из конфигурации ZigBee оборудования, создает каркас и функции будущего приложения. Далее разработчик самостоятельно вносит необходимые изменения.
Технология ZigBee отличается рядом преимуществ и успешно реализуется в системе «Умный Дом». Помимо совместимости с платформами для автоматизации на данном рынке присутствует множество ZigBee оборудования, что облегчает процесс установки и дальнейшего обслуживания.