Rf4ce что это

ZigBee. Совместимость устройств, профили приложений, кластеры, конечные точки, привязки

Основное назначение сетей ZigBee – связь между устройствами в автоматизированных системах. Области применения сетей ZigBee – самые различные. Типы и назначение связываемых устройств – также весьма разнообразны. Связь может устанавливаться между выключателем и светильником в «умном доме», приборами учета и сервером сетевой обслуживающей компании, датчиком движения и пультом охраны. Возможно, просматривая этот топик, Вы, сами того не подозревая, пользуетесь сетью ZigBee – многие беспроводные мыши с USB адаптером 2,4 ГГц соответствуют ZigBee RF4CE specification.

В этом топике речь пойдет о регламентированных спецификацией ZigBee механизмах, обеспечивающих совместимость и взаимодействие устройств автоматики (приложений) через сеть ZigBee.
О построении и работе сетей ZigBee я писал в предыдущих топиках (можно посмотреть также здесь).

Очень коротко о «железе»

ZigBee совместимые устройства автоматики обычно поступают «сетестроителям» в готовом виде. В виде «умных» розеток и светильников, различных датчиков, приводов, измерительных приборов, IP (Wi-Fi, USB и т.п.) шлюзов, пультов управления, контроллеров и так далее. Впрочем, любители поработать с паяльником могут легко найти ZigBee чипы, и даже специальные наборы, чтобы подключить их к собственным устройствам, тем самым сделав эти устройства ZigBee совместимыми.
Из таких изделий, снабженных ZigBee устройствами, и строится любая автоматизированная система с беспроводной передачей данных по сети ZigBee. Как именно строится, зависит от поставленных задач. Чтобы построить ZigBee сеть между мышью и системным блоком, достаточно вставить адаптер в USB порт и «накормить» мышку батарейкой. Чтобы построить систему автоматизации интеллектуального здания, потребуются усилия проектной организации.

Библиотека кластеров ZigBee (ZCL)

Когда «железо» спроектировано, наступает момент программирования. И тут хорошим подспорьем становятся заложенные в спецификацию ZigBee встроенные механизмы.

Одной из главных целей разработки спецификации ZigBee было обеспечение совместимости устройств разных производителей. И такая совместимость обеспечивается на уровне приложений путем использования библиотеки кластеров ZigBee – ZigBee Cluster Library (ZCL).
Кластер подобен классу в объектно-ориентированном программировании и включает:
• описание стандартного устройства (светильника, диммера, счетчика);
• описание стандартных атрибутов этого устройства (включение/выключение, управление яркостью, показания счетчика);
• описание стандартных команд устройства (включить/выключить, установить уровень яркости, считать показания).
Каждый кластер состоит из двух связанных через сеть элементов – клиента и сервера. Связь между элементами кластера устанавливается привязкой, речь о которой пойдет ниже.

ZigBee сервер хранит значения атрибута, а ZigBee клиент дистанционно считывает или записывает значение этого атрибута. Например, стандартные устройства «лампочка» и «выключатель» могут функционировать как стандартный кластер «включить/выключить». При этом «лампочка» будет серверной частью кластера, хранящей значение атрибута «включено/выключено». А «выключатель» (клиент) будет дистанционно устанавливать значение атрибута.
ZigBee устройство может одновременно поддерживать несколько клиентских частей одних кластеров и серверных частей других. Например, «выключатель» может содержать еще и серверную часть кластера «конфигурация», с помощью которого будет получать информацию о режимах работы от конфигурирующего устройства.

Библиотека кластеров ZigBee
Библиотека ZCL содержит богатый набор стандартных кластеров, который постоянно пополняется. Для удобства пользования кластеры в библиотеке сгруппированы по функциональному признаку:
• общего назначения,
• работа с датчиками,
• управление освещением,
• управление вентиляцией,
• управление безопасностью
• и т.д.
В соответствии со спецификацией ZigBee PRO Feature Set пересылка сообщений в сетях ZigBee осуществляется только с использованием стандартных кластеров.

Приложения

Приложение – это, собственно, как раз то, ради чего и создавалась спецификация ZigBee. Приложения реализуют каналы связи между устройствами систем автоматизации и обеспечивают гарантированную и безопасную доставку пакетов. Каждое приложение определяется его профилем.

Профиль приложения – это совокупность настроек узлов сети (устройств ZigBee), обеспечивающая их совместную работу. Спецификация профиля определяет способы задания идентификационных параметров, режимы формирования сети, методы защиты данных, список используемых кластеров, конечные точки, привязки и т.д. Профиль может включать кластеры из разных функциональных групп библиотеки.
Для уникальной идентификации приложений каждому приложению выделяется идентификатор профиля.

Конечная точка определяет, через какой объект приложения из имеющихся в устройстве ZigBee реализуется данное приложение.
Например, в пульте дистанционного управления можно выделить конечную точку 10 для управления освещением в прихожей, конечную точку 25 для управления мультимедиа, а конечную точку 50 для управления отоплением. В результате пульт дистанционного управления сможет устанавливать независимую связь с соответствующими устройствами и различать пакеты, предназначенные для каждого приложения и каждого устройства.
В каждом устройстве ZigBee есть 240 объектов приложений, что позволяет создавать до 240 конечных точек – с первой по 240-ю. Нулевой объект – объект устройства ZigBee (ZD0), обеспечивающий управление самим устройством.

Привязка
Привязка программирует соединение между конечными точками – содержит адреса устройств и конечные точки клиента и сервера определенного кластера. Каждая привязка поддерживает соответствующий профиль приложения, и каждый тип сообщения определяется кластером в этом профиле.
Привязки создаются как между отдельными конечными точками, так и между их группами, которые имеют один и тот же идентификатор кластера, например, между светильниками и выключателями.
Привязка может быть прямой («привязка источника»). При этом адреса устройств и идентификаторы конечных точек всех приложений, с которыми запрограммировано взаимодействие, хранятся в исходном устройстве.
При косвенной привязке эти сведения могут храниться в выделенном для этих целей устройстве, которое поддерживает таблицу подстановки, соотносящую все конечные точки источников и получателей.

ZigBee RF4CE

Стандарт ZigBee RF4CE (Radio Frequency for Consumer Electronics) первоначально был разработан в 2008 году консорциумом компаний Panasonic, Philips, Samsung и Sony для использования в беспроводных радиофицированных пультах дистанционного управления телевизорами, стереосистемами и т.п. Предполагалось, что подобные пульты будут постепенно приходить на замену традиционным пультам на инфракрасных светодиодах. Ведь использование радиоканала устраняет такие известные ограничения ИК-пультов, как относительно малая дальность действия и необходимость прямой видимости управляемого устройства.

Однако, первая версия стандарта ZigBee RF4CE оказалась слишком узко специализированной и не получила широкого распространения. В 2009 году стандарт получил поддержку ZigBee Alliance и вошел в состав его спецификаций. В дальнейшем он был доработан и интегрирован с текущей библиотекой приложений ZigBee, в рамках которой был разработан новый профиль ZigBee, получивший название ZigBee Remote Control (ZRC). Альянсом были выпущены спецификации ZRC 1.1 и затем ZRC 1.2.

В 2014 году вышла новая заметно расширенная версия профиля ZigBee Remote Control 2.0 (ZRC 2.0), которая была принципиально рассчитана на расширение сферы применения самих пультов дистанционного управления. Теперь, вместе с телевизорами и стереосистемами, эти пульты смогли управлять вообще любыми устройствами в сетях ZigBee — умными лампами и системами освещения, окнами и роллетами, системами безопасности и т.п. А поскольку глубина проникновения и интеграции новых смарт-систем в традиционной потребительской электронике постоянно расширяется, то и возможная сфера применения стандарта ZRC 2.0 тоже постоянно растет.

Кроме прочего, стандарт ZigBee RF4CE поддерживает полную обратную совместимость с традиционными системами ИК-управления. Контроллеры, работающие на основе этого стандарта, могут автоматически распознавать и загружать используемую систему команд унаследованного оборудования. которое изначально требовало ИК-управления.

Поддерживаемые топологии

Обычно сети ZigBee RF4CE строятся по топологии точка-точка или по звездной топологии, где целевое устройство (Target или Recipient) взаимодействует с одним или множеством узлов, выполняющих функцию дистанционного управления (Controller или Originator). В этой схеме нет необходимости осуществлять какую-то маршрутизацию или организовывать прямое взаимодействие между управляющими узлами. Но возможны и более сложные случаи, когда связи между несколькими сетями (PANs) обеспечиваются через участие определенных узлов сразу во множестве таких сетей.

На следующем рисунке показана топология, которя включает целевые узлы TV, CD и DVD, каждый из которых через свою сеть (PAN1, PAN2, PAN3) связан с управляющим узлом TV RC, CD RC, DVD RC. При этом узлы TV и DVD являются членами сразу двух сетей PAN1 и PAN3. И если в одной сети такой узел выступает целевым устройством, то в другой он уже является устройством управления. То есть TV может передавать управляющие команды в DVD по сети PAN3, а DVD, в свою очередь может передавать управляющие команды в CD по сети PAN1 (такие команды, к примеру, передаются, чтобы телевизор переключился на определенный вход для воспроизведения сигнала от DVD-плеера сразу после включения DVD на пригрывание).

Членом всех трех сетей PAN1, PAN2, PAN3 и контролирующим устройством в них выступает специальное мультифункциональное устройство дистанционного управления (Multi-function RC), умеющее взаимодействовать и с телевизором, и с CD-, и с DVD-плеером.

Топология сети также допускает, чтобы устройстов, выполняющее роль дистанционного управления (Originator) само выступало целью (Target) для какого-то еще устройства в сети. В свою очередь, управляемые устройства (Recipient) всегда являются целевыми и не могут одновременно иметь другую роль в той же сети (в другой сети — могут).

Профили приложений ZigBee RF4CE

Для устройств, основанных на стандарте ZigBee RF4CE предусматривается использование трех различных профилей приложений ZigBee:

• Generic Device Profile (GDP) — это основа для профилей RF4CE, которая определяет базовые функции для взаимодействия и управления другими профилями и необходимые политики, которым такие профили должны соответствовать.
• ZigBee Remote Control (ZRC) — профиль (также иногда называется Consumer Electronics Remote Control — CERC), который используется в таких потребительских устройствах как: телевизоры, CD/DVD-плееры и др., позволяя осуществлять дистанционное управление этими устройствами.
• ZigBee Input Device (ZID) — профиль, предоставляющий интерфейсы для сетевого уровня сети ZigBee RF4CE (отсюда его второе название ZigBee Interface Devices), и используемый в таких устройствах как: мыши, тачпады, клавиатуры, указки и т.п.

Исторически профиль ZRC возник первым на раннем этапе разработки стандарта ZigBee RF4CE. Помимо набора команд, призванных заменить традиционную ИК-технологию дистанционного управления, этим профилем предусматривается очень простой, управляемый простым нажатием кнопки процесс привязки (установки связи между устройством управления и контролирующим устройством). Сам этот процесс базируется на сервисах поиска (discovery) и парной привязки (pairing), реализуемых нижними уровнями стека протокола ZigBee RF4CE.

Вторым профилем для протокола ZigBee RF4CE стал профиль ZID. Этот профиль позволяет передавать узлам сети команды, поступающие от интерфейсных устройств, взаимодействующих с человеком (Human interface devices — HIDs). Профилем определяется два типа устройств: устройство класса HID (HID class device) и адаптер (HID adaptor). Устройства класса HID могут использоваться для таких устройств как мыши, клавиатуры или тачпады, а адаптеры предназначены для взаимодействия через специальные драйверы с персональными компьютерами или некоторыми встроенными устройствами.

Совместимость разных версий стандарта

Поскольку существует несколько версий спецификации ZigBee Remote Control Specification (ZRC), то на практике может возникнуть вопрос совместимости разных устройств. В общем случае, к сожалению, совместимость не обеспечивается. Однако, у производителей имеется возможность встраивать в свои устройства, реализованные на базе ZRC 2.0 дополнительный профиль ZRC 1.1 (и/или иной версии). В этом случае, когда устройство ZRC 2.0 пытаются связать с другим устройством, функционирующим на базе спецификации ZRC 1.1, оно автоматически переключается на эту, более раннюю, версию стандарта и устанавливает связь.

Таким образом, поддержка разных версий спецификации ZRC не является обязательной для стандарта, но допустима по желанию производителей. Так что при выбире того или иного устройства на это следует обращать внимание.

Функции энеросбережения и быстродействие

Учитывая, что нижние уровни стека протокола ZigBee RF4CE обеспечиваются по стандарту IEEE 802.15.4, общее энергопотребление устройств, выполненных по стандарту ZigBee RF4CE, может быть чрезвычайно низким (особенно, если сравнивать их с устройствами на основе WiFi или Bluetooth). Устройства постоянно находятся в энергосберегающем режиме и активируются только в моменты передачи команд. И в таком режиме проявляется другое важное преимущество технологии ZigBee — крайне низкая латентность протокола. Это значит, что управляющее устройство, выйдя из «спячки», может очень быстро восстановить связь с контролируемым узлом и передать команды. Обычно такая операция занимает менее 30 мс, а получившее команду оборудование сразу же может отреагировать на нее. Такая быстрая реакция позволяет избежать многократных нажатий, когда пользователь раз за разом давит на кнопки, не наблюдая реакции на свои действия.

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.

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.

Устройства на базе ZigBee

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.

• были созданы стандартные конфигурации программ и архив шаблонных кластеров;
• использование стохастической переадресации;
• внедрение механизмов маршрутизации (Source Routing и другие);
• появилась способность определять ассиметричные связи;
• при возникновении перебоев система автоматически начинает использовать другой канал без помех;
• появилась дополнительная система защиты сети.

Технические характеристики

• телекоммуникаций;
• игрушек;
• коммерческого строительства;
• повышения энергоэффективности;
• персонального домашнего ухода за больными;
• автоматизации процессов дома.

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.

Схема ячеистой топологии

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.

• Зигби работает по ячеистому типу, в то время как Wifi и Bluetooth присоединяются к центральному роутеру (топология «звезда»). При отсутствии связи с роутером узел не может подключиться к другим членами сети. Например, если телевизор выходит в интернет через модем, то он не сможет воспроизвести фильм или получить его с планшета, если роутер не подключен к сети. В ячеистой структуре узлы связаны напрямую. Благодаря этому обрыв связи не является помехой для передачи данных. Этот механизм намного надежнее и применяется в самой сети интернет. Для реализации технологии «Умный дом» этот фактор очень важен. При аварии сигнал по Wifi может не передаться на большую дальность через бетонные стены.
• ZigBee устройства потребляют минимальный объем энергии, поскольку функционируют в спящем режиме. Пропускная возможность Зигби (250 Кбит/секунду) намного ниже, чем у Wifi (300–1000 Мбит/секунду). Это связано с тем, что Зигби доставляет маленькие пакеты данных, а Wifi позволяет получить крупные файлы (видео и т.д.).
• Скорость. Период задержки передачи сигнала Зигби намного меньше, чем у Bluetooth (несколько секунд) и составляет 30 миллисекунд. Показатель Зигби примерно равен времени от нажатия выключателя и возникновения света в люстре. В связи с этим, в последнее время Bluetooth стал меньше использоваться при установке системы «Умный дом».
• Количество узлов у Зигби намного больше. Теоретически, к сети Wifi может присоединиться от 300 до 1000 участников. Но пользователи отмечают, что при работе уже с несколькими устройствами происходят задержки в работе и вряд-ли удастся проверить показатель. ZigBee система функционирует при любом количестве участников, что необходимо при установке «умного дома» на больших площадях.
• Цена. Стоимость модуля ZigBee на порядок дешевле, чем цена Wifi модема.

Сравнительная таблица сравнения беспроводных технологий

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

1. Координаторы (ZC). Прибор запускает сеть и задает все команды для управления ее действиями. Также контроллер обеспечивает безопасность всех процессов.
2. Маршрутизаторы (ZR). Функционируют непрерывно и обеспечивают работу устройств, находящихся в режиме сна (до 32 штук). Также переносят данные и занимаются восстановлением гаджетов в случае большой загруженности или неисправности системы. Образуют соединение с координатором, другим маршрутизаторам, а также с дочерними периферийными приборами и оборудованием для передачи информации.
3. Конечные устройства (ZED). Выполняют получение и отправку пакетов данных. Подключаются к двум гаджетам, перечисленным выше. Не подключают дочерние приборы. Работают с сенсорами, контроллерами и механизмами, выполняющими команды. Для сохранения энергии часто работают в спящем режиме.

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.

• ZigBee RF4CE – спецификация для управления бытовой техникой;
• ZigBee Pro – усовершенствованная версия ZigBee.

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.