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.