Система умного дома ZigBee – это не бренд и не готовый набор устройств: хаба, датчиков. Это стандарт связи и взаимодействия совместимых устройств. Поэтому, если вы ищете как побыстрее и проще сделать свой дом умным, лучше обратите внимание на готовые системы: Xiaomi, Amazon Echo или Google Home.
Если же вас интересует возможность сделать умный дом “под себя”, вам нравится копаться в настройках, датчиках, других устройствах, — то читайте о возможностях ZigBee в рамках проектирования умных домов.
Что такое умный дом ZigBee
В этой системе устройства используются как центр управления и беспроводная сеть, по системе напоминающая Wi—Fi или Bluetooth, но с рядом преимуществ перед ними.
- Энергоэффективность. Wi—Fi передаёт до 54 Мбит в секунду, а потолок для ZigBee – 250 Кбит. Этого достаточно для сети умного дома, которая обменивается только базовой информацией – на уровне срабатывания, отключения или обновления состояния устройства. Отсутствие избыточной мощности у системы добавляет пару лет работы тем компонентам умного дома, которые не подключаются к розетке. Кроме того, когда ZigBee-элементы не используются, то переходят в режим «сна».
- Самоорганизация. Несмотря на маломощность, ZigBee объединяет устройства в сеть без зависимого подключения друг от друга. Здесь нет линейной иерархии типа: «команда от центра идёт к конечному устройству только тем маршрутом, который запланирован заранее». Это значит, что если один участник ZigBee-сети исчезнет или сломается, то сеть самостоятельно реорганизуется и команда дойдёт до нужного устройства через другие узлы. Это свободное, «ячеистое» подключение делает умный дом ещё и надёжным.
- Доступность и цена. Вы можете купить отдельный радиомодуль и припаять его к плате датчика, например. Продажа в состоянии «полуфабриката» с необходимостью сопутствующей работы, положительно сказывается на цене модулей в пределах ~20$ за штуку. Нужные компоненты свободно находятся и покупаются в интернет-магазинах, в частности на Алиэкспресс.
- Стандартизация. Библиотека ZigBee Cluster Library – ZCL, описывает +200 предварительных настроек под датчики, модули управления электромеханическими приводами, компоненты умного освещения, выключатели etc. Библиотека продолжается пополняться. Сверх этого, модули ZigBee используют профили, которые связывают беспроводные устройства различных компаний и экосистем.Эти специализированные пресеты объединены в «публичные профили», так для умного дома это «Home Automation», но ещё доступны профили для организации сети в больницах, на стройке или заводах. Поскольку исходный код у системы открытый: доступен через проект ZBOSS, у сторонних разработчиков наблюдается встречный процесс стандартизации. Так, например, модули компании Atmel совместимы с ZigBee по умолчанию.
Читайте обзор: Что такое умный дом: разные системы: разные возможности
Как работает
Теперь вы понимаете, зачем нужна и чем интересна эта технология ZigBee.
Итак, если разложить технологию умного дома ZigBee на составляющие, то получится, что она одновременно существует в программном и физическом виде. На программном уровне это сетевой протокол, который описывает специфику работы системы в рамках стандарта низкоскоростной персональной сети IEEE 802.15.4. Если очень просто – стандарт IEEE 802.15.4 это автомобиль, а ZigBee – его тюнинг под специфику гонок по бездорожью.
К программному уровню относятся и приложения, с которых вы управляете умным домом и общий профиль для приложений «Home Automation». Физический уровень – специальные устройства ZigBee, которые связываются между собой на радиочастоте 2,4 ГГц. Среди них:
- Только один координатор для формирования сети. Подключается к компьютеру через USB-разъём, через него управляются нижестоящие устройства и задаются параметры безопасности.
- Любое количество маршрутизаторов для распространения сети. Работают постоянно, поэтому для работы им требуется питание от розетки. Один маршрутизатор связывает с координатором до 32 устройств.
- Модули-приёмопередатчики в конечных устройствах умного дома для подключения их в сеть ZigBee. Это те самые датчики, электромеханические приводы и остальные понятные штуки. Они отсылают отклик на запрос координатора или маршрутизатора, но уже не подключают к себе других устройств.
Это только общее описание структуры и вам пока не ясно, где именно находятся участники получившейся сети, что является самим ZigBee, а что дополнением к нему. Представьте это как слоеный пирог, где самый вкусный верхний слой джема или глазури покрывает основные коржи.
Слой сторонних приложений
- Ближе всего к конечному пользователю находятся сторонние приложения для смарт-устройств. Они имеют понятную графическую оболочку, доступны на ПК, планшете и смартфоне. Смарт-устройства «интернета вещей» управляются приложениями.
Слой приложений и протоколов ZigBee
- Общий профиль «Home Automation» — объединяет приложения сторонних разработчиков. Технически, это тоже приложение, но заранее установленное самим ZigBee. Через Home Automation вы управляете устройствами в домашней сети централизовано, а не переключаетесь между приложением термостата и умного выключателя для настройки.
- Фреймворк приложений – это основа для общего профиля. Он работает уже не с пользователем, а скорее с конечными устройствами, их кластерами и группами. Он также запоминает уникальные ID каждых участников домашней сети ZigBee. Это и часть защиты умного дома от злоумышленников. Фреймворк фильтрует ID устройств запрашивающих подключение к сети, но которые не занесены в его список допущенных к подключению.
- Сетевой протокол ZigBee — описывает формирование ячеистой структуры сети и работу физических узлов с ней (топология сети). Это связующее звено между программным и физическим уровнем ZigBee. Он отвечает за соответствие радиоканалов, экономию энергии через гибернацию незадействованных модулей ZigBee в конечных устройствах. Так же в его ведении ещё ряд специфических функций.
Слой стандарта IEEE
- MAC-адрес – Каждое устройство имеет свой уникальный MAC-адрес, понятный для фрейма. По этому адресу Фреймворк запоминает устройство. Также, MAC нужен для повышения надёжности сети, что бы с в случае сброса или подключения нового устройства, его адрес оставался неизменным.
- PHY-уровень – Описывает физический уровень передачи данных радиоволнами и физических же участников сети ZigBee, как координатор и маршрутизаторы.
Конечно, это всё ещё крайне упрощённое видение ZigBee, но его вполне достаточно, что бы собрать умный дом из готовых ZigBee-ориентированных смарт-устройств.
ZigBee Alliance
Хорошо, пришло время рассказать о самих разработчиках – некоммерческой организации ZigBee Alliance. Это ассоциация с ~400 участниками, которые поддерживают и развивают стандарт беспроводной связи для умного дома, систем энергосбережения, автоматизации ритейла, строительства и ряда смежных областей. Все эти протоколы ZigBee имеют один общий элемент – они используют ту же базовую технологию радиосвязи, ту же полосу частот 2,4 ГГц, которая соответствуют общемировой сертификации радио.
Протоколы альянса напоминает таковые у WiFi Alliance. Оба следуют многоуровневой модели «слоёв» и основаны на IEEE, из-за чего у них одинаковые MAC и PHY уровни. Совпадают они и в использовании диапазонов, которые преодолевают мебель, стены и полы. Главное же различие между ними в подходах к стандартизации, из-за чего ZigBee теперь ассоциируется с самодостаточными проектами умных домов. ZigBee Alliance принял на себя ответственность за стандартизации верхних слоев, вплоть до уровня приложений – поэтому он пишет библиотеки устройств и создаёт «общие профили.
В 2002 году, когда ZigBee Alliance только появился, специалисты и энтузиасты домашней автоматизации говорили об умном доме под управлением общей сети. Они делали открытия в дистанционном управлении домашней средой, что бы мы управляли безопасностью, освещением, климат-контролем и даже охраной здоровья с одно приложения на ПК или смартфоне.
Отдельные устройства, датчики и исполнительные механизмы этих систем были доступны и раньше. Но они не существовали друг для друга, потому что не было никакого универсального протокола связи, который позволил бы устройствам объединиться, а человеку — легко управлять ими.
Проекты и кейсы умных домов под ZigBee
В последнем десятилетии, умные дома развивались благодаря роскошным персональным проектам и народным умельцам. Однако теперь ZigBee стала доминирующей технологией связи для готовых и недорогих смарт-устройств – клеем, который связал компоненты умного дома. С этим мы получили рост интереса к проектам умных домов под эту систему.
Среди них такие проекты как:
- Xiaomi Smart Home,
- Wulian,
- Legrand.
Устройства, которые работают по технологии ZigBee, управляют диммерами – переключателями освещения, приводами — шторами, жалюзи, воротами. Кроме датчиков проникновения, реализованы готовые модули технической сигнализации для выявления утечек воды или газа.
Так же, наборы модулей вроде XBee ZigBee Mesh, позволяют создавать собственные смарт-устройства, совмещая с ZigBee микроконтроллеры и платы. Только в 2016 году, о сотрудничестве с Альянсом объявили такие компании как Phillips, Digi International, EnerBee, GreenPeak Technologies, Jiuzhou Greeble: MMB Networks, Murata и Ubisys.
Свободная концепция ZigBee и оптимизация его работы привлекает всё новых разработчиков. Это значит, что умный дом под этот стандарт стоит рассматривать и в качестве собственного проекта.