Протокол zigbee: как работают устройства умного дома на базе беспроводной технологии?

Что такое ZigBee краткий обзор

ZigBee – стандарт надёжной и работающей без обрывов беспроводной связи. Если объяснять простыми словами, что представляет собой протокол, то можно сравнить принцип работы с Wi-Fi и не менее известный и популярный у пользователей Bluetooth. В основе – лежит передача данных от одного прибора другому.

Этот способ передачи данных был разработан специально для умного дома. Отличия нового типа связи состоят в том, что для работы умных приборов не требуется сложных обходных путей. Связь идёт между устройствами напрямую. Зигби имеет следующие особенности:

Безопасность – имеется защита, реализованная с помощью особых 128-битных ключей. Конфигурация сети – каждый из входящих в систему приборов получает и передаёт следующему сигнал. В результате образуются ячейки, с помощью которых удаётся избежать обрыва связи. Требования к питанию – мощных источников для работы оборудования не требуется. Диапазон сигнала – если в помещении нет стен или перегородок, то показатели достигают 12-15 метров, максимально с уменьшением качества сигнала – до 20-22 метров. Если стены имеются, то показатели равным 3-5 метрам. Совместимость – все устройства, датчики и приборы имеют специальный сертификат, по которому можно ориентироваться во время выбора подходящей комплектации для обустройства своего умного дома

Надёжность – ещё один критерий, который нужно принимать во внимание. В ячеистой сети этот показатель выше в несколько раз, чем при работе с помощью устаревшей технологии Wi-Fi

APL layer

Наконец мы добрались до самого верха в стеке протоколов ZigBee. Общий вид фреймов представлен ниже.

Data Frame Format

Этот фрейм содержит «все последовательности октетов следующего более верхнего уровня». Спрашивается, куда уж выше?

APS Command Frame Format

Acknowledgement Frame Format

Теперь тебя, возможно, насторожат новые составные части фрейма: Profile ID, Cluster, Endpoint. Попробуем с ними разобраться. Вернись к той страшной картинке со стеком протоколов в самом начале статьи. Надеюсь, теперь она будет восприниматься полегче.

PHY и MAC определены стандартом IEEE 802.15.4, вышележащие уровни — это ZigBee.

Одна из главных задумок — обеспечить совместимость (interoperability), отсюда такой комбайн на уровне APL. Это означает, что если взять, к примеру, лампочку с поддержкой ZigBee вендора А, купленную десять лет назад, и выключатель вендора Б, купленный вчера, то они без проблем будут работать друг с другом. Раньше ZigBee этим похвастаться не мог, сейчас же все становится гораздо лучше.

ZigBee Device Object (ZDO) фактически отвечает за инициализацию устройства — будет ли оно FFD (координатором) или end device. Также производит настройку и инициализацию NWK и SSP (Security Service Provider). О механизмах безопасности в сетях ZigBee поговорим чуть дальше.

Application Support Sublayer (APS) предоставляет программный интерфейс между уровнем NWK и приложениями, которые могут работать на устройстве.

Application Framework — что-то вроде окружения, где выполняются приложения ZigBee.

Чтобы устройства понимали, как взаимодействовать друг с другом, их для начала нужно идентифицировать по профилям. Для этого как раз и применяются Application profiles. Размер — два байта. Бывают:

• Public profiles — они разработаны в ZigBee Alliance для производителей совместимых устройств. Служат для того, чтобы устройства разных вендоров могли работать друг с другом;
• Private profiles (другое официальное название — Manufacturer Specific Profiles, MSP). Это уже профиль, разработанный самим вендором для своих нужд (например, специфичных для устройства).

Некоторые profile ID представлены ниже в таблице.

profile ID	описание
0x0101	Industrial Plant Monitoring (IPM)
0x0104	Home Automation (HA)
0x0105	Commercial Building Automation (CBA)
0x0107	Telecom Applications (TA)
0x0108	Personal Home & Hospital Care (PHHC)
0x0109	Advanced Metering Initiative (AMI)

Следующая структурная единица коммуникации между устройствами — Cluster ID. Она также имеет длину в два байта. Это своего рода сообщения, определенные в profile ID. К примеру, для профиля Home Automation могут быть заданы следующие кластеры:

• On/Off — используется, чтобы включить или выключить устройство (например, лампочку или термостат);
• Level control — используется для димминга (например, можно плавно зажечь лампочку на 80% от максимальной яркости);
• Color control — управление цветом освещения (вдруг захочется мимимишный розовый оттенок?).

Завершает систему адресации Endpoint. Чтобы было понятнее, приведу аналогию с обычным компьютером. Устройство ZigBee — это как машина в сети: у него есть IP, по которому можно обратиться. И как на одном компьютере может крутиться несколько служб на разных портах, так и на устройствах ZigBee может быть несколько приложений. Чтобы однозначно обращаться к одному или другому, как раз и нужны эндпойнты.

Вот так будет выглядеть иерархическая структура для выключателя света с профилем Home Automation.

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.

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.

С Aqara умный дом построит каждый

Умные устройства Aqara завоевали мировой рынок благодаря безотказности устройств и надежности ZigBee, подтвержденной миллионами пользователей.

Большинство из фанатов «умных домов» в России тоже создавали свои пространства с использованием разработок Aqara. Теперь бренд идет в массы.

Официально поставляемые продукты Aqara в РФ получают гарантийное обслуживание, русский перевод приложения Aqara Home для и Android, а так же интеграцию с местными сервисами и сетями.

Большего и не нужно: все остальное у Aqara уже есть. И удачные компоненты, и продуманная логика управления, и детализированные алгоритмы работы.

Дело за малым — попробовать самому. Обязательно понравится.

iPhones.ru

Автоматизация всего на свете за 5 минут и 3 движения.

Tuya Zigbee датчик температуры и влажности с LCD дисплеем TS0201

Внешний вид и комплектация

На фото он выглядит больше, чем в реальности. Маленький и круглый. Диаметр 61.2 мм, толщина 23 мм. В комплекте датчик, инструкция, двусторонний скотч для крепления к вертикальным поверхностям и подставка для расположения на столе, полке или прикроватной тумбочке.

Вверху кнопка, которую в инструкции назвали «reset». Она нужна для сопряжения с координатором и для повторного измерения температуры и влажности.

Внизу отверстия для доступа воздуха к датчику.

С обратной стороны отсек для батареек. Для питания требуются две батарейки ААА, которых в комплекте нет.

Вставляем батарейки и датчик сразу же будет показывать текущую температуру и влажность воздуха, а также заряд батарей. LCD дисплей имеет хорошие углы обзора, все чётко читаемо со всех сторон.

Диапазон измерения температуры: от -10°С до +55°С. Диапазон измерения влажности: от 0% до 99%.

Подставка из такого же пластика, что и корпус датчика. Вставляется в предназначенное для нее отверстие довольно плотно и позволяет расположить датчик под удобным углом для чтения показаний.

Добавление к Tuya Smart

Добавим датчик температуры к Tuya Zigbee шлюзу. Для этого в приложении Tuya Smart переходим в Zigbee контроллер и жмем кнопку «Добавить» в самом низу.

Нам сообщат каким образом произвести сброс устройства, чтобы выполнить сопряжение со шлюзом.

В случае с этим датчиком температуры и влажности нужно нажать и удерживать кнопку в течение пяти секунд, пока не начнет мигать индикатор уровня сигнала рядом с индикацией батареи.

Жмем кнопку «Светодиод мигает» и будет выполнен поиск. Датчик сразу же определился и был сопряжен со шлюзом.

В своей карточке показывает температуру, влажность и уровень заряда батареи. Есть возможность смотреть графики за предыдущие периоды.

В настройках есть возможность переименовать датчик, изменить иконку, задать расположение, настроить автоматизации и выполнить обновление прошивки. Там же можно добавить датчик к сторонним сервисам, например, к Алексе.

Если включить функцию «Оффлайн-уведомление», то уведомление о том, что устройство не в сети будет отправлено через 8 часов.

Добавление в Home Assistant

Теперь добавим датчик к Home Assistant через Zigbee2Mqtt. Ставим permit_join в режим true и выполняем сброс настроек датчика, зажав верхнюю кнопку на пять секунд, пока не замигает индикатор уровня сигнала. Смотрим лог Zigbee2Mqtt:

В Zigbee2Mqtt датчик распознался как Temperature & humidity sensor with display (TS0201)

Переходим в Настройки > Интеграции > MQTT и находим карточку добавленного датчика.

Есть возможность мониторить температуру, влажность, уровень сигнала и уровень батареи.

Умные вещи

Теперь, когда мы поняли, что такое Zigbee на вы­со­ком уров­не, давайте рассмотрим приложение Zigbee для до­маш­ней ав­то­ма­т­и­за­ции. Zigbee идеально подходит для домашней среды, поддерживаемой ячеистой сетью, большинство уст­ройств которой должны на­хо­дить­ся на рас­сто­я­нии от 10 до 100 метров друг от дру­га. При­ят­но знать, что вы можете по­йти в ма­га­зин, чтобы купить совершенно новое устройство Home Auto­ma­tion Zig­bee, и оно подключится к су­щест­ву­ю­щей инф­ра­ст­рук­ту­ре. В настоящее время на сайте Zigbee Alliance пе­ре­чис­ле­но около 400 устройств для до­маш­ней ав­то­ма­ти­за­ции. Устройства Zigbee для до­маш­ней ав­то­ма­ти­за­ции — это все распространенные устройства IoT Home, та­кие как лам­поч­ки, вы­клю­ча­те­ли, зам­ки, дат­чи­ки движения и термостаты.

Крупные компании также предлагают Zigbee-продукцию. Так, Amazon Echo Plus поставляется со встроенным кон­цен­т­ра­то­ром Zig­bee для управления устройствами оконечными устройствами, а изделия Samsung Smart­Things также ис­поль­зу­ют Zigbee-коммуникации наряду я протоколом Z-wave. Таким образом, протокол Zig­bee поль­зу­ет­ся поддержкой известных компаний в широком спектре устройств.

Что выбрать: Wi-Fi, Bluetooth, ZigBee или Z-Wave?

На рынке существуют десятки IOT технологий, но самыми популярными решениями являются Wi-Fi, Bluetooth, ZigBee и Z-Wave.

WiFi

очень популярная технология, она удобна и идеальна для голосовых помощников, систем видеонаблюдения, телевизоров, или в случае если у вас небольшое количество умных устройств. Но WiFi сильно энерго затратен и если умных устройств десятки, или сотни постоянно заряжать их проблематично. К тому же WiFi роутер не рассчитан на большое количество подключений. Конечно есть решения и на такой случай, но тогда цена развертывания сети вырастет в разы. WiFi имеет единую точку отказа — роутер.

Bluetooth LE

(Low Energy) не менее популярная технология с низким энергопотреблением, что позволяет более года не менять батарейку и высокой скоростью передачи 1-2 Мбит. Имеет функцию маячка (настраиваемое поведение устройств при приближении) и работает с устройствами напрямую. Из минусов работа в диапазоне 2,4 ГГц, и небольшой радиус действия в помещении с другими устройствами. Также большинство BLE устройств работают по принципу «точка-точка», что плохо подходит для создания продвинутых сценариев автоматизации. Но решением данной проблемы можно считать спецификацию Bluetooth mesh.

ZigBee

открытый стандарт с низким энергопотреблением конечных устройств (1-2 года), поддержкой ячеистой (mesh) топологии, высокой помехоустойчивостью, хорошей масштабируемостью (в теории до 65000 узлов) и большим проникновением на рынок. Из минусов: Zigbee работает в загружённом диапазоне 2,4 ГГц, что при сильных помехах может привести к снижению помехоустойчивости, и уменьшению радиуса действия. Каждый производитель создает отдельное приложение для поддержки только своих продуктов. Но как по мне самый большой минус это то, что устройства разных производителей не могут “общаться» между собой “из коробки”. Их можно объединить при использовании стороннего ПО, но отсутствие общих решений приводит к относительно высокому порогу вхождения. Альянс знает об этих проблемах и для устранения работает над DotDot и Connected Home over IP.

Z-Wave

— зарекомендовавший себя закрытый стандарт. Обладает высоким уровнем совместимости устройств, низким энергопотреблением, поддержкой ячеистой топологии, имеет стабильный сигнал в диапазоне 800–900 МГц, что позволяет лучше огибать препятствия (чем больше длина волны (ниже частота), тем лучше она преодолевает препятствия). Поддерживает до 232 устройств в одной сети и скорость до 100 кбит/с. Из недостатков стоит указать, что в разных странах для устройств малого радиуса действия выделены разные частоты. И устройства созданные для одной страны могут быть несовместимы для другой. Также Z-Wave несколько дороже ZigBee устройств.

Homekit, ZigBee и Aqara — идеальный набор

При использовании экосистемы Apple и iPhone основное помещение, называемое в Aqara Home «Мой дом», автоматически подключается в HomeKit.

Это позволяет управлять устройствами умного дома Aqara из-под более привычного пользователям техники Apple интерфейса.

Кроме того, с помощью HomeKit можно объединить между собой ZigBee-компоненты бренда с комплектующими других экосистем, в том числе работающих через Wi-Fi или Bluetooth.

ВАЖНО: Датчики и другие умные устройства Aqara работают только через Aqara Hub по протоколу ZigBee и не доступны в сети Wi-Fi как самостоятельные элементы

Зачем и кому нужен шлюз?

Если купленный вами прибор имеет WiFi подключение, то отдельный хаб вам не требуется. Например, все увлажнители, роботы-пылесосы, кухонная, климатическая и другая бытовая техника техника, которая постоянно подключена к электросети имеет подключение по WiFi. И поэтому таким электроприборам не нужен посредник.

А многочисленные датчики безопасности, климата или контроля доступа, работающие от батареек, а также выключатели, выносные кнопки и некоторые световые приборы или лампочки, которые используют Zigbee или Bluetooth, потребуют наличие шлюза с поддержкой своего протокола связи для интеграции в умный дом и управления ими.

Поэтому при выборе или покупке нового устройства в свой дом или квартиру, обратите внимание на тип подключения. Если это WiFi, то вы сможете подключить его напрямую к роутеру, если Zigbee или Bluetooth, то потребуется хаб

Aqara Smart Camera Gateway Edition

А вот и подоспел шлюз, встроенный в камеру от компании Aqara. Отличное решение, если вы не хотите покупать 2 отдельных устройства.

Характеристики Smart Gateway IP Camera

Производитель	Aqara
Модель	Smart Gateway IP Camera (ZNSXJ11LM)
Рабочая температура	-10℃—40℃ при отн. влажности 0-95%
Питание	5V ⎓ 1A
Модули связи	Wi-Fi 2.4 GHz，ZigBee
Камера	Разрешение: 1080p, обзор: 180°
Цена	≈ 2000 рублей.
Габариты (корпус)	99мм. x 77мм. x 70мм.
Память	Карта памяти Micro SD

В целом получился недорогой и практичный шлюз, подробнее в обзоре камеры. На данный момент устарела и в продаже отсутствует, поскольку вышла вторая версия.

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

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 ).

Положительные качества ZigBee

Положительных качеств у этого протокола хватает:

• крайне низкое энергопотребление, из-за чего одной батарейки АА хватает на 2–3 года работы одного устройства;
• относительно невысокая цена (если сравнивать с оригинальными деталями других стандартов);
• высочайшая надежность сети и способность к самообучению и самовосстановлению;
• помехозащищенность.

ZigBee модуль

Снизить энергопотребление удалось за счет подключения функции перехода в спящий режим и снижения максимальной скорости передачи информации до 250 килобит (кбт) в секунду, что гораздо меньше скорости, которую обеспечивают сети Wi-Fi, 3G и их аналоги. Поэтом у сети ZigBee нельзя использовать для передачи данных, не относящихся к работе устройств. Низкое энергопотребление устройств ZigBee оказывается существенным плюсом для тех сетей, которые не предназначены для передачи больших объемов информации, например, охранных сигнализаций, систем управления светом или медиасистем с раздельной регулировкой громкости в каждой комнате.

По сравнению с оригинальными устройствами других похожих стандартов, элементы ZigBee действительно стоят недорого, хотя и обходятся куда дороже большинства китайских блоков. Надежность сетей ZigBee основана на их ячеистой структуре – в случае повреждения одного из элементов, оставшиеся маршрутизаторы самостоятельно построят новый путь для прохождения сигналов. Благодаря квадратурной фазовой модуляции (QPSK – Quadrature Phase Shift Keying или 4-PSK) и уплотнению спектра сигнала (DSSS – Direct Sequence Spread Spectrum) помехозащищенность превосходит этот параметр любых других беспроводных систем.

Сенсорные панели и координаторы ZigBee

Как работает Aqara в обычной квартире

Один хаб позволяет подключать до 32 устройств одновременно.

Дополнительный Aqara Hub потребуется только для усиления помехоустойчивости сети или увеличения количества подключаемых устройств.

Для всех устройств можно указать место размещения для последующей корректной работы «сценариев»-макросов.

Сценарий использования можно создать после подключения необходимых устройств, создав новую карточку в разделе приложения «Автоматизация».

Будто в старинном Basic, только на русском: выбираем устройство, задаем условия во вкладках «Если» и «Тогда», устанавливаем периодичность.

С их помощью можно задавать достаточно сложные комбинации действий. Например, выключить свет и включить охранную систему по нажатию кнопки «Ухожу из дома».

Активация возможна
► в полностью автоматическом режиме по сигналу датчиков,
► по нажатию соответствующей клавиши в приложении,
► по заранее заданному действию куба или кнопки.

Другим часто используемым сценарием в России является включение обогревателя при снижении температуры в комнате, для чего достаточно объединить умную розетку с датчиком температуры.

Кнопка, подключенная к хабу, превращается в «умный» дверной звонок: нажатие клавиши заставит его мигать определенным образом или издавать заранее заданные звуки.

Структура сети

В сети ZigBee есть три основных узла:

1. Координатор — собирает данные от конечных устройств, раздает им команды, задает политику безопасности. В сети он всегда один. Этот узел выполняет еще и работу роутера.
2. Роутер — совмещают в себе функции конечного устройства и могут ретранслировать пакеты от координатора к другим элементам сети.
3. Конечные устройства — сенсоры, исполнительные устройства, подключаемые к сети через родительский узел и лишенные возможности организовывать маршрутизацию трафика.

Благодаря этой технологии и проведенной работе по стандартизации сетевого и уровня приложений, появилась большая библиотека ZCL, описывающая более 200 устройств. Например:

• Блоки управления освещением;
• Выключатели;
• Интерфейсы для счетчиков и датчиков.