ZigBee: современный протокол передачи данных системы Умный дом

Создание электроприборов с дистанционным управлением, при их массовом распространении, привело к появлению нового понятия – «Интернет вещей». Именно для Интернета вещей разработан удобный протокол передачи данных – ZigBee. В этой статье будут рассмотрены его особенности, функционирование, характеристики.

Что такое ZigBee: краткий обзор

ZigBee – это сеть, объединяющая «умные вещи» в единый информационный канал, через который происходит связь умного домохозяйства с его владельцем.

Наличие шлюза ZigBee означает, что к роутеру Wi-Fi подключён один адрес, а не сотня. Это разгружает сеть Wi-Fi от необходимости отдельного интернет-общения по сети с каждым чайником и утюгом.

Владелец, желающий контролировать электроприборы из офиса или из автобуса, связывается со шлюзом ZigBee и получает полную информацию обо всём: о лампочке, которую следует выключить, и о работающем роботе-пылесосе, или о каждом отдельном датчике. Если он попытается сделать это непосредственно через Wi-Fi, то вряд ли преуспеет: связь будет тормозить из-за перегрузки.

Еще одно преимущество специальной сети для умных вещей: это ячеистая сеть, а не звезда. Сенсорные модули взаимодействуют, каждый из них является ретранслятором. Поэтому при сравнительно слабом сигнале с не выключенного утюга и удаленности этого утюга от шлюза, информация все же дойдет до адресата. Она будет передаваться всем включенным в сеть датчикам, и сможет дойти зигзагами по множеству маршрутов.

Иными словами, обилие СВЧ сигналов (польза которых сомнительна)  компенсируется их малой мощностью (это радует).

История технологии ZigBee

Развитие сети для интернета вещей началось в 2002 году, когда обилие электродуховок и электрочайников с дистанционным управлением создало проблему перегрузки интернет-сетей. Она была переросла бы в настоящую катастрофу при нынешнем обилии смартфонов, если бы не было принято своевременное решение о ZigBee. Когда в квартире проживает три или четыре человека со смартфонами, интернет справляется, но лавинообразный рост производства умных предметов грозил бы коллапсом.

ZigBee – первая сеть, созданная для умной бытовой техники. Создание протокола ZigBee упорядочило общение владельцев с умными вещами. Появление нового стандарта связи стимулировало объединение производителей техники. Около 500 фирм-производителей вступили в Альянс, который устанавливает единые стандарты для интернета вещей. Первые стандарты разработаны в 2003 году, сертификация состоялась в 2004 году.

Альянс ставил цель: достижение совместимости сенсоров-ретрансляторов от разных производителей. Увы, эта цель была достигнута лишь частично: многие, но не все предметы от разных фирм могут свободно передавать друг другу сигнал внутри ZigBee сети. Обычно владельцы «умного дома» стараются приобретать технику от одной фирмы, или интересуются их совместимостью при покупке.

Сеть ZigBee стала стандартом, эталоном для интернета вещей. Но в последние годы у этой сети появился конкурент – сеть Bluetooth. В этой сети горизонтальные связи выражены еще сильнее, сигналы могут передаваться не только через «свой» шлюз, но и через соседний, и вообще через любой, находящийся в зоне досягаемости.

Что такое Mesh-сети и почему они так эффективны

Меш-сети – это ячеистые сети, в которых существуют горизонтальные связи по принципу «все со всеми». Непосредственная связь осуществляется между несколькими ретрансляторами, на увеличенных расстояниях сигнал данного излучателя затухает. Но при достаточно плотном расположении ретрансляторов сигнал от любого абонента можно получить в любой точке, куда достигает сеть. По этому принципу построена Wi-Fi, и по такому же принципу работает ZigBee. Альтернативой ячеистым сетям служит сеть – «звезда», у которой есть центр и периферия. В некоторых сферах сохраняются сети конфигурации «звезда», но число ячеистых сетей быстро увеличивается, ввиду их явного преимущества.

Сетевые устройства ZigBee

Сеть ZigBee является ячеистой, но она встроена в иерархическую систему. У нее есть центральный элемент – координатор, или шлюз. Он получает сигналы от всех абонентов (умных вещей), автоматически присваивает им уникальные адреса, и передает информацию на Wi-Fi роутер, с которой сигнал уходит на облачный сервер. Сенсорные модули на бытовой технике условно называются конечными, хотя они могут являться ретрансляторами сигналов. Если площадь дома большая, расстояние между предметами может критично ослаблять сигнал, то дополнительно устанавливаются маршрутизаторы, для ретрансляции сигналов.

Между шлюзом ZigBee и роутером может находиться маршрутизатор, направляющий ему сигнал, предназначенный для его сети, и направляющий другие сигналы по соответствующим адресам. Это может выполняться, если несколько квартир имеют общий электронный адрес и поступающие сигналы распределяются между абонентами. Другой вариант – если внутри одной квартиры функционируют не одна сеть ZigBee, а больше: например, ZigBee и Bluetooth.

Типы сетей шлюза ZigBee

Существуют три типа сетей, а также большое число их комбинаций.

Сеть «звезда» — это центральный сервер и периферийные устройства. Обмен сигналами между периферийными устройствами выполняется только через сервер. Такие сети были популярны в начале развития проводных компьютерных сетей. Сейчас идея такой сети присутствует в виде подключения многих абонентов к облачному серверу, на котором могут находиться управляющие программы. При этом структура самого облачного сервера сегодня сложна и представляет собой ячеистую сеть.

Ячеистая сеть – это объединение принимающих и предающих устройств, каждое из которых может являться ретранслятором. При этом каждое устройство читает только те сигналы, которые адресованы ему, и выполняет команды, направленные в его адрес. Ячеистая сеть не имеет единого центра, построена на горизонтальных связях. Сетей, которые являются чисто ячеистыми, нет: имеются передатчики с более высокой иерархией, концентрирующие информацию и способные управлять ее распространением.

Дерево – это сеть, в которой сигнал передается от центра периферийным устройствам, у которых, в свою очередь, есть свои периферийные устройства. Дерево – это разновидность звезды, с более сложной конфигурацией.

Применение технологии

Технология ZigBee востребована не только в «умном доме», но и промышленных зданиях, офисах, лечебных учреждениях, научных лабораториях.

Рассмотрим основные сферы применения.

1. Управление оборудованием умного дома: микроклиматом, бытовой техникой, системой безопасности.
2. Дистанционное управление промышленным оборудованием на производстве.
3. Мониторинг медицинских показателей пациента в лечебном учреждении или на дому, с возможностью для врача отслеживать показания приборов в реальном времени.
4. Система пожарной сигнализации: отслеживание состояния воздуха в помещениях, передача показаний газоанализатора, в случае угрозы пожара – комплекс действий, предусмотренных программным обеспечением.
5. Мониторинг беспроводных сенсорных сетей. При достаточной плотности датчиков и регулярном анализе информации легко выявить неисправные датчики, чьи показания резко отличаются от соседних. Это позволяет своевременно ремонтировать сеть, выполняющую важные функции (например, пожарная охрана).

Протокол ZigBee в системе «Умный дом»

Сегодня ZigBee не является единственной сетью для управления умными домами. Но эта сеть появилась первой, и во многих регионах является стандартом. Очевидные преимущества ячеистой беспроводной сети присущи не только ZigBee, у неё появляются конкуренты. Но у ZigBee есть важное конкурентное преимущество: совместимость с большим количеством выпущенного и выпускаемого оборудования. Даже при желании отказаться от протокола ZigBee невозможно из-за его востребованности.

При покупке аппаратуры для ZigBee нужно отдавать предпочтение новейшим моделям. Они наверняка совместимы с приборами, изготовленными в прошлые годы, но они также работают с новинками.

ZigBee устройства и производители

Модули ZigBee производятся фирмами Cirronet, Helicomm, MaxStream, MeshNetics, Radiocrafts и Telegesis. Микроконтроллеры для устройств ZigBee выпускают Atmel, Freescale и TI. В большинстве устройств применены радио трансиверы производства Chipcon (TI) и Freescale. Компания MeshNetics предлагает модуль ZigBit с трансивером Atmel AT86RF230, это наиболее продвинутое решение: дальность связи у этого устройства наибольшая.

Преимущества и недостатки

Преимущества ZigBee прежде всего связаны с ее ячеистой структурой. Рассмотрим основные преимущества:

• ZigBee – открытая система, ее можно достраивать и усложнять многократно. Возможны простые недорогие решения и сложные, многофункциональные.
• Гибкость системы. Сигнал от любого устройства попадает в шлюз множеством путей, благодаря сети устройств-ретрансляторов.
• ZigBee поддерживает до 6500 устройств в одной сети, при этом для роутера Wi-Fi является одним абонентом.
• ZigBee совместима со множеством приборов и датчиков от разных производителей. Количество совместимых устройств оценивается как 2500, и оно растет.

Недостатки технологии:

• Нет единой платформы для разработки сложных приложений;
• Невысокая скорость передачи информации;

Отличия ZigBee от других протоколов

Сеть ZigBee представляет собой комбинацию ячеистой структуры и иерархической. Она более динамичная и гибкая, чем Wi-Fi, но распространение горизонтальных связей у нее меньше чем у Bluetooth. Результатом этого является большая «вместимость» сети ZigBee, но скорость работы несколько ниже, чем у Bluetooth.

В чем отличие ZigBee от Wi-Fi

Сегодня можно посредством смартфона, на котором установлено соответствующее приложение, контролировать квартиру, находясь далеко от неё. Можно проверить состояние электроприборов, пожарной сигнализации, получить сигнал с датчика движения, включить робот-пылесос. За редким исключением, умные вещи оснащены беспроводными сенсорами – в том смысле, что связь с ними выполняется посредством радиосигналов на частоте 2,4 ГГц.

Можно контролировать все электроприборы, используя Wi-Fi. Но на этом пути сразу обнаруживаются препятствия.

Много абонентов Wi-Fi не потянет. Между тем любители умных вещей увлекаются и заводят чайники и кофеварки с сенсорными датчиками, утюги и электропечи, осветительные приборы и т.д. В итоге Wi-Fi  роутер глючит и бастует. Обидно, что среди армии чайников и сковородок присутствуют датчики безопасности, и они тоже могут не пробиться к владельцу со своими важными сигналами.

Есть еще одна причина, по которой сигнал датчика может не дойти до адресата: не хватает мощности, сигнал затухает. Ему могут мешать стены, мебель, закрытая дверь. Поэтому потребовалось, в дополнение к Wi-Fi, делать ZigBee. Она, как и Wi-Fi, имеет главный координатор (шлюз), но он связан с ячеистой сетью, где каждый сенсорный модуль является приёмопередатчиком. В результате сигнал от любого сенсора может дойти на координатор множеством путей, и потери информации очень редки.

В чем разница между ZigBee и Bluetooth

Выше говорилось о том, что ZigBee имеет более гибкую, ячеистую структуру, чем Wi-Fi, имеет большое количество горизонтальных связей. Но сеть Bluetooth еще более «демократичная»: она может воспользоваться не только своим координатором, но и любым другим, находящимся в зоне досягаемости. Это повышает пропускную способность сети и дополнительно уменьшает риск потери информации.

Кому стоит выбрать ZigBee

Если в доме появилось несколько умных электроприборов, то нужно задуматься об устройстве сети ZigBee. Это не позволит перегрузить домашний интернет, поскольку все домашнее оборудование будет объединено под одним электронным адресом, а команды внутри сети будет распределять координатор. В дальнейшем сеть можно выращивать и усложнять в соответствии со своим желанием.

Вывод, почему лучше использовать ZigBee

Устанавливая умную технику, пользователь обязательно столкнется с необходимостью организовывать сеть ZigBee. Даже если у него есть устройства, работающие по протоколу Bluetooth. Просто в таком случае придется ставить два координатора: Bluetooth и ZigBee. Это связано с тем, что количество бытовой техники, совместимой с ZigBee, очень велико, и её нужно подключать к «родной» сети. Поэтому если дом начал «умнеть» — пора позаботиться о сети ZigBee.