Zigbee — технология, сделавшая возможным умный дом

Часть 1. Общие требования к беспроводным технологиям домашней автоматизации

Прежде всего давайте разберемся, что такое протоколы связи и какова их роль в том, чтобы наши дома и офисы становились умными. Протокол — это набор правил, которые позволяют двум или более устройствам в сети установить надежную связь и успешно обмениваться данными друг с другом. Для того чтобы “Интернет вещей” и умный дом как одно из его проявлений стал реальностью, огромная часть коммуникаций должна быть беспроводной. Какие требования предъявляются к технологиям и устройствам беспроводной автоматизации?

1. Энергопотребление

За последние годы появился широкий спектр технологий для организации беспроводной связи между устройствами. В подавляющем большинстве случаев они подчиняются крайне жестким требованиям к энергопотреблению и пропускной способности. Два эти фактора значительно увеличивают время работы от батареи и позволяют использовать большее количество устройств в ограниченном пространстве умного дома или офиса. Доступный для домашней автоматизации радиочастотный спектр ограничен. Поэтому для одновременной работы множества устройств крайне важно оптимизировать его использование каждым таким устройством.

Таким образом, идеальный гаджет для умного дома должен использовать беспроводный приемник и передатчик, которые потребляют минимальное количество энергии, чтобы устройство могло работать в течение многих месяцев или даже лет без необходимости замены батареи. Сам элемент питания также должен быть миниатюрным, так как его размер зачастую оказывает прямое влияние на итоговый размер самого продукта. А значит, требования к стандарту беспроводного протокола связи по потребляемой мощности устройствами вашего будущего умного дома должны быть очень жесткими.

2. Радиус действия и безопасность

Сигнал от любого вашего гаджета должен стабильно и с минимальной задержкой достигать любого другого умного устройства, установленного в самом отдаленном участке жилища. Лампочки, которые включаются с задержкой несколько секунд, или умный замок, не сразу пускающий вас внутрь — это не то, с чем у нас ассоциируется современный умный дом. Не говоря уже о датчиках задымленности, протечки газа или вибрации, которые должны срабатывать четко и быстро. Поэтому сигналы от любого вашего устройства должны преодолевать любые преграды, в том числе распространяться через стены и полы дома. Все умные гаджеты, независимо от их количества, должны работать как единый слаженный механизм. И, конечно же, помехи от других беспроводных сетей или других устройств, работающих на той же частоте, должна быть устранены или хотя бы сведены к минимуму.

Любые сообщения вашего устройства должны быть защищены шифрованием, а добавление нового устройства в сеть должно происходить легко, быстро и в то же время безопасно. Но процедуры безопасности не должны усложнять подключение.

3. Возможность работы по расписанию и без него

Программный функционал, реализованный и доступный для некоторых популярных беспроводных технологий домашней автоматизации, позволяет задать расписание для таких событий, как, например, открытие жалюзи, включение света или отопления. Но многие события, происходящие в нашем умном доме, нельзя спланировать заранее. Протечка воды, утечка газа, появление дыма или взлом невозможно предсказать. А датчики температуры, выключатели, диммеры, шаттеры и т. д. не всегда можно запрограммировать на выполнение автоматических сценариев. Поэтому также важно, чтобы каждое IoT-устройство в умном доме могло отправить или получить команду на выполнение тех или иных действий не по сценарию, а в зависимости от ситуации.

4. Отказоустойчивость

Топология беспроводной сети, которую поддерживает тот или иной протокол умного дома, имеет решающее значение для такого важного фактора, как отказоустойчивость. Кроме того, она оказывает прямое влияние на уже упомянутые нами энергосбережение и радиус действия устройства. Современный взгляд на построение беспроводных сетей домашней автоматизации предполагает децентрализованный подход, который использует ячеистую топологию сети (mesh-сеть). Каждое устройство в такой сети может напрямую связываться с любым другим устройством в радиусе своего действия. Если два устройства находятся слишком далеко друг от друга, то сигналы могут передаваться через промежуточные устройства этой сети, таким образом значительно увеличивается зона действия устройств.

Кроме того, новые гаджеты могут добавляться, а старые удаляться без негативного влияния на надежность сети. Однако для большинства ячеистых сетей также требуется «основное» устройство, которое служит сетевым контроллером для координации совместной работы десятков или даже сотен устройств в одной сети. Если основное устройство выходит из строя, то другое устройство должно уметь автоматически принимать управление сетью на себя. Это свойство mesh-сетей имеет решающее значение для обеспечения постоянной бесперебойной работы всей системы.

5. Взаимная совместимость

И, наконец, на самом базовом уровне идея домашней автоматизации заключается в том, что все наши умные устройства должны объединяться в сеть и беспрепятственно «общаться» друг с другом. Однако реальность еще далека от этой идеальной концепции. Рынок умного дома все еще находится на ранней стадии развития и сильно фрагментирован. Речь пока даже не идет об обеспечении совместимости разных стандартов беспроводных протоколов связи, которая позволяла бы устройствам и системам взаимодействовать друг с другом. Вопрос заключается в совместимости в рамках одного стандарта. Проще говоря, далеко не каждая технология, которую вы выберете в качестве главной для домашней автоматизации, может гарантировать, что разные умные продукты, поддерживающие один и тот же стандарт, будут «понимать» друг друга. Сейчас, например, может оказаться, что когда при задымлении датчик дыма отправил сообщение управляющему устройству, вы можете не получить предупреждение об опасности. Причина в том, что датчик и контроллер, хоть и основаны на одном стандарте, но выпущены разными производителями, могут «не понять» друг друга.

Почему так происходит? Вопрос совместимости — это не проблема исключительно сетевых протоколов, обеспечивающих подключение. Неочевидные с первого взгляда, но от этого не менее серьезные проблемы спрятаны глубже, и заключаются в отсутствии стандартных форматов данных или общих программных интерфейсов. Тем не менее, заставить умные устройства беспрепятственно «общаться» друг с другом, то есть гарантировать совместимость независимо от производителя или даты производства — это элементарная потребность, которую необходимо удовлетворить, чтобы сделать ваш умный дом реальностью.

Модель OSI — единый критерий сравнения протоколов умного дома

Поскольку большинство конкурирующих беспроводных стандартов умного дома зачастую обладают схожими свойствами, может показаться, что все они выполняют в основном одну и ту же работу. Однако стоит чуть углубиться в тему, и мы сразу обнаружим принципиальные различия между ними. Разные технологии беспроводной связи разрабатывались для выполнения разных задач. Соответственно, и работу свою они выполняют по-разному. Многие аспекты станут очевидными, если взглянуть на эти сетевые технологии сквозь призму эталонной модели OSI.

Международная организация по стандартизации (International Organization for Standardization, ISO) разработала модель взаимодействия открытых систем (Open Systems Interconnection, OSI) еще в 80-х годах прошлого века. OSI — основа для координации разработки стандартов связи и до сих пор остается эталонной моделью для коммуникационных сетей. Структура OSI рассматривает процесс коммуникаций в сети как управляемую иерархию, состоящую из семи уровней. Каждый из них отвечает за определенные функции и решает четко определенные задачи в рамках одного уровня, а также взаимодействия с уровнями, расположенными непосредственно ниже и выше. Семиуровневая эталонная модель OSI выглядит следующим образом:

• Прикладной уровень (Application).
• Уровень представления (Presentation).
• Сеансовый уровень (Session).
• Транспортный уровень (Transport).
• Сетевой уровень (Network).
• Канальный уровень (Data Link).
• Физический уровень (Physical).

В рамках данной статьи мы не будем заострять внимания на том, какие сервисы и задачи реализуются на каждом уровне. Тем не менее, при более подробном рассмотрении каждой конкретной беспроводной технологии домашней автоматизации мы будет возвращаться к этой модели, чтобы показать, на каких уровнях и каким образом работает каждый стандарт связи, и что это значит для конечных пользователей. Это связано с тем, что некоторые из стандартов, претендующих на лидерство на рынке умных домов, реализуют лишь малую часть 7-уровневой модели OSI и делегируют полномочия другим технологиям, чтобы они “заботились” об остальных аспектах коммуникаций.

Само по себе это не означает, что какой-то стандарт лучше или хуже остальных. Но каждый из этих уровней важен, так как определяет задачи, которые являются неотъемлемой частью процесса коммуникаций между устройствами умного дома. Они позволяют гаджетам, использующими один и тот же протокол, «общаться» между собой, обеспечивая необходимый функционал для стабильной работы сети, безопасности, быстрого обмена данными и т. д.

Кроме того, самый верхний — прикладной — уровень является ключом к взаимной совместимости устройств. Если прикладной уровень не определен стандартом, устройства разных производителей просто не могут “понять” друг друга. Этот аспект объясняет, почему проблема совместимости существует не только в ситуациях, когда два устройства, использующие разные протоколы, не могут обмениваться данными. Дело в том, что даже если эти устройства используют один и тот же протокол, они все равно не смогут взаимодействовать, если в этом конкретном протоколе не определен самый верхний уровень модели OSI.

В следующих разделах рассмотрим особенности каждого протокола домашней автоматизации по отдельности.

ZigBee – описание

Первые попытки сделать «умный дом» начались много десятилетий назад. Сначала все оборудование было громоздким и неэффективным, к тому же потребляло очень много электроэнергии. По мере развития микроэлектроники компоненты умного дома становились все меньше и эффективней, а также снижалось потребление ими электричества. Затем от проводных сетей произошел переход к беспроводным, которые обладали существенным достоинством – их можно было прокладывать, не портя отделку и дизайн помещений.

Однако беспроводные устройства не могли долго работать без внешнего источника питания, что существенно снижало возможности по их использованию. Высокое энергопотребление было следствием огромной производительности, которая зачастую была избыточной. Поэтому появилась нужда в новом протоколе и стандарте, которые бы идеально подходили для сетей нижнего уровня. От таких сетей не требуют высокой скорости передачи данных, ведь их задача передавать сигналы на включение и выключение конкретных устройств с максимальной надежностью и минимальным энергопотреблением. Так и появился ZigBee.

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.

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.

Минусы ZigBee

Несмотря на массу положительных качеств, у стандарта ZigBee хватает и недостатков, главный из которых – отличия в спецификациях разных производителей. Поэтому нередко устройства стандарта ZigBee, выпущенные разными производителями, несовместимы друг с другом. Исключения составляют устройства, которые помечены надписью ZigBee-certified, однако их стоимость гораздо выше обычных устройств ZigBee. Еще один недостаток связан с невозможностью использования любых устройств стандарта ZigBee в системах наблюдения. Ведь сети ZigBee не поддерживают передачу данных, не связанных с режимом работы устройств, поэтому не могут передавать никакой сторонней информации.

Основные элементы сети ZigBee

Вот основные элементы сети и их описание:

• координатор;
• маршрутизатор;
• конечное устройство.

Задачей координатора является построение сети, то есть включение в нее остальных элементов. Именно координатор определяет, какой элемент подключен к сети, а какой нет. Маршрутизаторы хоть и подчинены координатору, но самостоятельно определяют оптимальный путь для передачи информации от координатора к конечному устройству и наоборот. Поэтому в случае повреждения одного маршрутизатора происходит автоматическая прокладка нового маршрута в обход поврежденного узла. Конечные устройства – это датчики и управляющие работой исполнительных механизмов ключи (контроллеры). Благодаря тому, что большую часть времени конечные устройства проводят в спящем режиме, снижается их энергопотребление и увеличивается время работы от одной батареи. В отличие от конечных устройств, которые получают питание от батарей, маршрутизаторы нуждаются в постоянном подключении к сети, ведь они потребляют гораздо больше энергии, чем конечные устройства и не могут переходить в спящий режим.

Оборудование ZigBee

Многие производители, входящие в альянс ZigBee, предлагают не отдельные устройства, а готовые комплекты для управления тем или иным процессом. При этом разные комплекты сочетаются между собой только когда они изготовлены одним производителем, или по одной спецификации, о чем написано на их упаковке. Стоимость оборудования зависит от:

• производителя;
• назначения и сложности элемента (блока);
• места покупки.

Стоимость деталей от малоизвестных китайских производителей всегда меньше, чем от лидеров этого рынка. При этом по функциональным возможностям китайские детали мало чем уступают дорогим брендовыми аналогам. В большинстве случаев, разница между китайскими и брендовыми деталями заключается в надежности – срок службы китайских изделий меньше в 1,5–3 раза.

Дешевле всего покупать детали на площадках АлиЭкспресс, еБэй или их аналогах, но там представлены только китайские детали и комплекты. Надежные европейские и азиатские детали и комплекты необходимо приобретать в специальных магазинах, которые торгуют оборудованием для умного дома.

Особенности технологий ZigBee и Thread

Технологии ZigBee и Thread – это спецификации сетевых протоколов, которые работают преимущественно в диапазоне 2,4 ГГц и обеспечивают построение ячеистых (MESH) сетей. В таблице 1 показаны характеристики различных беспроводных технологий, применяемых при домашней и коммерческой автоматизации.

Таблица 1. Сравнительные характеристики технологий построения сетей

Объединения ZigBee Alliance и Thread Group поддерживают развитие одноименных технологий построения сетей ZigBee и Thread. Данные технологии при построении сети используют один и тот же стандарт связи, разработанный и поддерживаемый IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers — Институт инженеров электротехники и электроники) и названный стандартом 802.15.4. На рисунке 2 изображена поуровневая структура протоколов ZigBee и Thread.

Рис. 2. Структура протоколов ZigBee и Thread

Стандарт IEEE 802.15.4 определяет физический и MAC-уровни модели связи Open Systems Interconnection (OSI). Физический уровень предоставляет две услуги: физическое обслуживание данных и физическое обслуживание управления. К задачам уровня относятся: активирование/дезактивирование приемопередатчика, выбор канала, определение уровня энергопотребления, передача и получение пакетов через физическую среду. MAC-уровень предоставляет услуги по обслуживанию данных и обслуживанию управления на канальном уровне. Задачи уровня – сигнальное управление, доступ к каналу, утверждение пакетов, подтверждение доставки пакетов, соединение (ассоциация) и разъединение (диссоциация) с устройствами, а также – обеспечение механизма безопасности. Стандарт ориентирован на организацию персональной сети (PAN), которая гарантирует надежную передачу фреймов данных верхнего уровня при очень малой мощности сигнала (единицы-десятки милливатт).

Технологии построения сетей стандарта 802.15.4, такие как ZigBee и Thread, могут быть реализованы посредством использования одних и тех же микроконтроллеров. Например, недавно созданный компанией Texas Instruments CC2652R идеально подойдет для такого решения. Необходимое программное обеспечение может быть загружено на микроконтроллер как при производстве устройств, так и при последующем их использовании и модернизации «в поле», благодаря чему данный контроллер обеспечивает простое и безопасное решение для создания устройств беспроводной автоматизации.

Создатели технологий ZigBee и Thread выбрали асинхронный режим работы узлов, что обеспечивает эффективный обмен небольшими пакетами в маломощной беспроводной сети. Таким образом, между устройствами не осуществляется постоянный обмен данными, а сами они находятся в спящем режиме, кроме тех ситуаций, когда необходимо отправить или принять пакет данных. Задержка передачи таких пакетов чрезвычайно мала и составляет десятки миллисекунд.

Независимо от объема данных, передаваемых в сети (будь то один или несколько байтов), устройства пробуждаются из спящего режима, отправляют данные на свой узел ретрансляции, а затем быстро возвращаются в состояние ожидания. Предусмотрено два режима работы – активный (когда устройство принимает или передает данные) и режим ожидания, в котором ток потребления составляет несколько микроампер. Например, CC2652R, о котором упоминалось ранее, может находиться в режиме ожидания, сохраняя при этом данные оперативной памяти (ОЗУ) и потреблять всего 0,9 мкА.

Способность переходить в режим ожидания с малым токопотреблением несет большие преимущества для устройств, которые передают данные пакетами, а не на постоянной основе (например, сигнализации открытия двери или окна, устройства, реагирующие на действия пользователя, выключатели, брелоки управления, тревожные панели или системы открытия-закрытия жалюзи). Устройства ZigBee и Thread могут успешно работать в системах автоматизации дома и офиса несколько лет от одной батарейки типа «таблетка».

Передача данных эффективна благодаря тому что ZigBee и Thread располагаются на верхнем уровне стандарта 802.15.4, который позволяет оптимизировать размер пакета передаваемых данных и свести время передачи к минимуму.

Thread использует стандарт взаимодействия 6LoWPAN по протоколу IPv6 и переадресацию на канальном уровне.

Аббревиатура 6LoWPAN расшифровывается как IPv6 over Low Power Wireless Personal Area Networks. Данный стандарт был разработан специально для передачи IPv6-datagram-сообщений между устройствами, имеющими ограниченный ресурс и включающими в себя малопотребляющий контроллер и высокочастотный приемопередатчик.

6loWPAN поддерживает три основные функции:

• Адаптация размера пакетов. Минимальный IPv6 MTU равен 1280 байт. В сетях 802.15.4, использующих UDP и DTLS – 63 байта. 6loWPAN предоставляет механизм фрагментации и сборки исходного сообщения для адаптации длинных IPv6-datagram-сообщений в 802.15.4-пакеты небольшого объема.
• Сжатие заголовков пакета. Для уменьшения расходов при передаче IPv6-сообщений в 802.15.4-пакете 6loWPAN предоставляет механизм сжатия избыточных данных в заголовках транспортного уровня и IPv6. Для этого используются IPHC и NHC. IPHC применяется при сжатии IPv6-заголовков, а NHC – при сжатии UDP-заголовков.
• 6loWPAN Forwarding. Thread, как было сказано ранее, использует IP-маршрутизацию для пересылки пакетов. IP-таблица адресов поддерживается в виде адреса получателя сообщения (destination address) и адреса следующего узла в маршруте (next hop address).

В свою очередь технология ZigBee была разработана без опоры на IP, с бинарной оптимизацией в сетевом протоколе для базовых кадров 802.15.4

Данные в сети, отправляемые для того чтобы поддержать или установить соединения между ячейками, имеют достаточно малый объем и представляют собой пакет размером в 20 байт (к примеру, это может быть команда управления освещением или какой-либо аварийный сигнал) и 50…80 байтов с периодом передачи в нескольких десятков миллисекунд. В большинстве систем с 4…5 ячейками скорость установления связи между устройствами составляет менее 100 мс (в частности, 100 мс соответствует типичному времени отклика человека для повторного нажатия кнопки выключателя или звонка). Малая потребляемая мощность и способность сети подстраиваться под ключевые требования систем умного дома, содержащих более 10 узлов взаимодействия (освещение, термальные датчики и прочее) заслуживают особого внимания и с учетом перспективы коммерческого использования подобных сетей в системах, где количество датчиков может достигать нескольких сотен.

802.15.4 является протоколом, который обладает встроенным арбитражем для канала (CSMA-CA Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance или дословно – многостанционный доступ с контролем несущей и предотвращением конфликтов).

CSMA-CA – это сетевой протокол, в котором, используется схема прослушивания радиоканала до начала передачи.

Технологии ZigBee и Thread были успешно продемонстрированы в крупных коммерческих проектах, которые включали в себя сотни узлов сети, например, TI развернул 400-узловую сеть на основе ZiBbee. Сеть может включить в себя еще больше устройств в зависимости от плотности ячеек, объема генерируемого трафика и выбранного профиля передачи данных.

Возможности и масштабы взаимодействия

Thread и ZigBee являются технологиями, продвигаемыми на рынке устройств прежде всего производителями таких продуктов как системы вентиляции, автоматизации и кондиционирования, термостаты, системы безопасности, охранные устройства, системы освещения помещений и объектов инфраструктуры и так далее. При такой широте применения, возникает проблема, связанная с возможностью гарантированного использования всех этих продуктов в рамках одной системы, в частности – возможности их синхронизации и взаимодействия.

Возможность взаимодействия также имеет большое значение в системах типа DIY (do-it-yourself, «сделай сам»), которые не являются готовым решением и организуются самим пользователем.

При построении сети стоит учитывать парадигму взаимодействия: если два устройства связаны каким-то алгоритмом работы или приложением, то алгоритм будет усложняться в геометрической прогрессии при увеличении количества узлов сети. Например, связь между смартфоном и носимым устройством типа смарт-часов или гарнитуры основывается на двух основных предположениях:

• приложение для смартфона имеет заранее определенные знания о том, какие службы связаны с конкретным встроенным конечным продуктом, к которому оно подключается (и, более того, с конкретным производителем);
• ОС (операционная система) смартфона может быть легко дополнена новыми службами или новыми приложениями.

Встроенные же устройства, используемые при построении сетей Thread и ZigBee, естественно, ограничены в плане ресурсов. Например, если бы центральный управляющий хаб системы загружал новое приложение или обновлял существующее каждый раз, когда пользователь приобретает новую лампочку или датчик, система не могла бы масштабироваться до достаточных размеров из-за этих встроенных ограничений. Поэтому особое значение принимает возможность автоматизации этого алгоритма за счет способности устройств автономно принимать мгновенные или прогнозируемые решения при отсутствии взаимодействия с облачной структурой. Это, в свою очередь, означает, что базовая платформа приложений, лежащая в основе этих устройств, должна быть гибкой и адаптивной к масштабированию для поддержки любого типа и марки устройства. Однако здесь снова актуализируется проблема совместимости продуктов разных категорий и производителей, а также продуктов, работа которых обеспечивается разными наборами приложений.

ZigBee и Thread решили эту проблему путем взаимодействия на разных уровнях.

Оба стандарта определяют общий набор основных процедур для операций, включая способ создания сетей; способ соединения устройств и их роль в построении ячеистых сетей; процедуры обслуживания сети; безопасность и управление устройством в сети через пользовательский интерфейс. Эти интерфейсы должны иметь возможность работы с теми или иными решениями вне зависимости от их изготовителя.

Технологии ZigBee Pro и Thread сегодня широко доступны для использования. ZigBee имеет более 20 ZigBee Pro-совместимых сертифицированных платформ, реализующих продукты, работающие на ZigBee Pro, от 11 различных поставщиков технологий. Thread имеет более 10 сертифицированных платформ и 7 различных поставщиков технологий. Помимо этого, у Thread имеется платформа с открытым исходным кодом, доступная через проект Open Thread во главе с компанией Nest и с участием крупных производителей микросхем. Эта платформа является основой для данной сетевой технологии.

Гарантии совместимости технологий

Совместимость гарантируется на сетевом уровне – ZigBee Alliance и Thread Group осуществляют сертификацию устройств, построенную на основе строгого плана, включающего в себя проведение тестов на основе сотен вариантов возможных ситуаций при работе устройств. Объединения ZigBee Alliance и Thread Group также предоставляют наборы инструментов и тестового оборудования, организациям, входящим в эти объединения для проверки реализации внутри компаний, занимающихся выпуском продукции с использованием технологии ZigBee и Thread. Сертификационные испытания оборудования проводятся в аккредитованных испытательных лабораториях с филиалами по всему миру. Они действуют как сторонние органы, которые проверяют корректность работы технологий и их совместимость путем тестирования продуктов от различных поставщиков.

Компания Texas Instruments, как член ZigBee Alliance, а также активный участник Thread Group, имеет решения, работающие с технологиями ZigBee и Thread и является активным участником сообщества Open Thread с момента его запуска в мае 2016 года.

Устройства, работающие с использованием технологий Thread и ZigBee, должны иметь общую систему сообщения, которая бы позволила устройствам обнаружить друг друга и создать сеть с автоматизированной передачей данных (измерение температуры, передача сигналов тревоги, регулировка освещения и так далее), а также позволила бы создавать такие связи между устройствами, при которых каждый переключатель «знал» бы, какими приборами он может управлять.

В ZigBee эта проблема успешно решена благодаря концепции кластерной библиотеки ZigBee (ZCL ZigBee Cluster Library). Это прикладной уровень для всего протокола ZigBee, работающий поверх сети ZigBee Pro mesh.

Библиотека ZCL группирует кластеры по функциональному признаку:

• общего назначения;
• для работы с сенсорами и датчиками;
• для управления осветительными устройствами;
• для управления вентиляционными системами и так далее.

Использование стандартных кластеров при пересылке сообщений является одним из обязательных требований спецификации ZigBee PRO. ZCL создает платформу приложения, которая гарантирует, что пространство приложения для всех типов устройств является однородным.

ZCL повторяет концепт объекта в объектно-ориентированном программировании с командами и атрибутами, аналогичными функциональным членам и переменным класса. Например, такие физические объекты как лампочки могут быть комбинацией импортированных объектов (свет, который может быть включен/выключен и/или отрегулирован на определенный уровень яркости).

Стандартизация ZCL является результатом более чем 10 лет усилий. Это – прогрессивная библиотека, представляющая набор команд и состояний для 50 различных типов устройств и оптимизированная для работы в базовой ячеистой структуре, поставляемой ZigBee Pro.

Программа сертификации продукции ZigBee, запущенная ZigBee Alliance, проверяет функциональность продуктов, реализующих определенный набор кластеров из ZCL в соответствии с функциональностью устройства. Производители могут разрабатывать продукты, выбирая нужный набор кластеров (подобно импорту класса в объектно-ориентированном программировании), и проверять соответствие стандарту продукта, проверяя эти кластеры в авторизованной лаборатории. Наряду с программой сертификации ZigBee Compliant Platform, ZigBee Alliance предоставляет своим участникам тестовый набор ZigBee test tool для подготовки к последующим сертификационным испытаниям продукции в лабораториях. К примеру, набор разработки программного обеспечения (SDK) SimpleLink CC26x2, разработанный компанией TI, предлагает решение, включающее ZCLи прошедшее сертификацию ZigBee.

Конвергенция ZigBee и Thread

Thread основывается на IP-стандарте, который, в свою очередь, не определяет уровень приложения. С другой стороны, будучи технологией на основе IP, Thread выигрывает от уже существующих стандартов в области IP, разрабатываемых десятилетиями, таких как протокол ограниченных приложений (CoAP, Constrained Application Protocol).

Благодаря IP-конвергенции, Thread-сети легко масштабируются и широко используются в производственных альянсах, целью которых является унификация применения производимых продуктов. К таким объединениям относятся: Open Connectivity Foundation (OCF) IoTivity, Open Mobile Alliance (OMA) Lightweight Machine-toMachine (LWM2M) и Energy Efficiency Bus (EEBus).

Среди всех унифицированных языков сообщения между устройствами, одну из наиболее перспективных возможностей для быстрой конвергенции предлагает Dotdot от ZigBee Alliance. Dotdot использует объекты библиотеки, определенные из ZCL, и определенный набор данных и функциональных моделей, перенесенных из ZigBee Pro, чтобы работать c IP-сетями, подобно Thread, которая использует CoAP в качестве прикладного уровня (рисунок 3). Протокол CoAP, так же, как и протокол HTTP, следует модели REST (Representational State Transfer), которая имеет довольно широкое распространение. Суть модели заключается в том, что серверы предоставляют свои ресурсы по адресам URL, а клиенты обращаются к ним с помощью стандартных методов, таких как GET, PUT, POST и DELETE.

Рис. 3. Thread- и Dotdot-уровни приложения

Принимая во внимание ограниченный объем ресурсов у устройств, а также целевые показатели энергопотребления и требования масштабируемости сети, Dotdot использует эффективную комбинацию CoAP, которая может работать поверх сети IP без установления соединения, такой как Thread, и краткое представление двоичных объектов (CBOR), чтобы поддерживать эффективную передачу данных небольших объемов.

Независимо от того, базируются ли уровни многоячеистой сети на ZigBee Pro или Thread и используется ли при построении сети ZCL от ZigBee Alliance или Dotdot для Thread, устройства, применяющие данные технологии, основанные на 802.15.4, имеют полную совместимость и могут работать как совместно в одной сети, так и по отдельности. Одним из примеров являются устройства, базирующиеся на микроконтроллере CC2652R.

ZigBee vs Thread

Помимо различий между ZigBee и Thread, вызванных способом аутентификации продуктов и установки связей между ними, существуют другие небольшие различия между двумя стандартами, связанные с их методом построения ячеистых сетей.

ZigBee-сети поддерживают централизованное координирование узлов сети. В централизованном подходе ZigBee использует статически выделенный координатор в сети, в то время как Thread реализует эту функцию в главном звене сети, которое самостоятельно выбирается и может динамически изменяться. Последнее подразумевает более автономную балансировку сетевых ресурсов и улучшение возможностей самовосстановления, в отличие от более авторитарного и централизованного подхода в сетях ZigBee.

ZigBee – это сетевой протокол, в котором логические связи между конечными точками сети устанавливаются до того, как начнется передача данных.

Thread использует протокол UDP (User Datagram Protocol), который является транспортным протоколом без установления соединения и, как таковой, должен полагаться на прикладные уровни, такие как CoAP, чтобы работать с непоследовательными пакетами и ретрансляциями.

Однако основное различие между двумя стандартами заключается в собственной поддержке IP.

Все узлы Thread имеют один или несколько адресов IPv6, в то время как узлы ZigBee имеют двоичный 16-битный адрес, который, для последующего взаимодействия с внешними устройствами в IP-сети, должен быть преобразован на специальном шлюзе. Этот процесс представляет собой переупаковку данных из формата, принятого в конкретной сети, в IP-datagram-сообщение. В свою очередь, за такой переупаковкой следует необходимость расшифровки передаваемого сообщения на шлюзе и последующего шифрования в IP-datagram-сообщение. Такая операция имеет последствия для проектирования приложений и развертывания системы. В частности, при взаимодействии с облачными приложениями данные от устройств ZigBee должны проходить через шлюз, который по существу преобразует IP-адреса в адреса ZigBee (рисунок 4).

Рис. 4. Маршрутизация пакетов в IP-сеть при отсутствии поддержки IP-протокола

В сети Thread для целей формирования глобального IPv6-адреса или префикса для формирования уникального локального адреса (ULA) узлы используют префиксы, которые получают от граничного роутера. ID для узла выдается лидером сети. Для обмена сообщениями в сети Thread используется протокол UDP. Совместно с UDP стек Thread использует CoAP-протокол, позволяющий расширить возможности UDP. CoAP-протокол добавляет поддержку механизма повторных отправок и определяет порядок следования сообщений. На рисунке 5 показана структура маршрутизации пакетов в IP-сеть при наличии поддержки IP-протокола.

Рис. 5. Маршрутизация пакетов в IP-сеть при наличии поддержки IP-протокола

Когда интеграция IP становится основным требованием (как в случае связи с системами управления и автоматизации в офисных помещениях, управляемых системным администратором), Thread-сети обладают преимуществом перед ZigBee. Однако стоит учесть, что пакеты данных, передаваемые по IP, могут быть значительно больше используемых в ZigBee, что в свою очередь влечет за собой более эффективный и оптимизированный по мощности процесс передачи с уменьшенной задержкой для узлов в сети ZigBee. На данный момент по этой технологии произведено более 100 млн различных изделий, и когда дело касается интеграции в существующие системы и низкого энергопотребления (например, освещения для жилой и домашней автоматизации), ZigBee является весьма привлекательным решением.

В таблице 2 перечислены различия между технологиями построения сетей ZigBee и Thread и их последствия для пользователей и поставщиков технологий.

Таблица 2. Различия между ZigBee и Thread

Хотя существует некоторое перекрытие на прикладном уровне и потенциал для взаимопоглощения двух технологий, ZigBee и Thread используют разные принципы построения сети, хоть и основаны они на одном и том же стандарте 802.15.4.

Выбор и прошивка железа

Сначала нужно определиться, на каком железе собирать хаб. В принципе, вы можете взять что угодно (хоть свой основной компьютер, если вы его не выключаете), но Raspberry Pi Zero W — это сверхкомпактный, дешевый и достаточно производительный вариант.

Установка сервера zigbee-shepherd на Raspberry Pi Zero W

Установка zigbee-shepherd и сопутствующих пакетов будет проводиться на последней версии ОС Raspbian для Raspberry Pi Zero W — Stretch. Zigbee-shepherd написан на JavaScript и работает на Node.js.

Для начала ставим Node.js:

Для установки расширений из npm нужно установить утилиты для сборки:

И сама установка zigbee-shepherd:

Для проверки правильности работы zigbee-shepherd можно запустить скрипт zigbee-server.js. Во время работы скрипт выводит информацию о каждом этапе добавления устройства и время выполнения операции.

Запускаем zigbee-shepherd в режиме отладки:

На этапе разработки скрипта для Node.js всегда используйте отладочный режим. Вывод при этом более подробный, легче отловить ошибки, а zigbee-shepherd показывает все данные, которые он отправляет и получает.

Работа с выключателями Xiaomi из zigbee-shepherd

Первым делом следует добавить устройство ZigBee в сеть. Для этого сначала нужно сбросить его настройки на заводские и тем самым удалить информацию о предыдущей сети, если оно было добавлено прежде. Комбинация сброса и добавления устройства для выключателей Xiaomi Aqara следующая: зажать кнопку на пять секунд, пока светодиоды не начнут мигать, после чего отпустить и ждать, когда закончится процесс добавления. Если включен дебаг, то при добавлении устройства выводится подробный лог. Добавление устройства может занять до одной минуты.

После добавления устройства нужно важно еще правильно с ним работать. Zigbee-shepherd не предоставляет веб-интерфейса для добавления и управления устройствами, вместо этого есть мощный JS API, который позволяет получить полный контроль над любым устройством и написать собственную систему автоматизации.

В вики есть полное описание всех функций. Но чтобы быстрее разобраться с ними, нужно понимать программную структуру устройства.

IEEE address. каждое устройство ZigBee имеет уникальный 48 битный MAC-адрес, он зашит в девайс, и сбросить его невозможно. По MAC-адресу можно обращаться к устройству и получать информацию о нем.

Endpoint. в устройстве может быть несколько функций, например датчик температуры и влажности или выключатель с двумя кнопками. Для каждой функции устройства создается отдельный Endpoint.

Clusters — группа команд, которые можно отправлять устройству, например, команда genOnOff включает или выключает устройство, а если это лампа с диммером, то присутствует еще команда genLevelCtrl, которая позволяет задать уровень яркости.

Attributes. У устройства можно запросить его текущее состояние, обратившись в интересующий Cluster. Например, командой genOnOff можно узнать состояние атрибута onOff — оно может быть 0 или 1.

Выключатель Xiaomi Aqara с одной кнопкой имеет следующую структуру:

Чтобы обрабатывать нажатие кнопки, нужно отловить сообщение от выключателя. Делается это с помощью события ind. Изменим код следующим образом:

При нажатии кнопки придет сообщение:

Здесь:

• msg.endpoints[0].device.ieeeAddr — MAC-адрес устройства;
• msg.endpoints[0].epId — канал (endPoint) устройства;
• msg.data — id кластера и атрибут, в данном случае выключатель прислал команду genOnOff:0.

Если проверять эти данные, то нажатием на кнопку выключателя можно будет управлять другими устройствами ZigBee по определенному алгоритму. Например, при каждом нажатии включать-выключать или только выключать группу устройств.

Zigbee-shepherd полностью поддерживает работу с диммируемыми лампами Ikea Trådfri и Philips Hue, поэтому для примера можно настроить простой алгоритм включения лампы с помощью выключателя Xiaomi Aqara.

Добавляем в код обработчик нажатия кнопки и включение лампы Ikea Trådfri на максимальную яркость:

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.

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.

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.

Заключение

ZigBee- и Thread-технологии прекрасно подходят для создания автоматизированных систем как в жилых помещениях, так и на коммерческих предприятиях.

Хотя у этих технологий есть отличия, они могут быть реализованы на одном и том же оборудовании, например, на таких микроконтроллерах как TI SimpleLink Multi-Standard CC2652R, которые поставляются с набором средств программирования ZigBee – CC26x2 SimpleLink SDK.

Компания TI создала микроконтроллер CC2652R для работы с сетями 2,4 ГГц. Данный контроллер может быть использован для работы с Bluetooth 5 и с ZigBee или Thread. Также компания разработала SimpleLink-микроконтроллер CC1352R, который поддерживает несколько стандартов и технологий в диапазоне 2,4 ГГц, таких как Bluetooth, ZigBee и Thread, и в диапазоне Sub-1 GHz, что позволяет снизить общие затраты при максимальной гибкости для разработчиков, которые могут загружать программное обеспечение по выбору, в зависимости от их требований.

SDK SimpleLink CC26x2 и CC13x2 имеют общую модель работы программного обеспечения для всех поддерживаемых технологий (ZigBee, Thread, Bluetooth 5 и Sub-1 GHz), данная модель позволяет переключать работу устройства с одного стандарта на другой на этапе производства или при последующем использовании (рисунок 6). Texas Instruments также предоставляет общую платформу разработки программного обеспечения, которая может быть использована для проводных и беспроводных встраиваемых устройств, принадлежащих к семейству SimpleLink, что обеспечивает модульность и переносимость приложений с устройства на устройство. Код, разработанный для приложения, можно использовать повторно при переходе с одной технологии связи на другую или при добавлении одной поверх другой.

Рис. 6. Диаграмма SimpleLink SDK

TI предлагает одну платформу для встроенных продуктов и единую среду разработки программного обеспечения, что в конечном итоге снижает затраты на разработку, уменьшает риски исполнения и ускоряет время производства устройств, тем самым обеспечивая выполнение всех ключевых элементов для успешного выхода на рынок инновационного продукта в рамках интернета вещей (iot), чья задача – автоматизация систем управления периферией жилых и коммерческих помещений.