zigbee что это такое
В этой статье я хочу поделится информацией об устройствах умного дома Xiaomi, которые работают по беспроводному протоколу ZigBee.
Вступление
К написанию этой статьи меня подтолкнули многочисленные вопросы к моим обзорам и видео — нужен ли шлюз Xiaomi к светильникам, увлажнителю, можно ли напрямую подключить датчик температуры и влажности к телефону и т.д. В свое время я снял два больших видео по теме, но видимо тема себя еще не исчерпала.
Где купить
Обычно в своих обзорах в этом месте я оставляю ссылки на магазины с обозреваемым товаром, но в данном случае — я буду затрагивать много различных устройств и поэтому дам ссылку на большую сводную таблицу, которую я постоянно пополняю. В этой таблице содержится информация по всем устройствам умного дома, с ссылками на магазины, обзоры и видео. Но кроме умного дома, остальные вкладки таблицы содержат аналогичные данные по всей экосистеме Xiaomi. Предложения по таблице тоже можете писать в комментариях к этой статье.
Что такое ZigBee
ZigBee — это спецификация беспроводной сенсорной сети, которая является надстройкой к стандарту IEEE 802.15.4. Если проще — это отдельная сеть, такая как Bluetooth, Wi-Fi, LTE etc. И тут содержится ответ на вопрос — можно ли подключить / управлять напрямую с смартфона ZigBee датчиками — нет, так как в смартфоне физически нет этого интерфейса.
Для стабильной работы датчиков умного дома, необходима была надежная, способная к самовосстановлению и простая в развертывании беспроводная сеть — при этом высокая пропускная способность здесь не имеет существенного значения. Вторым важным фактором является то, что оборудование, которое работает в такой сети — должно быть способно на длительное автономное питание. Zigbee — полностью соответствует всем этим условиям, благодаря ячеистой топологии она обеспечивает самовосстановление и гарантированную доставку пакетов, имеет криптографическую защиту и, наконец, имеет высокую автономность работы — например с моей системе имеются датчики движения, причем расположенные в проходных местах, которые работают более 1,5 лет на одном элементе питания (плоская 3В «таблетка»).
Шлюз Smart Home Multifunctional Gateway
Для того, чтобы иметь возможность взаимодействовать с ZigBee устройствами, необходим шлюз — устройство физически имеющее интерфейс ZigBee и второй интерфейс — Wi-Fi для подключения в домашнюю сеть. Некоторые называют его — «хаб», концентратор, логику понять можно, ведь к нему может подключаться множество устройств, но все же основное его предназначение — это трансляция пакетов между ZigBee и Wi-Fi интерфейсами.
Кому интересна более подробная информация, по тексту статьи буду оставлять ссылки на видео по теме.
Самым распространенным является круглый шлюз Mi / Mijia, кроме своей основной задачи он может выполнять роль LED светильника, онлайн радио, сирены сигнализации, дверного звонка и будильника. Кроме этого он оборудован датчиком освещения, который можно использовать в сценариях.
Шлюз от Aqara, он может быть квадратным как в видео ниже, или круглым. Вместо LED подсветки он оборудован всенаправленным ИК передатчиком и 16 А разъемом Type I — для тройной китайской вилки. Он позиционируется как компаньон для кондиционера, управляя им через ИК и считая энергопотребление через разъем розетки. Реле в розетке не предусмотрено, только энергомонитор. В принципе через ИК можно управлять любым другим устройством.
Альтернативой может служить и гибрид шлюза с IP камерой от Aqara, хотя вариант, по моему мнению, довольно спорный — как зверь «морская свинка», но к морю и к свиньям отношения не имеющий.
Датчики умного дома подключаются непосредственно к шлюзу, при этом не имеет значения производитель — mijia работает с aqara, aqara с mijia. Что касается максимального количества датчиков на одном шлюзе — то есть информация о 30 устройствах, есть свидетельства о 50+ устройствах. Лично у меня, в среднем, около 25 устройств на каждый шлюз, которых у меня 4. Каждый из шлюзов, которые находятся в разных точках квартиры, управляет пулом датчиков расположенных в непосредственной близости от него. Здесь содержится еще один ответ на часто задаваемый вопрос — второй шлюз не расширяет покрытие первого, он работает как самостоятельное устройство со своими датчиками. Датчики управляемые разными шлюзами — прекрасно взаимодействуют друг с другом.
Датчики
Какие датчики работают по протоколу ZigBee? Очевидно — те, которые не имеют стационарного питания от сети — исключение составляет разве что Bluetooth датчик температуры и влажности да датчики ухода за растениями, хотя возможно ассортимент и расширится.
Кроме них, в системе УД Xiaomi, по протоколу ZigBee работают все типы настенных выключателей, встраиваемая розетка Aqara, один из видов накладных розеток, привод для штор, умный дверной замок.
Датчики можно условно разделить на два типа — сигнальный и исполнительный. К сигнальным относятся те датчики, которые являются условиями сценариев и они не предусматривают удаленного управления. Кратко пройдемся по ним :
Беспроводные кнопки
По формфактору бывают круглые mijia, поддерживает три условия — клик, двойной клик и длинный клик.
И квадратные от Aqara — есть два варианта, с поддержкой только двух условий клик и дабл клик, и трех — аналогично mijia
Датчик движения
Очень востребованный и нужный датчик, именно он позволят автоматизировать задачи типа включения и выключения света по обнаружению или отсутствию движения и подобные им. Так же производится mi/mijia и aqara. Mi/mijia имеет условия — обнаружение движения и 5 условий по отсутствию движения — через 2,5,10,20 и 30 минут
Датчик от Aqara более продвинутый — он имеет шарнирную ножку, позволяющая устанавливать датчик под нужным углом, кроме этого он оборудован датчиком освещения, что добавляет к нему дополнительное условие — движение в темноте. Благодаря этому можно сделать сценарии зависящие и от уровня освещения в помещении.
Куб-контролер
Датчики открытия
Тоже ходовой и простой датчик, состоящий из двух частей — собственно датчика и магнита. В датчике имеется геркон, который замыкается / размыкается при приближении/удалении магнита. Одна часть датчика прикрепляется например на стену, вторая — на окно/дверь. Версии от mijia и aqara здесь отличаются только формой. Скругленный у mi/mijia
И прямоугольный у Aqara
Принцип работы — замыкание и размыкание, позволяют легко переработать этот датчик, просто подпаяв два провода. Например можно вывести провода на обычную кнопку дверного звонка, сделав его «умным», либо, как в видео ниже — сделать из него датчик протечки — все зависит от ваших нужд и фантазии.
Датчики утечки воды, дыма и газа
Раз уж коснулись этой темы, то стоит вспомнить про «заводской» датчик протечки воды (на момент моей модификации датчика открытия, его еще не было). Он имеет два условия — протечка обнаружена и протечка устранена. Кроме самого факта обнаружения протечки воды, можно сделать сценарий, который будет управлять питанием привода автоматического крана — тем самым моментально перекрывать воду в доме, что позволит избежать дорогостоящего ремонта. Производит только aqara
А в содружестве с известным брендом Honeywell, mijia выпустила датчики, обнаруживающие в воздухе дым и газ. Полагаю что важность этих датчиков понятна и так. При срабатывании (не дай бог) кроме того что они начнут громко пищать, к вам на смартфон тут же придет уведомление.
Датчики температуры и влажности
Совершенно незаменимыми для климат контроля — являются датчики температуры и влажности. Они могут являться условиями для работы увлажнителей воздуха, кондиционеров, нагревательных приборов. В сочетании с датчиками открытия — могут быть созданы сценарии учитывающие кроме климатических параметров — еще и статус окон — открыты или закрыты. Датчики от mi/mijia традиционно имеют круглую форму
А aqara — квадратную, причем кроме температуры и влажности измеряют еще и атмосферное давление.
Розетки
Кроме своих основных задач — включение и выключение нагрузки и энергомониторинг, розетки работающие по стандарту ZigBee выполняют важную роль повторителей сигнала. Ведь, по сути, имеющие доступ к стационарному питанию устройства, не очень нуждаются в супер экономичном интерфейсе. Если расстояние между шлюзом и датчиком слишком велико для стабильной работы — то расположенная между ними розетка, естественно подключенная к этому же шлюзу, будет работать как ретранслятор. При этом статус самой розетки вкл/выкл — не важен, она должна быть онлайн (подключена к сети питания).
Версия от mi/mijia — выполнена в виде накладной розетки
Версия от Aqara — встраиваемая
Настенные выключатели
Их производит только аqara, аналогов у mi/mijia — нет. Выключатели бывают на 1 и 2 клавиши, кроме этого их можно разделить на 3 типа
Беспроводные — по сути это аналог беспроводной кнопки, только в виде выключателя. Версия с 1 клавишей имеет только одно условие — клик, на 2 клавиши — три, клик правой, левой и одновременный клик двумя клавишами. Позиционируются как повторители проводных выключателей, но могут использоваться совершенно в любых сценариях.
Выключатели с разрывом фазы — наиболее применимые в наших широтах, по той причине что не требуют нулевой линии, которой обычно нет в наших коробках для выключателей. Имеет 1 контакт для входящей фазы, и в зависимости от количества клавиш 1 или 2 контакта для исходящей фазы. Батарейки не имеет, питания достаточно получаемого от тока протекающего через нагрузку — для работы нужно, чтобы хотя-бы один из исходящих контактов был подключен к нагрузке.
Интересен тем, что в плагине управления можно отключить связку — нажатие клавиши/срабатывание реле выключателя. Т.е. может использоваться и для логических сценариев — например правая клавиша физически рвет фазу и отключает обычную лампу, вторая — логически отключает умный светильник. Устройство может работать и как условие сценариев — аналогично беспроводной версии, и действием — включение/выключение реле. Удобно использовать и с умными светильниками — реле постоянно замкнуто, напряжение на светильник подается он в онлайне. Управление — логическое по клавише, но в случае его зависания — редко но бывает, можно, без особых трудностей, через плагин выключателя его обесточить и включить — тем самым перегрузив.
Максимальная нагрузка такого выключателя — до 800 Ватт
И, последний вариант — выключатели с нулевой линией. По сути — те же розетки, только с прямым подключением проводов. Мощность в 2,5 кВт (макс 10А при 250 В) — позволяет ему управлять мощными нагрузками, вроде бойлера или электрорадиатора. Использовать вместо обычных выключателей — проблематично, из за необходимости нулевой линии, а вот запитать от него тот-же бойлер и запрограммировать автоматическую работу — очень легко. Кроме этого выключатель ведет мониторинг энергопотребления.
Вопросы — задавайте в комментариях, постараюсь ответить. Спасибо за внимание!
ZigBee — суть технологии
Многие хозяева все чаще оборудуют свое жилье технологиями «Умный дом». Система размещается в комнатах и состоит из специальных датчиков. Человек сам может контролировать температуру, управлять кондиционером, освещением, отоплением и другой техникой на расстоянии. Система сигнализирует о возникновении аварийной ситуации (утечка воды, газа и т.д.). Главный плюс – возможность контроля удаленно, непосредственно через мобильный телефон или планшет. Уезжая в отпуск, можно не пытаться вспомнить о том, отключен ли утюг. Чтобы проверить обстановку дома, нужно только открыть специальное приложение. Программа позволяет управлять коммуникациями с любой точки планеты.
Датчики могут соединяться между собой при помощи проводов или образовывать беспроводную систему. Последний вариант имеет преимущество перед первым. При установке беспроводного оборудования не нужно прокладывать множество проводов, которые могут испортить ремонт. А сам монтаж требует больше времени. Одной из таких систем является система строящаяся на основа протокола ZigBee. Это стандарт беспроводной связи, похожий на Wifi и Bluetooth. С ее помощью все приборы в доме или квартире взаимодействуют. Технология активно применяется и в сфере промышленности и здравоохранения.
История создания
Изначально несколько компаний объединились для совместной разработки новых стандартов беспроводной сети. Приоритетным направлением являлось решение проблемы совместимости сети с оборудованием разных производителей. Альянс появился в 2002 году и его состав насчитывал более 300 участников. Начиная с 2003 года стали появляться новые стандарты.
Окончательный вариант технологии ZigBee Pro Feature Set 2006 утвержден в 2007 году.
Технические характеристики
Топология сети
Изначально поддерживалась ячеистая топология сети. Сигнал передавался между устройствами «по цепочке» пока информация не достигнет цели. Все Зигби гаджеты выступают, при необходимости, в качестве промежуточной ячейки.
Сравнение с Wifi и Bluetooth
Главное сходство с Wifi заключается в том, что обе сети работают на частоте 2,4 ГГц, не требую специальных разрешений, а радиус захвата сигнала равен 20 метрам.
Главные отличия ZigBee.
Сравнение с Z-wave, Insteon, Tread
Система Insteon обеспечивает передачу информации по двум каналам: беспроводной и проводной. Этот фактор уменьшает риск потери данных при неисправности. Функционирование сети Insteon возможно без центрального контроллера, поскольку нет разделения устройств на группы. Минус – она не совместима с отечественными электросетями.
Для стандарта Z-wave выпущено меньше программного обеспечения, но система гарантировано работает с оборудованием своего производства.
ZigBee устройства и производители
На современный рынок, выпускается много ZigBee устройств: к ним относится розетка, диммер, лампочка, датчики движения, сенсоры контроля воды, температуры, и другие. На данный момент (май 2019 года) по большому количеству причин среди производителей устройств на протоколе ZigBee лидирует китайская компания Xiaomi. Полный обзор системы умного дома от этого производителя мы делали ранее.
Составные части сети
На начальном этапе формирования сети используется PAN координатор. Он вычисляет радиоканал, в котором нет помех, и ждет запросы на подключение, которые отправляют разные устройства. Изначально подключать других участников может только координатор, а в дальнейшем и другие устройства для пересылки данных. После получения запроса происходит обмен сообщениями.
Бывает два варианта присоединения: MAC ассоциация, повторное сетевое присоединение. В первом случае устройство, желающее стать частью сети на MAC уровне, отправляет запрос маячка. Когда маячки достигают цели, управляющее устройство сканирует сети и выбирает, какую лучше подключить в конкретной ситуации, высылает притязание о присоединении со значком «повторное присоединение». Получив ответ, управляющее устройство высылает сообщение с адресом. Такой способ присоединения не достаточно безопасен, поскольку все данные не защищены кодированием.
Повторное сетевое присоединение также часто используется при первичном обращении. В таком случае участник, желающий вступить в сеть, знает текущий ключ. Поэтому, такой способ присоединения намного безопаснее. Узнать ключ можно при настройке оборудования. При повторном подключении оборудование обменивается между собой пакетами запроса и ответа на присоединение.
Структура может измениться, когда участник покидает сеть или при перезагрузке подключается в другом узле.
Координатор
Устройство обеспечивает взаимосвязь между всеми участниками сети, когда нет подключения к интернету.
Хаб (сетевой мост)
Устройство обеспечивает подключение системы «Smart Home» к сети интернет. Благодаря этому появляется возможность управлять системой удаленно. Различные приложения для гаджетов помогают контролировать и менять параметры (теплый пол, кондиционер ит.д.). Хаб постоянно должен находиться в активном состоянии, поскольку выполняет функции координатора сети. Для подключения к интернету можно использовать как сеть WiFi, так и проводное подключение к роутеру.
Для удаленного управления с гаджетов созданы приложения на Android или iOS. Для подключения к интернету применяются сетевые мосты Smart Hub, Bridge, Gateway. Для серии оснащения «Умного Дома» от бренда выпускается и хаб того же производителя. При покупке оборудования важно проверить его на совместимость с ZigBee. Оснащение, отличающееся производителем, может между собой не взаимодействовать. Кроме того, домом можно управлять голосом. Некоторые хабы работают со всеми голосовыми программами.
Типы поддерживаемых датчиков и устройств
Протоколом предусмотрены некоторые приложения, которые отличаются по назначению. К таким профилям относятся: Telecom Services. Light Link, Home Automation и другие. Последний используется всеми системами автоматического управления домом. В случае если один из приборов поддерживает программу, а второй нет, то они не смогут работать корректно. Множество компаний изготавливают чипы с поддержанием ZigBee. Приложения может немного отличаться, совершенствоваться производителем. По этой причине бывает, что устройства поддерживают протокол, но между собой не взаимодействуют.
В продаже есть всевозможные электроприборы с ZigBee. При внедрении системы важно смотреть описание и подбирать оборудование одного производителя и выпущенное примерно в одно время.
О программной части протокола
При создании программного обеспечения брались за основу упрощения методики построения недорогих маленьких микропроцессоров. Для быстрого старта разработаны стандартные модули с прошивкой ETRX357. Они позволяют работать с аналоговой, цифровой периферией и сетевыми функциями, используя набор АТ команд. Если стандартного функционала недостаточно, можно воспользоваться программным стеком производства Silicon Labs. Все модули изготавливаются на базе микросхемы ЕМ357 и, чтобы перейти от стандартной прошивки к собственному приложению, необходим программный отладчик ISA3. 
Вид одного из одноплатных компьютеров
Для упрощения процедуры существует специальный компоновщик приложений. Он, исходя из конфигурации ZigBee оборудования, создает каркас и функции будущего приложения. Далее разработчик самостоятельно вносит необходимые изменения.
Технология ZigBee отличается рядом преимуществ и успешно реализуется в системе «Умный Дом». Помимо совместимости с платформами для автоматизации на данном рынке присутствует множество ZigBee оборудования, что облегчает процесс установки и дальнейшего обслуживания.
Протокол ZigBee: беспроводные технологии на службе «умного» дома
Многоликий ZigBee
ZigBee — протокол верхнего уровня, базирующийся на беспроводном стандарте IEEE 802.15.4. У истоков протокола стоит организация ZigBee Alliance, отвечающая за его развитие и продвижение, а также за сертификацию оборудования. Впервые ZigBee был представлен публике в 2004 году. Через год спецификации первой версии протокола были утверждены, и он стал внедряться в конечные устройства.
Настоящее проклятие ZigBee — проблемы с совместимостью оборудования. Вызваны они целым рядом причин. Начнем с того, что стандарт пережил несколько обновлений — в 2006, 2007 и 2012 годах. Разумеется, авторы новых спецификаций уделили внимание вопросам совместимости, однако, практика показывает, что гаджеты разных стандартов в рамках одной сети лучше не использовать.
На этом проблемы не заканчиваются: для протокола предусмотрено несколько профилей, определяющих назначение устройства. В их числе — Health Care, Home Automation, Light Link, Telecom Services и другие. Если одно из устройств поддерживает определенный профиль, а другое — нет, то взаимодействовать друг с другом они не смогут. Благо, гаджеты, предназначенные для автоматизации дома, используют один конкретный профиль — Home Automation.
Впрочем, даже совпадение по версии стандарта и профилю не гарантирует стопроцентной совместимости, поскольку производством коммуникационных чипов с поддержкой ZigBee занимается множество компаний. Каждая из них интерпретирует спецификации по-своему, некоторые вендоры вносят определенные оптимизации в работу протокола. Итог неутешителен — вероятность того, что устройства от разных производителей откажутся работать друг с другом, весьма велика.
А еще, ZigBee имеет ряд ответвлений: в 2009 году был представлен стандарт ZigBee RF4CE (сокращение от «Radio Frequency for Consumer Electronics»), а год назад свет увидел ZigBee IP. Первый протокол создан для дистанционного управления бытовой техникой, такой как телевизоры и музыкальные центры: пульты с поддержкой ZigBee RF4CE передают данные по радиоканалу, а потому они предоставляют больше возможностей, чем их ИК-собратья. ZigBee IP — разработка, позволяющая развернуть сеть 6LoWPAN поверх маломощных устройств с поддержкой IEEE 802.15.4. Схожую задачу решает протокол Thread, активно продвигаемый компанией Nest (читай, Google). На бумаге ZigBee IP выглядит перспективно, но производители не торопятся внедрять его в свои устройства.
Напоследок следует упомянуть о таком явлении, как ZigBee Pro. В рамках очередного апгрейда, произошедшего в 2007 году, разработчики представили сразу две реализации стандарта: простую ZigBee и продвинутую ZigBee Pro. Большинство современных устройств для автоматизации дома базируется именно на Pro-версии от 2007 года. При этом в описаниях оборудования приписка «Pro» зачастую опускается, что создает дополнительную путаницу.
С учетом всего вышесказанного можно сформулировать следующее правило: при создании сети ZigBee необходимо выбирать устройства от одного производителя, выпущенные в рамках одного временного периода (чем современнее — тем лучше). Это должно избавить от большинства проблем с совместимостью.
Техническая часть
Несмотря на путаницу со спецификациями, основные принципы работы ZigBee не меняются на протяжении многих лет. Передача данных в рамках сети осуществляется по радиоканалу. Используемые частоты зависят от региона: для Европы выбрано значение 868 МГц, для США и ряда других стран — 915 МГц. Кроме того, стандарт предусматривает работу на частоте 2,4 ГГц — она не имеет привязки к географическому положению. Удивительно, но подобное обилие вариантов мало сказывается на вопросах совместимости: по факту, практически все ZigBee-оборудование использует частоту 2,4 ГГц. Этот вариант обеспечивает наибольшую пропускную способность — в теории, она может достигать значения в 250 Кбит/с. Дальнобойность сигнала внутри помещения составляет 10-20 метров.
На момент появления, главным козырем ZigBee была поддержка ячеистой топологии сети. На практике это означает, что устройства могут передавать сигнал «по цепочке», от одного гаджета к другому, пока пакет данных не достигнет цели. Это существенно повышает отказоустойчивость системы и увеличивает возможную зону покрытия. Следует заметить, что не все ZigBee-устройства могут выступать в качестве промежуточного звена.
Гаджеты внутри сети делятся на три группы: координаторы (ZC), маршрутизаторы (ZR) и конечные устройства (ZED). Координатор — обязательный компонент. Он формирует древо сети, хранит ключи безопасности и, зачастую, выступает в роли «окна» во внешний мир. Маршрутизаторы — это гаджеты, которые не только выполняют свою базовую функцию, но и занимаются передачей сигнала «по цепи». ZED — наиболее примитивные устройства. В эту категорию попадают различные пульты и датчики. Они могут общаться с координатором или маршрутизатором, но передавать пакеты от одного компонента к другому им не под силу. Большую часть времени ZED бездействуют, а потому их энергопотребление крайне мало. Как правило, питаются они от батареи.