zigbee шлюз что это

Беспроводные сети ZigBee. Часть 1 [Вводная]

Сейчас о концепции IoT («интернета вещей») говорят везде. Появляется «умная» бытовая техника, которая может подключиться к сети (Bluetooth/Wi-Fi) по беспроводному интерфейсу и начать рассылать уведомления о том, что задача по стирке/готовке еды/кипячению воды завершена и неплохо бы что-то с этим сделать. Большинство таких «умных» устройств получает питание непосредственно из электросети. Но как быть, если хочется получать информацию от беспроводного термометра и при этом не менять батарейку каждую неделю? Или иметь беспроводной выключатель с небольшим аккумулятором для которого не понадобится штробить стены? И хорошо бы объединить такие устройства в единую распределенную сеть, которой можно управлять удаленно и которая сама, основываясь на показаниях датчиков/извещателей/счетчиков, могла бы принимать какие-то решения.

Специально для решения таких задач была создана беспроводная технология ZigBee, о которой мы и начнем разговор.

Сетевые технологии для беспроводной связи

Существует большое количество беспроводных технологий, каждая из которых имеет свои особенности. В таблице ниже рассмотрены беспроводные протоколы связи для частоты 2,4 ГГц.

Сравнительная таблица популярных беспроводных технологий

Сравнение сетевых топологий

Про поддерживаемые сетевые топологии в предыдущей главе было сказано, но не было сказано про особенности. Рассмотрим такой пример:
«Звезда» vs. «Mesh»

В сетях Bluetooth и Wi-Fi сетевое взаимодействие идет через центральный шлюз. И если он выйдет из строя, то обмен данными станет невозможным.
Кроме этого отдельные узлы могут остаться без связи, если неожиданно возникла преграда на пути следования радиосигнала.

В сетях ZigBee и Thread надежность связи повышается за счет наличия избыточных связей между устройствами. Все устройства, которые не уходят в спящий режим, выполняют роль роутеров, которые ответственны за маршрутизацию сетевого трафика, выбора оптимального маршрута следования и ретрансляцию пакетов. Даже если из строя выйдет устройство, которое выступало в качестве организатора сети, ZigBee-сеть продолжит функционировать дальше. Возникновение помехи или преграды, а также выход какого-либо из роутеров из строя не является критичным за счет наличия избыточных связей. Поэтому с введением дополнительных узлов, которые имеют стационарное питание и могут выполнять задачи роутера, сеть становится надежнее.

Типовая структура сети ZigBee

Теперь остановимся на структуре самой сети ZigBee и типах устройств, которые в ней могут быть.
Типовая структура сети ZigBee

Координатор — это узел, организовавший сеть. Именно он выбирает политику безопасности сети, разрешает или запрещает подключение к сети новых устройств, а также при наличии помех в радиоэфире инициирует процесс перевода всех устройств в сети на другой частотный канал.
Роутер — это узел, который имеет стационарное питание и следовательно может постоянно участвовать в работе сети. Координатор также является роутером. На узлах этого типа лежит ответственность по маршрутизации сетевого трафика. Роутеры постоянно поддерживают специальные таблицы маршрутизации, которые используются для прокладки оптимального маршрута и поиска нового, если вдруг какое-либо устройство вышло из строя. Например, роутерами в сети ZigBee могут быть умные розетки, блоки управления осветительными приборами или любое другое устройство, которое имеет подключение к сети электропитания.
Конечное устройство — это устройство, которое подключается к сети через родительский узел – роутер или координатор – и не участвует в маршрутизации трафика. Все общение с сетью для них ограничивается передачей пакетов на «родительский» узел либо считыванием поступивших данных с него же. «Родителем» для таких устройств может быть любой роутер или координатор. Конечные устройства большую часть времени находятся в спящем режиме и отправляют управляющее или информационное сообщение обычно только по определенному событию (нажатие кнопки выключателя, открытие окна или двери). Это позволяет им долго сохранять энергию встроенного источника питания. Примером конечных устройств в сетях ZigBee могут быть беспроводные выключатели, управляющие работой светильников и работающие от батареек, датчики протечки воды, датчики открытия/закрытия дверей. Стоит сказать, что конечные устройства делятся на 3 категории, каждая из которых имеет свои особенности, но о них в следующей части.

Так как конечные устройства большую часть времени находятся в спящем режиме и просыпаются лишь для опроса родительского узла на наличие сообщений для себя, либо для передачи данных, то это позволяет экономно расходовать энергию батареечного источника питания. Опытные измерения энергопотребления для спящего конечного устройства на базе модуля ETRX357, о котором чуть позже, в различных режимах работы:

Питание для модуля подавалось через резистор R1 с номиналом 10 Ом. Два щупа осциллографа были подключены до и после резистора. После чего с помощью функции вычитания на осциллографе фиксировалось падения напряжения на резисторе. После этого, используя закон Ома , можно вычислить ток потребления. Кроме того, так как время в активном режиме фиксируется, можно найти заряд, а уж потом и затрачиваемую мощность в Джоулях.

Цикл передачи занимает 7,5 мс, потребляемая энергия при напряжении питания 3.3 В — 444,2 мкДж.
Обычная алкалиновая батарейка имеет запас мощности

10.8 кДж. Этой энергии хватит на отправку 24 миллионов таких запросов. Если спящий узел будет посылать такое сообщение раз в 10 секунд, то это будет 8640 запросов в сутки. То есть теоретически, если не учитывать старение батарейки, её энергии хватит на

В этом режиме спящее устройство опрашивает свой родительский узел на предмет наличия входящего сообщения. Если его нет, то спящий узел переходит в режим энергосбережения.

Цикл передачи занимает 3,2 мс, потребляемая энергия при напряжении питания 3.3 В — 184 мкДж.
Обычная алкалиновая батарейка имеет запас мощности

10.8 кДж. Этой энергии хватит на отправку 60 миллионов таких запросов. Если спящий узел будет посылать такой запрос раз в 10 секунд, то это будет 8640 запросов в сутки. То есть теоретически, если не учитывать старение батарейки, её энергии хватит на

Разработка стандартных ZigBee-устройств

«Отлично, – подумает читатель. – ещё один проприетарный протокол с поддержкой mesh-топологии. Этим уже никого не удивишь». Однако, альянсом ZigBee за все те годы, что существует технология ZigBee, была проведена большая работа по стандартизации не только сетевого уровня, но и уровня приложения разрабатываемых устройств[2]. Имеется большая библиотека кластеров ZigBee (ZCL), описывающая свыше 200 устройств, таких как выключатели, блоки управления освещением, интерфейс для подключения датчиков, счетчиков и многое другое[3]. И для некоторых типов систем (системы домашней автоматизации, системы сбора показаний со счетчиков и др.) разработаны специальные профили, в которые входит целый набор стандартных устройств. Они позволяют беспроводным узлам различных производителей понимать друг друга на уровне приложения. Стандартный профиль описывает стандартные команды и поведения конкретного устройства, например, блока управления системой климат-контроля или блока управления светильником.

Пример того, как может быть реализована система управления освещением с использованием стандартной библиотеки кластеров. Подробности мы разберем в другой раз, а сейчас достаточно понять следующее:

В библиотеке кластеров указывается, какие атрибуты и команды являются обязательными для тех или иных устройств, а какие опциональными. Это позволяет реализовать стандартный интерфейс взаимодействия между ZigBee-устройствами.

С чего начать?

Радиомодуль

Для быстрого старта, когда нет желания или возможности разбираться с программным стеком ZigBee, стоит обратить внимание на модули ETRX357. Все модули имеют встроенную прошивку от производителя, которая позволяет работать с аналоговой и цифровой периферией, а также с сетевыми функциями, с помощью набора AT-команд. Для начала работы с радиомодулем достаточно подключить линии питания и линии TxD и RxD последовательного интерфейса UART.

В стандартную прошивку входит также ряд функций, которые могут вызываться по прерыванию от порта ввода/вывода, таймера/счетчика или при определенных событиях – подключение к сети или инициализация радиомодуля. Пример доступных функций:

Пару слов о «прозрачном канале». При переходе в данный режим вся информация, поступающая по интерфейсу UART на радиомодуль транслируется на интерфейс UART другого радиомодуля. Данный канал является двунаправленным, а также наследует преимущества технологии ZigBee – при наличии роутеров в сети не будет происходить потери данных в таком канале связи так как все пакеты «прозрачного канала» будут в случае необходимости автоматически ретранслироваться. За счет этого можно организовать канал связи с предельной дальностью в несколько километров.

Программная реализация стека ZigBee

Если стандартных возможностей прошивки не хватает, то можно использовать реализацию программного стека ZigBee от компании Silicon Labs – Ember ZNet PRO. Так как модули выполнены на базе микросхемы EM357, то переход от стандартной прошивки к разработке собственного приложения потребует лишь приобретение программатора-отладчика ISA3 с помощью которого можно делать как внутрисхемную отладку устройства, так и отлаживать приложение на сетевом уровне.
Справа на рисунке показан пример того, как отображаются данные о пути следования пакета и его расшифровка.

Для упрощения процесса создания приложения предоставляется компоновщик приложений, который для выбранной конфигурации ZigBee-устройства генерирует каркас приложения и создает функции, в которых разработчик должен дописать требуемую логику приложения.
Все утилиты входят в программный пакет Simplicity Studio, куда также входит демонстрационная версия стека Ember ZNet PRO. Поэтому можно прямо сейчас скачать и посмотреть как это работает.

После того, как вы скачали и установили пакет Simplicity Studio, проверьте, установлено ли Wireless-расширение.

Нас интересует пакет Wireless Products

Выберите утилиту Application Builder

Далее выбираем фреймворк. Для ZigBee-приложений это будет ZCL Application Framework v2. Важно: необходимо установить галочку для отображения демонстрационных встроенных стеков.

Выбираем Internal Stack

После этого можно начать работать либо с пустым приложением, либо выбрать из списка готовых приложений какое-нибудь и изучить его структуру.

После того, как вы скачали и установили пакет Simplicity Studio, проверьте, установлено ли Wireless-расширение.

Нас интересует пакет Wireless Products

После этого можно зайти в утилиту Network Analyzer и выбрать любую доступную демонстрационную запись сетевой активности.

Результат

Заключение

Надеюсь, что эта статья помогла понять основные особенности беспроводной технологии ZigBee и вы сможете прикинуть в каких приложениях можно её использовать. Сама технология является полностью открытой и все её спецификации доступны для скачивания с сайта альянса ZigBee. А стандартная библиотека кластеров – это настоящий язык взаимодействия между устройствами, которые окружают нас каждый день: устройства домашней автоматизации, системы безопасности, сенсорное оборудование и многое другое.
Если у вас возникнут вопросы, присылайте их мне на почту или пишите в комментариях.

Источник

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!

Источник