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.
В поздних реализациях ZigBee появилась возможность создавать устройства, способные обходиться без постоянного источника питания. Пример такого гаджета — пульт Hue tap, предназначенный для управления «умными» лампочками Philips Hue. В нем отсутствует батарейка, а для передачи сигнала используется энергия, получаемая при нажатии на кнопку. Это свидетельствует о крайне низком энергопотреблении ZigBee-модулей, а также их способности молниеносно подключаться к беспроводной сети.
ZigBee использует 16-битную адресацию, то есть один координатор, теоретически, может взять под свою опеку более 65 000 устройств. Вместе с тем, создателями предусмотрена возможность одновременного использования нескольких сетей. В отеле Aria, что в Лас-Вегасе, размещено около 75 000 гаджетов с поддержкой ZigBee, и они неплохо уживаются друг с другом. Словом, владельцам частных домов об ограничении на количество устройств можно вообще не задумываться.
Сравнение с конкурентами В целом, если забыть о проблемах с совместимостью, то ZigBee выглядит весьма привлекательным вариантом для организации «умного» дома. Плюсов у протокола достаточно: здесь и хорошая отзывчивость, и низкое энергопотребление, и отсутствие необходимости прокладывать провода. Но каков ZigBee в сравнении с конкурентами в лице Z-Wave и Insteon?
Оборудование всех трех стандартов сопоставимо по стоимости, однако в Европе наибольшее распространения получили устройства Z-Wave. Гаджеты ZigBee пользуются меньшей популярностью, а Insteon пока что лишь диковинный гость.
В случае с Insteon и Z-Wave, производством коммуникационных чипов занимаются сами разработчики стандартов, что исключает возможные проблемы с совместимостью. По этому критерию ZigBee явный аутсайдер.
И ZigBee, и Z-Wave поддерживают ячеистую топологию сети, однако в вопросах надежности и удобства они все же уступают Insteon. Последний стандарт обеспечивает передачу данных сразу по двум каналам связи — проводному и беспроводному — что практически исключает возможность потери пакетов. Кроме того, сеть Insteon может функционировать без центрального контроллера, в ней нет разделения устройств на классы вроде ZC, ZR и ZED. Как следствие, это самый простой вариант с точки зрения сборки и настройки.
Таким образом, ни по одному из критериев ZigBee не является лидером. Стандарт жизнеспособен, его успешно применяют для автоматизации домов, но явных преимуществ он, увы, лишен.
Полный текст статьи читайте на Ferra.ru
