AUTORE: Carlos Par
AGGIORNATO: novembre 30, 2021
Zigbee è uno dei tanti modi per collegare la casa intelligente dispositivi su una rete wireless. In questo articolo, ti spiego come funziona Zigbee e perché è utile nel mondo della domotica.
Che cos’è Zigbee? Zigbee è un protocollo di comunicazione wireless a bassa potenza basato sullo standard IEEE 802.15.4 per le reti a bassa velocità Personal Area network (LR-WPAN). È considerato un’alternativa più efficiente dal punto di vista energetico ed economica alle tradizionali tecnologie Bluetooth e Wi-Fi.
La specifica Zigbee è in circolazione da oltre 15 anni. È più comunemente usato nelle case e negli edifici per collegare in modalità wireless dispositivi di automazione e sicurezza a Internet.
Dispositivi come termostati intelligenti, interruttori della luce intelligenti e serrature intelligenti possono essere collegati in una rete wireless che può essere gestita su un’interfaccia smartphone o computer.
Zigbee viene utilizzato anche in altre applicazioni come assistenza sanitaria, energia intelligente, telecomandi e servizi di vendita al dettaglio.
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La rete Mesh Zigbee
Ciò che differenzia Zigbee da altri protocolli di comunicazione è che il trasferimento dei dati non è solo punto a punto tra due dispositivi ad alta potenza. Invece, i dispositivi Zigbee funzionano come una rete mesh che può fornire maggiore affidabilità ai propri utenti.
Che cos’è una rete mesh? Una rete mesh è una topologia di rete locale in cui i dispositivi nella sua infrastruttura sono interconnessi tra loro.
Tutti i dispositivi di una rete mesh lavorano insieme per trasferire in modo efficiente i dati da o verso altri dispositivi.
I tre esempi più comuni di reti mesh sono LAN (local area network), VLAN (virtual LAN) o WLAN (wireless LAN). Viene utilizzata una connessione decentralizzata, che si tratti di una topologia mesh parziale o di una topologia mesh completa.
In una topologia mesh parziale, alcuni dispositivi sono collegati a tutti i dispositivi della rete, mentre altri dispositivi sono collegati solo ai dispositivi con cui scambiano informazioni.
Una topologia mesh completa, come quella utilizzata da Zigbee, è dove ogni dispositivo è collegato a tutti gli altri dispositivi della rete.
In una rete Zigbee, i dispositivi trasmettono segnali a breve distanza (da 10 a 100 metri), ma poiché Zigbee utilizza una rete mesh, ogni dispositivo funge da ripetitore e può estendere il raggio di comunicazione.
Inoltre, le reti mesh sono “auto-guarigione”, il che significa che se un dispositivo non riesce a trasportare e fornire un segnale, un altro dispositivo nella rete può raccogliere il segnale e continuare a inviarlo al dispositivo mirato.
Interoperabilità Zigbee
Tutti i dispositivi abilitati Zigbee sono interoperabili. Ciò significa che anche se i dispositivi sono realizzati da diversi produttori, l’interconnettività può essere raggiunta tra di loro.
Ad esempio, supponiamo di avere un interruttore della luce intelligente realizzato da un produttore e una lampadina intelligente realizzata da un altro produttore. Se entrambi i dispositivi sono abilitati a Zigbee, saranno in grado di comunicare tra loro e l’interruttore della luce sarà in grado di accendere o spegnere la lampadina.
D’altra parte, se solo uno dei dispositivi è abilitato per Zigbee, i dispositivi non saranno in grado di comunicare o lavorare tra loro.
Come funziona Zigbee?
Immagine per gentile concessione di: Philips
I dispositivi Smart home sono dotati di piccoli trasmettitori radio che consentono la connettività wireless. Questi trasmettitori inviano e ricevono dati attraverso una rete personale a cui solo tu hai accesso.
Zigbee utilizza tre tipi di dispositivi per rendere possibile l’interconnettività e la comunicazione di rete: Zigbee Coordinator (ZC), Zigbee Router (ZR) e Zigbee End Device (ZED).
Zigbee Coordinator
Il Coordinatore Zigbee stabilisce la base (o radice) della rete. Ogni rete deve avere uno (e solo uno) Coordinatore Zigbee che gestisce le funzioni di rete e memorizza le informazioni di rete.
Il Coordinatore stabilisce la rete scegliendo quale canale utilizzare per la comunicazione di rete.
Il Coordinatore funge anche da Centro di fiducia per la rete gestendo e distribuendo le chiavi di sicurezza. Questo processo consente ad altri dispositivi di unirsi o lasciare la rete. Un coordinatore Zigbee deve essere alimentato tutto il tempo e non può dormire.
Zigbee Router
Il router Zigbee consente l’esecuzione delle funzioni dell’applicazione. Serve come router intermedio tra altri dispositivi che condividono o scambiano informazioni. Può inviare, ricevere e instradare informazioni all’interno della propria rete o tra altre reti esistenti.
È anche in grado di dare il permesso ad altri router e dispositivi finali di unirsi alla rete. Un router Zigbee non può dormire e deve essere alimentato tutto il tempo.
Dispositivo terminale Zigbee
Il dispositivo terminale Zigbee può comunicare solo con un router Zigbee o il coordinatore Zigbee. È il tipo di dispositivo più semplice in una rete Zigbee. Può solo inviare o ricevere informazioni e di solito è alimentato a batteria.
Un dispositivo finale non può instradare le informazioni ad altri dispositivi e quindi non richiede molta memoria. Inoltre, non può consentire ad altri dispositivi di unirsi alla rete.
I dispositivi terminali Zigbee non vengono utilizzati frequentemente, consentendo loro di dormire per un lungo periodo di tempo, prolungando la durata della batteria.
Bande radio Zigbee
Immagine gentilmente concessa da: Yale
Zigbee opera su bande di radiofrequenza ISM. L’acronimo ISM sta per ” industriale, scientifico e medico.”Qualsiasi persona o azienda può utilizzare l’energia a radiofrequenza in queste bande per scopi legati ad attività industriali, scientifiche o mediche.
Le bande ISM non sono destinate ad essere utilizzate per scopi di telecomunicazione. Per la maggior parte, le bande radio ISM sono utilizzate per sistemi di comunicazione wireless a bassa potenza come Zigbee, Bluetooth, Wi-Fi e RFID (identificazione a radiofrequenza).
Le bande radio ISM sono utilizzate anche per il riscaldamento a radiofrequenza (che è il modo in cui i forni a microonde cuociono gli alimenti) e le macchine per la diatermia medica.
La comunicazione Zigbee ha una latenza molto bassa, il che significa che la trasmissione dei dati avviene rapidamente senza molto ritardo. Ogni dispositivo Zigbee-enabled ha uno speciale chip Zigbee integrato in loro.
Ogni chip contiene microcontrollori e radio che consentono ai dispositivi di comunicare tra loro.
Zigbee opera sulla banda ISM a 2,4 GHz nella maggior parte delle località in tutto il mondo. Anche se ci sono altri luoghi in cui Zigbee può operare su frequenze più basse.
Ad esempio, in Cina, è possibile utilizzare la banda 784 MHz per Zigbee, e in Europa, è possibile utilizzare la banda 868 MHz. In Australia e negli Stati Uniti, è possibile utilizzare la banda 915 MHz.
Mentre Zigbee è in grado di operare su più bande di frequenza, è tipicamente utilizzato nella banda 2.4 GHz.
La banda a 2,4 GHz può avere velocità di trasferimento dati fino a 250 kilobyte al secondo. La banda 868 MHz ha una velocità di trasmissione dati di 20 kilobyte al secondo. E la banda 915 MHz ha una velocità di trasmissione dati di 40 kilobyte al secondo.
Zigbee Storia e la Zigbee Alliance
Il 1990 è stato un decennio importante per l’innovazione della tecnologia di comunicazione wireless. Bluetooth è emerso nel 1994 e Wi-Fi nel 1997, mentre Zigbee è stato sviluppato nel 1998.
Nel 2002, diverse aziende basate sulla tecnologia si sono unite per fondare la Zigbee Alliance. Il loro scopo è quello di gestire lo standard Zigbee, promuoverne l’utilizzo e distribuire profili applicativi per altre aziende da utilizzare nei loro prodotti tecnologici.
Questi profili consentono a diversi produttori di produrre prodotti abilitati Zigbee che saranno in grado di lavorare insieme e condividere informazioni con altri prodotti abilitati Zigbee.
Ci sono tre livelli di adesione della Zigbee Alliance: il livello Adopter, il livello Partecipante e il livello Promotor.
Il livello Adopter offre ai membri il diritto di accedere agli standard e alle specifiche Zigbee completati. I membri adottanti includono ARC Technology Company Limited, Emporia Energy, Verizon, SmartPlus Inc., AXIS Labs Inc., Tecnologie di catapulta e trasportatore.
Il livello Partecipante dà ai membri il diritto di votare e influenzare i futuri sviluppi Zigbee. Hanno anche diritto all’accesso anticipato agli standard e alle specifiche di sviluppo del prodotto.
I membri partecipanti includono V-Mark Universal Electronics, Toshiba, Telink Semiconductor, Data Communications Company, Samsung, Bosch, Lowe’s, IKEA e Spectrum.
Il livello Promotore ha l’approvazione finale su tutti gli standard. Fanno parte del consiglio di amministrazione di Zigbee Alliance e danno diritto di voto automatico a ciascun gruppo di lavoro.
I più grandi membri Promotor includono Amazon, Comcast, Huawei, MMB Networks, NXP, Legrand e Texas Instruments.
Dalla sua formazione, Zigbee Alliance si è espansa a oltre 400 diverse organizzazioni in 37 paesi in tutto il mondo.
La standardizzazione Zigbee ha avuto luogo nel 2003 e la ratifica della specifica IEEE 802.15.4 ha avuto luogo nel 2004. L’anno successivo, la disponibilità pubblica della specifica Zigbee è stata annunciata il 13 giugno 2005.
Sicurezza Zigbee
Immagine gentilmente concessa da: SmartThings
Zigbee utilizza la crittografia AES a 128 bit ed è basata sul modello di sicurezza definito nell’IEEE 802.15.4 standard. Le reti e i dispositivi Zigbee utilizzano due tipi di chiavi di sicurezza per comunicare: una chiave di rete e una chiave di collegamento.
Chiave di rete
Una chiave di rete viene condivisa e utilizzata da tutti i dispositivi della rete per trasferire in modo sicuro i messaggi. Viene generato dal Centro di fiducia (che più spesso è il coordinatore nella rete) e viene inviato a tutti i nuovi dispositivi che si uniscono alla rete.
Chiave di collegamento
Una chiave di rete non viene mai inviata ai dispositivi in chiaro. Il Trust Center è preconfigurato con una chiave di collegamento che viene utilizzata per proteggere la chiave di rete quando viene trasmessa ai dispositivi di unione.
Le chiavi di collegamento vengono utilizzate anche per la comunicazione crittografata tra due dispositivi. Queste chiavi di collegamento univoche sono condivise solo tra i due dispositivi e sono generate e fornite dal Centro di attendibilità.
Modelli di sicurezza Zigbee
Zigbee offre due tipi di modelli di sicurezza: distribuiti e centralizzati. Questi due modelli si differenziano per il modo in cui consentono a nuovi dispositivi di unirsi alla rete e come proteggono la comunicazione in tutta la rete.
Modello di sicurezza distribuita
Un modello di sicurezza distribuita è un tipo di sistema semplice, ma meno sicuro. Si compone di due tipi di dispositivi, router e dispositivi finali. Quando un router è acceso, può formare una rete di sicurezza distribuita se non rileva una rete esistente.
In questo tipo di rete, qualsiasi router può consentire ad altri router e dispositivi finali di unirsi emettendo la chiave di rete. Tutti i dispositivi di una rete di sicurezza distribuita utilizzano la stessa chiave di rete per la crittografia dei messaggi.
Per accedere alla rete, router e dispositivi devono disporre di una chiave di collegamento preconfigurata. Questa chiave di collegamento viene utilizzata per crittografare la chiave di rete quando la passa ai dispositivi appena uniti.
Modello di sicurezza centralizzato
Un modello di sicurezza centralizzato fornisce un livello più elevato di sicurezza che rende il sistema un po ‘ più complicato. Oltre ai router e ai dispositivi finali, questo modello include un terzo tipo di dispositivo: il coordinatore di rete o il Centro di fiducia.
Il Trust Center forma una rete di sicurezza centralizzata configurando e autenticando i dispositivi che si uniscono alla rete. Genera la chiave di rete che ogni dispositivo utilizzerà per crittografare i messaggi in tutta la rete. Questa chiave di rete può essere aggiornata periodicamente (automaticamente o su richiesta) per ridurre il rischio di hacking.
Il Centro di fiducia distribuisce anche una chiave di collegamento unica del Centro di fiducia ai dispositivi che si uniscono alla rete. Questa chiave di collegamento viene utilizzata dai dispositivi per comunicare in modo sicuro con il Centro di fiducia.
Zigbee Vantaggi
Per riassumere tutto, Zigbee offre un modo a basso costo, a bassa potenza, altamente affidabile e sicuro per collegare i dispositivi in modalità wireless su Internet. Con centinaia di dispositivi Zigbee smart home disponibili, non c’è da meravigliarsi perché Zigbee è così popolare e così ampiamente utilizzato.
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