著者:Carlos Paras
UPDATED:November30, 2021

Zigbeeは、ワイヤレスネットワークを介してスマートホームデバイスを接続するための多くの方法の一つです。 この記事では、Zigbeeがどのように機能するのか、なぜホームオートメーションの世界で有用であるのかを説明します。

ジグビーとは何ですか？ Zigbeeは、低レートパーソナルエリアネットワーク(LR-WPAN)用のIEEE802.15.4規格に基づいて構築された低電力無線通信プロトコルです。 従来のBluetoothおよびWi-Fiの技術へよりエネルギー効率が良く、費用効果が大きい代わりであることを考慮します。

Zigbeeの仕様は15年以上前から存在しています。 これは、自動化およびセキュリティデバイスをインターネットにワイヤレスで接続するために、家庭や建物で最も一般的に使用されています。

スマートサーモスタット、スマートライトスイッチ、スマートロックなどのデバイスは、すべてスマートフォンやコンピュータのインターフェイスで管理できる無線ネ

Zigbeeは、ヘルスケア、スマートエネルギー、リモコン、小売サービスなどの他の用途にも使用されています。

Zigbeeメッシュネットワーク

Zigbeeを他の通信プロトコルと区別するのは、データ転送が2つの高出力デバイス間のポイントツーポイントだけではないということです。 代わりに、Zigbeeデバイスは、ユーザーにより多くの信頼性を提供できるメッシュネットワークとして動作します。

メッシュネットワークとは何ですか？ メッシュネットワークは、インフラストラクチャ内のデバイスが相互に相互接続されるローカルネットワークトポロジです。

メッシュネットワーク内のすべてのデバイスが連携して、他のデバイスとの間で効率的にデータを転送します。

メッシュネットワークの最も一般的な例は、LAN(local area network)、VLAN(virtual LAN)、WLAN(wireless LAN)です。 部分メッシュトポロジーであろうと完全メッシュトポロジーであろうと、一つの分散接続が採用されている。

部分メッシュトポロジでは、一部のデバイスはネットワーク内のすべてのデバイスに接続され、他のデバイスは情報を交換するデバイスにのみ接続され

フルメッシュトポロジは、Zigbeeが使用するものと同様に、各デバイスがネットワーク内の他のすべてのデバイスに接続されている場所です。

Zigbeeネットワークでは、デバイスは短距離（10-100メートル）で信号を送信しますが、zigbeeはメッシュネットワークを利用するため、各デバイスはリピータとして機能し、通信範囲を拡張することができます。

さらに、メッシュネットワークは”自己回復”であり、あるデバイスが信号を運んで配信できなかった場合、ネットワーク内の別のデバイスが信号を拾い上げ、

Zigbeeの相互運用性

すべてのZigbee対応デバイスは相互運用可能です。 これは、デバイスが異なる製造業者によって製造された場合でも、それらの間で相互接続性を達成することができることを意味する。

たとえば、あるメーカーのスマートライトスイッチと、別のメーカーのスマート電球があるとします。 両方のデバイスがZigbee対応の場合、それらは互いに通信することができ、ライトスイッチは電球をオンまたはオフにすることができます。

一方、いずれかのデバイスのみがZigbee対応の場合、デバイスは互いに通信したり動作したりすることはできません。

Zigbeeはどのように機能しますか？

スマートホームデバイスには、ワイヤレス接続を可能にする小さな無線送信機が装備されています。 これらの送信機は、あなただけがアクセスできる個人的なネットワークを介してデータを送受信します。

Zigbeeは、ネットワークの相互接続性と通信を可能にするために、Zigbee Coordinator(ZC)、Zigbee Router(ZR)、およびZigbee End Device(ZED)の三つのデバイスタイプを使用しています。

Zigbee Coordinator

Zigbee Coordinatorはネットワークのベース（またはルート）を確立します。 各ネットワークには、ネットワーク機能を管理し、ネットワーク情報を格納するZigbee Coordinatorが1つ（および1つだけ）必要です。

コーディネーターは、ネットワーク通信に使用するチャネルを選択してネットワークを確立します。

コーディネータは、セキュリティキーを管理および配布することにより、ネットワークの信頼センターとしても機能します。 このプロセスでは、他のデバイスがネットワークに参加または退出することができます。 Zigbeeコーディネーターは常に電源を供給する必要があり、眠ることはできません。

Zigbee Router

Zigbee Routerはアプリケーション機能を実行できます。 これは、情報を共有または交換している他のデバイス間の中間ルータとして機能します。 独自のネットワーク内または他の既存のネットワーク間で情報を送信、受信、およびルーティングできます。

また、他のルータやエンドデバイスにネットワークに参加する許可を与えることもできます。 Zigbeeルーターはスリープできず、常に電源を供給する必要があります。

Zigbeeエンドデバイス

Zigbeeエンドデバイスは、ZigbeeルータまたはZigbeeコーディネータとのみ通信できます。 これは、Zigbeeネットワークで最も基本的なデバイスタイプです。 これは、情報を送信または受信することができ、通常はバッテリ駆動です。

エンドデバイスは他のデバイスに情報をルーティングすることができないため、多くのメモリを必要としません。 また、他のデバイスがネットワークに参加することを許可することはできません。

Zigbeeエンドデバイスは頻繁に使用されないため、長時間スリープすることができ、バッテリ寿命が長くなります。

Zigbeeのラジオバンド

Zigbee ISM無線周波数帯域で動作します。 頭字語ISMは”industrial,scientific,and medical”の略です。”すべての人や企業は、産業、科学、または医療活動に関連する目的のために、これらのバンドの無線周波数エネルギーを利用することができます。

ISM帯域は、通信目的での使用を意図したものではありません。 ほとんどの場合、ISM無線帯域は、Zigbee、Bluetooth、Wi-Fi、RFID（radio frequency identification）などの低電力無線通信システムに使用されます。

ISM無線帯域は、高周波加熱（電子レンジが食品を調理する方法）や医療用ジアテルミー機械にも使用されています。

Zigbee通信は非常に低いレイテンシを持っているため、データ伝送は遅延の多くなしで迅速に行われます。 すべてのZigbee対応デバイスには、特別なZigbeeチップが組み込まれています。

各チップには、デバイス同士の通信を可能にするマイクロコントローラと無線が含まれています。

Zigbeeは世界中のほとんどの場所で2.4GHz ISM帯域で動作します。 Zigbeeがより低い周波数で動作できる場所は他にもありますが。

たとえば、中国ではZigbeeに784MHz帯域を使用し、ヨーロッパでは868MHz帯域を使用できます。 オーストラリアと米国では、915MHz帯域を使用できます。

Zigbeeは複数の周波数帯域で動作することができますが、通常は2.4GHz帯域で使用されます。

2.4GHz帯域のデータ転送速度は250kb/秒にもなります。 868MHz帯域のデータレートは20キロバイト/秒です。 また、915MHz帯域のデータレートは毎秒40キロバイトです。

Zigbeeの歴史とZigbee Alliance

1990年代は、無線通信技術の革新にとって大きな10年でした。 Bluetoothは1994年に登場し、Wi-Fiは1997年に登場し、Zigbeeは1998年に開発されました。

2002年には、いくつかの技術ベースの企業が一緒に参加してZigbee Allianceを設立しました。 彼らの目的は、Zigbee標準を管理し、その使用を促進し、他の企業が自社の技術製品で使用するためのアプリケーションプロファイルを配布することです。

これらのプロファイルにより、異なるメーカーがZigbee対応製品を生産することができ、他のZigbee対応製品と連携して情報を共有することができます。

Zigbee Allianceには、採用者レベル、参加者レベル、および推進者レベルの三つの会員レベルがあります。

採用者レベルは、完成したZigbeeの標準と仕様にアクセスする権利をメンバーに与えます。 採用メンバーには、ARC Technology Company Limited、Emporia Energy、Verizon、SmartPlus Incが含まれます。、アクシスラボ株式会社、カタパルト技術、およびキャリア。

参加者レベルは、メンバーに投票権を与え、将来のZigbeeの発展に影響を与える。 彼らはまた、製品開発の標準と仕様への早期アクセスを受ける権利があります。

参加メンバーには、V-Mark Universal Electronics、Toshiba、Telink Semiconductor、Data Communications Company、Samsung、Bosch、Lowe’s、IKEA、Spectrumが含まれています。

プロモーターレベルはすべての基準に対して最終的な承認を得ている。 彼らはZigbee Allianceの取締役会の一員であり、各ワークグループに自動議決権を与えます。

最大のプロモーターメンバーには、Amazon、Comcast、Huawei、MMB Networks、NXP、Legrand、Texas Instrumentsが含まれています。

Zigbee Allianceは設立以来、世界中の37カ国で400以上の異なる組織に拡大してきました。

Zigbeeの標準化は2003年に行われ、IEEE802.15.4仕様の批准は2004年に行われました。 翌年、Zigbee仕様の公開がJune13th、2005に発表されました。

Zigbeeセキュリティ

ZigbeeはAES128ビット暗号化を利用し、IEEE802.15で定義されたセキュリティモデルに基づいて構築されています。4標準。 Zigbeeネットワークとデバイスは、ネットワークキーとリンクキーの二つのタイプのセキュリティキーを使用して通信します。

ネットワークキー

ネットワークキーはネットワーク内のすべてのデバイスで共有され、メッセージを安全に転送するために使用されます。 これは、信頼センター（ほとんどの場合、ネットワーク内のコーディネーター）によって生成され、ネットワークに参加するすべての新しいデバイスに送信されます。

リンクキー

ネットワークキーは暗号化されていないデバイスに送信されることはありません。 Trust Centerは、接続デバイスに送信されるときにネットワークキーを保護するために使用されるリンクキーで事前に構成されています。

リンクキーは、二つのデバイス間の暗号化通信にも使用されます。 これらの一意のリンクキーは、2つのデバイス間でのみ共有され、Trust Centerによって生成および提供されます。

Zigbeeセキュリティモデル

Zigbeeには、分散型と集中型の二つのタイプのセキュリティモデルがあります。 これらの2つのモデルは、新しいデバイスがネットワークに参加できるようにする方法と、ネットワーク全体で通信を保護する方法が異なります。

分散型セキュリティモデル

分散型セキュリティモデルは、シンプルだが安全性の低いタイプのシステムです。 これは、2つのデバイスタイプ、ルータとエンドデバイスで構成されています。 ルータの電源が入っているときに、既存のネットワークを検出しないと、分散セキュリティネットワークを形成することができます。

このタイプのネットワークでは、どのルータでも、ネットワークキーを発行することによって他のルータとエンドデバイスを参加させることができます。 分散セキュリティネットワーク内のすべてのデバイスは、メッセージの暗号化に同じネットワークキーを使用します。

ネットワークに参加するには、ルータとデバイスに事前設定されたリンクキーが必要です。 このリンクキーは、新しく参加したデバイスにネットワークキーを渡すときにネットワークキーを暗号化するために使用されます。

集中型セキュリティモデル

集中型セキュリティモデルは、より高いレベルのセキュリティを提供し、システムをもう少し複雑にします。 このモデルには、ルータとエンドデバイスに加えて、ネットワークコーディネーターまたはトラストセンターという3つ目のデバイスタイプが含まれています。

トラストセンターは、ネットワークに参加するデバイスを設定および認証することにより、集中型セキュリティネットワークを形成します。 これは、各デバイスがネットワーク全体のメッセージを暗号化するために使用するネットワークキーを生成します。 このネットワークキーは、ハッキングのリスクを軽減するために、定期的に（自動的にまたはオンデマンドで）更新することができます。

トラストセンターはまた、ネットワークに参加するデバイスに一意のトラストセンターリンクキーを配布します。 このリンクキーは、デバイスが信頼センターと安全に通信するために使用されます。

Zigbeeの利点

要約すると、Zigbeeは、インターネット経由でワイヤレスでデバイスを接続するための低コスト、低電力、信頼性の高い、安全な方法を提供しています。 利用可能なZigbeeスマートホームデバイスの何百もの、それはZigbeeはとても人気があり、とても広く使用されている理由も不思議ではありません。

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