Zigbee wyjaśnił: co to jest i jak to działa

autor: Carlos Paras
aktualizacja: listopad 30, 2021

Zigbee jest jednym z wielu sposobów łączenia urządzeń inteligentnego domu przez sieć bezprzewodową. W tym artykule wyjaśnię, jak działa Zigbee i dlaczego jest przydatny w świecie automatyki domowej.

co to jest Zigbee? ZigBee jest protokołem komunikacji bezprzewodowej o małej mocy zbudowanym na standardzie IEEE 802.15.4 dla low rate personal area networks (LR-WPAN). Jest uważany za bardziej energooszczędną i opłacalną alternatywę dla tradycyjnych technologii Bluetooth i Wi-Fi.

Specyfikacja Zigbee istnieje od ponad 15 lat. Jest najczęściej stosowany w domach i budynkach do bezprzewodowego łączenia urządzeń automatyki i zabezpieczeń z Internetem.

urządzenia takie jak inteligentne termostaty, inteligentne przełączniki światła i inteligentne zamki mogą być połączone w sieć bezprzewodową, którą można zarządzać za pomocą smartfona lub interfejsu komputera.

Zigbee jest również używany w innych aplikacjach, takich jak Opieka zdrowotna, Inteligentna Energia, piloty i usługi detaliczne.

oferty Inteligentnego Domu @ Amazon

sieć Zigbee Mesh

co odróżnia Zigbee od innych protokołów komunikacyjnych jest to, że transfer danych nie jest wyłącznie punkt-punkt między dwoma urządzeniami o dużej mocy. Zamiast tego urządzenia Zigbee działają jako sieć siatkowa, która może zapewnić większą niezawodność swoim użytkownikom.

co to jest sieć mesh? Sieć mesh to lokalna topologia sieci, w której urządzenia w jej infrastrukturze są ze sobą połączone.

wszystkie urządzenia w sieci mesh współpracują ze sobą, aby efektywnie przesyłać dane do lub z innych urządzeń.

trzy najczęstsze przykłady sieci mesh to LAN (sieć lokalna), VLAN (wirtualna sieć LAN) lub WLAN (bezprzewodowa sieć LAN). Stosuje się jedno zdecentralizowane połączenie, niezależnie od tego, czy jest to częściowa topologia siatki, czy pełna topologia siatki.

w częściowej topologii siatki niektóre urządzenia są podłączone do każdego urządzenia w sieci, podczas gdy inne urządzenia są podłączone tylko do urządzeń, z którymi wymieniają informacje.

pełna topologia siatki, taka jak ta, której używa Zigbee, polega na tym, że każde urządzenie jest podłączone do każdego innego urządzenia w sieci.

w sieci Zigbee urządzenia przesyłają sygnały w niewielkiej odległości (od 10 do 100 metrów), ale ponieważ Zigbee wykorzystuje sieć siatkową, każde urządzenie działa jako repeater i może rozszerzyć zasięg komunikacji.

ponadto sieci mesh są „samoleczące”, co oznacza, że jeśli jedno urządzenie nie przenosi i nie dostarcza sygnału, inne urządzenie w sieci może odebrać sygnał i kontynuować wysyłanie go do docelowego urządzenia.

interoperacyjność Zigbee

wszystkie urządzenia obsługujące Zigbee są interoperacyjne. Oznacza to, że nawet jeśli urządzenia są produkowane przez różnych producentów, można uzyskać między nimi wzajemną łączność.

na przykład załóżmy, że masz inteligentny przełącznik światła wykonany przez jednego producenta i inteligentną żarówkę wykonaną przez innego producenta. Jeśli oba urządzenia są włączone Zigbee, będą mogły komunikować się ze sobą, a przełącznik światła będzie mógł włączyć lub wyłączyć żarówkę.

z drugiej strony, jeśli tylko jedno z urządzeń jest włączone Zigbee, urządzenia nie będą w stanie komunikować się ani współpracować ze sobą.

Jak Działa Zigbee?

Zdjęcie dzięki uprzejmości: Philips

urządzenia Smart home są wyposażone w małe Nadajniki radiowe, które umożliwiają łączność bezprzewodową. Te nadajniki wysyłają i odbierają dane za pośrednictwem sieci osobistej, do której tylko Ty masz dostęp.

Zigbee wykorzystuje trzy typy urządzeń, aby umożliwić połączenie sieciowe i komunikację: Zigbee Coordinator (ZC), Router Zigbee (ZR) i urządzenie końcowe Zigbee (ZED).

Koordynator Zigbee

Koordynator ZigBee ustanawia bazę (lub root) sieci. Każda sieć musi mieć jednego (i tylko jednego) koordynatora Zigbee, który zarządza funkcjami sieciowymi i przechowuje informacje o sieci.

Koordynator ustanawia sieć, wybierając kanał, który ma być używany do komunikacji sieciowej.

Koordynator służy również jako Centrum zaufania dla sieci poprzez zarządzanie i dystrybucję kluczy bezpieczeństwa. Ten proces pozwala innym urządzeniom na dołączenie lub opuszczenie sieci. Koordynator Zigbee musi być cały czas zasilany i nie może spać.

Router Zigbee

Router ZigBee umożliwia uruchamianie funkcji aplikacji. Służy jako router pośredni między innymi urządzeniami, które dzielą się lub wymieniają informacjami. Może wysyłać, odbierać i przesyłać informacje w ramach własnej sieci lub między innymi istniejącymi sieciami.

jest również w stanie dać pozwolenie innym routerom i urządzeniom końcowym na przyłączenie się do sieci. Router Zigbee nie może spać i musi być cały czas zasilany.

urządzenie końcowe Zigbee

urządzenie końcowe ZigBee może komunikować się tylko z routerem Zigbee lub koordynatorem Zigbee. Jest to najbardziej podstawowy typ urządzenia w sieci Zigbee. Może tylko wysyłać lub odbierać informacje i jest zwykle zasilany bateryjnie.

urządzenie końcowe nie może kierować informacji do innych urządzeń i dlatego nie wymaga dużo pamięci. Nie może również zezwolić innym urządzeniom na dołączenie do sieci.

urządzenia końcowe Zigbee nie są często używane, co pozwala im spać przez długi czas, co wydłuża żywotność baterii.

pasma radiowe Zigbee

Zdjęcie dzięki uprzejmości: Yale

Zigbee działa na pasmach częstotliwości radiowych ISM. Skrót ISM oznacza ” industrial, scientific, and medical.”Każda osoba lub firma może wykorzystywać energię częstotliwości radiowych w tych pasmach do celów związanych z działalnością przemysłową, naukową lub medyczną.

pasma ISM nie są przeznaczone do wykorzystania w celach telekomunikacyjnych. W większości przypadków pasma radiowe ISM są używane w systemach komunikacji bezprzewodowej o małej mocy, takich jak Zigbee, Bluetooth, Wi-Fi i RFID (identyfikacja częstotliwości radiowych).

pasma radiowe ISM są również używane do ogrzewania częstotliwości radiowych (czyli jak kuchenki mikrofalowe gotują jedzenie) i maszyn do diatermii medycznej.

komunikacja Zigbee ma bardzo niskie opóźnienia, co oznacza, że transmisja danych odbywa się szybko bez większego opóźnienia. Każde urządzenie obsługujące Zigbee ma zintegrowany specjalny układ Zigbee.

każdy chip zawiera mikrokontrolery i radia, które pozwalają urządzeniom komunikować się ze sobą.

Zigbee działa w paśmie ISM 2,4 GHz w większości lokalizacji na całym świecie. Są jednak inne miejsca, w których Zigbee może pracować na niższych częstotliwościach.

na przykład w Chinach można użyć pasma 784 MHz dla Zigbee, aw Europie można użyć pasma 868 MHz. W Australii i Stanach Zjednoczonych można używać pasma 915 MHz.

chociaż Zigbee jest w stanie pracować na wielu pasmach częstotliwości, zwykle jest używany w paśmie 2,4 GHz.

pasmo 2,4 GHz może mieć prędkość transferu danych do 250 kilobajtów na sekundę. Pasmo 868 MHz ma szybkość transmisji danych 20 kilobajtów na sekundę. Pasmo 915 MHz ma szybkość transmisji danych 40 kilobajtów na sekundę.

Historia Zigbee i Sojusz Zigbee

lata 90-te były przełomową dekadą dla innowacji technologii komunikacji bezprzewodowej. Bluetooth pojawił się w 1994 roku, a Wi-Fi w 1997 roku, podczas gdy Zigbee został opracowany w 1998 roku.

w 2002 roku kilka firm technologicznych połączyło się, aby utworzyć sojusz Zigbee. Ich celem jest zarządzanie standardem Zigbee, promowanie jego wykorzystania i dystrybucja profili aplikacji dla innych firm do wykorzystania w swoich produktach technologicznych.

profile te pozwalają różnym producentom produkować produkty Zigbee, które będą mogły współpracować i dzielić się informacjami z innymi produktami ZigBee.

istnieją trzy poziomy członkostwa Sojuszu Zigbee: poziom Adoptera, poziom uczestnika i poziom promotora.

poziom Adoptera daje członkom prawo dostępu do ukończonych standardów i specyfikacji Zigbee. Członkami adopcyjnymi są ARC Technology Company Limited, Emporia Energy, Verizon, SmartPlus Inc., AXIS Labs Inc., Catapult Technologies i Carrier.

poziom uczestnika daje członkom prawo do głosowania i wpływania na przyszłe wydarzenia Zigbee. Są one również uprawnione do wczesnego dostępu do standardów i specyfikacji rozwoju produktu.

uczestnicy to V-Mark Universal Electronics, Toshiba, Telink Semiconductor, Data Communications Company, Samsung, Bosch, Lowe ’ s, IKEA i Spectrum.

poziom promotora ma ostateczną akceptację dla wszystkich standardów. Są częścią rady dyrektorów Zigbee Alliance i dają automatyczne prawa głosu każdej grupie roboczej.

największymi członkami promotorów są Amazon, Comcast, Huawei, MMB Networks, NXP, Legrand i Texas Instruments.

od momentu powstania, Sojusz Zigbee rozszerzył się do ponad 400 różnych organizacji w 37 krajach na całym świecie.

standaryzacja Zigbee miała miejsce w 2003 roku, a ratyfikacja specyfikacji IEEE 802.15.4 miała miejsce w 2004 roku. W następnym roku publiczna dostępność specyfikacji Zigbee została ogłoszona 13 czerwca 2005 roku.

Zigbee Security

Zdjęcie dzięki uprzejmości: SmartThings

Zigbee wykorzystuje 128-bitowe szyfrowanie AES i jest zbudowany na modelu zabezpieczeń zdefiniowanym w IEEE 802.15.4 standard. Sieci i urządzenia Zigbee używają dwóch typów kluczy bezpieczeństwa do komunikacji: klucza sieciowego i klucza łącza.

klucz sieciowy

klucz sieciowy jest współdzielony i używany przez wszystkie urządzenia w sieci do bezpiecznego przesyłania wiadomości. Jest on generowany przez Centrum zaufania (które najczęściej jest koordynatorem w sieci) i wysyłany do wszystkich nowych urządzeń przyłączających się do sieci.

klucz łącza

klucz sieciowy nigdy nie jest wysyłany do urządzeń niezaszyfrowanych. Centrum zaufania jest wstępnie skonfigurowane z kluczem łącza, który służy do ochrony klucza sieciowego podczas przesyłania go do urządzeń łączących.

klucze łącza służą również do szyfrowanej komunikacji między dwoma urządzeniami. Te unikalne klucze łącza są współdzielone tylko między dwoma urządzeniami i są generowane i dostarczane przez Centrum zaufania.

modele zabezpieczeń Zigbee

Zigbee oferuje dwa typy modeli zabezpieczeń: rozproszony i scentralizowany. Te dwa modele różnią się sposobem, w jaki pozwalają nowym urządzeniom dołączyć do sieci i w jaki sposób zabezpieczają komunikację w całej sieci.

rozproszony Model zabezpieczeń

rozproszony model zabezpieczeń to prosty, ale mniej bezpieczny typ systemu. Składa się z dwóch typów urządzeń, routerów i urządzeń końcowych. Gdy router jest włączony, może utworzyć rozproszoną sieć zabezpieczeń, jeśli nie wykryje istniejącej sieci.

w tego typu sieciach każdy router może zezwolić innym routerom i urządzeniom końcowym na przyłączenie się, wydając klucz sieciowy. Wszystkie urządzenia w rozproszonej sieci zabezpieczeń używają tego samego klucza sieciowego do szyfrowania wiadomości.

aby połączyć się z siecią, routery i urządzenia muszą mieć wstępnie skonfigurowany klucz łącza. Ten klucz łącza służy do szyfrowania klucza sieciowego podczas przekazywania go do nowo przyłączonych urządzeń.

scentralizowany Model bezpieczeństwa

scentralizowany model bezpieczeństwa zapewnia wyższy poziom bezpieczeństwa, co sprawia, że system jest nieco bardziej skomplikowany. Oprócz routerów i urządzeń końcowych, model ten obejmuje trzeci typ urządzenia: koordynator sieci lub Centrum zaufania.

Centrum zaufania tworzy scentralizowaną sieć zabezpieczeń, konfigurując i uwierzytelniając urządzenia dołączające do sieci. Generuje klucz sieciowy, którego każde urządzenie będzie używać do szyfrowania wiadomości w całej sieci. Ten klucz sieciowy może być okresowo odświeżany (automatycznie lub na żądanie), aby zmniejszyć ryzyko włamania.

Centrum zaufania dystrybuuje również unikalny klucz łącza Centrum zaufania do urządzeń, gdy dołączają one do sieci. Ten klucz łącza jest używany przez urządzenia do bezpiecznej komunikacji z Centrum zaufania.

korzyści Zigbee

podsumowując, Zigbee oferuje tani, energooszczędny, wysoce niezawodny i bezpieczny sposób bezprzewodowego łączenia urządzeń przez internet. Dzięki setkom dostępnych urządzeń Zigbee smart home nic dziwnego, że Zigbee jest tak popularny i tak szeroko stosowany.

Polecane produkty

Sprzedam