Zigbee förklarade: vad det är och hur det fungerar

författare: Carlos Paras
uppdaterad: November 30, 2021

Zigbee är ett av de många sätten att ansluta smarta hemenheter via ett trådlöst nätverk. I den här artikeln ska jag förklara hur Zigbee fungerar och varför det är användbart i hemautomatiseringsvärlden.

Vad är Zigbee? Zigbee är ett trådlöst kommunikationsprotokoll med låg effekt som bygger på IEEE 802.15.4-standarden för lågfrekventa personliga nätverk (LR-WPAN). Det anses vara ett mer energieffektivt och kostnadseffektivt alternativ till traditionell Bluetooth-och Wi-Fi-teknik.

Zigbee-specifikationen har funnits i över 15 år. Det används oftast i hem och byggnader för att trådlöst ansluta automations-och säkerhetsenheter till internet.

enheter som smarta termostater, smarta ljusbrytare och smarta lås kan alla kopplas i ett trådlöst nätverk som kan hanteras på en smartphone eller datorgränssnitt.

Zigbee används också i andra applikationer som hälso-och sjukvård, smart energi, fjärrkontroller och detaljhandelstjänster.

smarta hem erbjudanden @ Amazon

Zigbee Mesh Network

vad som skiljer Zigbee från andra kommunikationsprotokoll är att dataöverföring inte bara är punkt-till-punkt mellan två högdrivna enheter. Istället fungerar Zigbee-enheter som ett nätverk som kan ge användarna mer tillförlitlighet.

Vad är ett mesh-nätverk? Ett mesh-nätverk är en lokal nätverkstopologi där enheterna i dess infrastruktur är sammankopplade med varandra.

alla enheter i ett mesh-nätverk arbetar tillsammans för att effektivt överföra data till eller från andra enheter.

de tre vanligaste exemplen på mesh-nätverk är LAN (local area network), VLAN (virtual LAN) eller WLAN (wireless LAN). En decentraliserad anslutning används, oavsett om det är en partiell mesh topologi eller en full mesh topologi.

i en partiell mesh-topologi är vissa enheter anslutna till alla enheter i nätverket, medan andra enheter endast är anslutna till de enheter de utbyter information med.

en fullmatad topologi, som den som Zigbee använder, är där varje enhet är ansluten till alla andra enheter i nätverket.

i ett Zigbee-nätverk överför enheter signaler inom ett kort avstånd (10 till 100 meter), men eftersom Zigbee använder ett mesh-nätverk fungerar varje enhet som en repeater och kan utöka kommunikationsområdet.

dessutom är mesh-nätverk” självläkande”, vilket innebär att om en enhet misslyckas med att bära och leverera en signal kan en annan enhet i nätverket hämta signalen och fortsätta att skicka den till den riktade enheten.

Zigbee interoperabilitet

alla Zigbee-aktiverade enheter är interoperabla. Detta innebär att även om enheter tillverkas av olika tillverkare kan sammankoppling uppnås mellan dem.

låt oss till exempel säga att du har en smart ljusströmbrytare Tillverkad av en tillverkare och en smart glödlampa Tillverkad av en annan tillverkare. Om båda enheterna är Zigbee-aktiverade kan de kommunicera med varandra och ljusströmbrytaren kan slå på eller stänga av glödlampan.

å andra sidan, om bara en av enheterna är Zigbee-aktiverad, kommer enheterna inte att kunna kommunicera eller arbeta med varandra.

Hur Verkar Zigbee?

bild med tillstånd av: Philips

smarta hemenheter är utrustade med små radiosändare som möjliggör trådlös anslutning. Dessa sändare skickar och tar emot data via ett personligt nätverk som bara du har tillgång till.

Zigbee använder tre enhetstyper för att möjliggöra nätverkssammankoppling och kommunikation: Zigbee Coordinator (ZC), Zigbee Router (ZR) och Zigbee End Device (ZED).

Zigbee-koordinator

Zigbee-koordinatorn etablerar basen (eller roten) i nätverket. Varje nätverk måste ha en (och endast en) Zigbee-koordinator som hanterar nätverksfunktioner och lagrar nätverksinformation.

samordnaren etablerar nätverket genom att välja vilken kanal som ska användas för nätverkskommunikation.

samordnaren fungerar också som säkerhetscenter för nätverket genom att hantera och distribuera säkerhetsnycklar. Denna process tillåter andra enheter att gå med eller lämna nätverket. En Zigbee-koordinator måste drivas hela tiden och kan inte sova.

Zigbee-Router

Zigbee-routern tillåter programfunktioner att köras. Den fungerar som en mellanliggande router mellan andra enheter som delar eller utbyter information. Den kan skicka, ta emot och dirigera information inom sitt eget nätverk eller mellan andra befintliga nätverk.

det kan också ge tillstånd till andra routrar och slutenheter att ansluta sig till nätverket. En Zigbee-Router kan inte sova och måste drivas hela tiden.

Zigbee End-enhet

Zigbee End-enheten kan bara kommunicera med en Zigbee-Router eller Zigbee-koordinatorn. Det är den mest grundläggande enhetstypen i ett Zigbee-nätverk. Den kan bara skicka eller ta emot information och är vanligtvis batteridriven.

en slutenhet kan inte dirigera information till andra enheter och kräver därför inte mycket minne. Det kan inte heller tillåta andra enheter att ansluta sig till nätverket.

Zigbee-slutenheter används inte ofta, så att de kan sova under en lång tid, vilket förlänger batteriets livslängd.

Zigbee Radio Bands

bild med tillstånd av: Yale

Zigbee fungerar på ISM radiofrekvensband. Förkortningen ISM står för ” industriell, vetenskaplig och medicinsk.”Varje person eller företag kan använda radiofrekvensenergi i dessa band för ändamål relaterade till industriell, vetenskaplig eller medicinsk verksamhet.

ISM-band är inte avsedda att användas för telekommunikationsändamål. För det mesta används ISM-radioband för trådlösa kommunikationssystem med låg effekt som Zigbee, Bluetooth, Wi-Fi och RFID (radio frequency identification).

ISM – radioband används också för radiofrekvensuppvärmning (vilket är hur Mikrovågsugnar lagar mat) och medicinska diatermimaskiner.

Zigbee-kommunikation har mycket låg latens, vilket innebär att dataöverföring sker snabbt utan mycket fördröjning. Varje Zigbee-aktiverad enhet har ett speciellt Zigbee-chip integrerat i dem.

varje chip innehåller mikrokontroller och radioapparater som gör att enheterna kan kommunicera med varandra.

Zigbee arbetar på 2.4 GHz ISM-bandet på de flesta platser över hela världen. Även om det finns andra platser där Zigbee kan fungera på lägre frekvenser.

till exempel i Kina kan du använda 784 MHz-bandet för Zigbee, och i Europa kan du använda 868 MHz-bandet. I Australien och USA kan du använda 915 MHz-bandet.

medan Zigbee kan fungera på flera frekvensband används det vanligtvis i 2,4 GHz-bandet.

2.4 GHz-bandet kan ha dataöverföringshastigheter så höga som 250 kilobytes per sekund. 868 MHz-bandet har en datahastighet på 20 kilobytes per sekund. Och 915 MHz-bandet har en datahastighet på 40 kilobytes per sekund.

Zigbee historia och Zigbee Alliance

1990-talet var ett stort decennium för innovation av trådlös kommunikationsteknik. Bluetooth uppstod 1994 och Wi-Fi 1997, medan Zigbee utvecklades 1998.

under 2002 gick flera teknikbaserade företag samman för att etablera Zigbee Alliance. Deras syfte är att hantera Zigbee-standarden, främja dess användning och distribuera applikationsprofiler för andra företag att använda i sina teknikprodukter.

dessa profiler tillåter olika tillverkare att producera Zigbee-aktiverade produkter som kommer att kunna arbeta tillsammans och dela information med andra Zigbee-aktiverade produkter.

det finns tre medlemsnivåer i Zigbee Alliance: Adopternivå, Deltagarnivå och Promotornivå.

Adopter-nivån ger medlemmarna rätt att få tillgång till färdiga Zigbee-standarder och specifikationer. Adopter medlemmar inkluderar ARC Technology Company Limited, Emporia Energy, Verizon, SmartPlus Inc., AXIS Labs Inc., Catapult Technologies, och bärare.

Deltagarnivån ger medlemmarna rätt att rösta och påverka framtida Zigbee-utveckling. De har också rätt till tidig tillgång till produktutvecklingsstandarder och specifikationer.

deltagare inkluderar V-Mark Universal Electronics, Toshiba, Telink Semiconductor, Data Communications Company, Samsung, Bosch, Lowe ’ s, IKEA och Spectrum.

Promotornivån har slutligt godkännande över alla standarder. De ingår i styrelsen för Zigbee Alliance, och de ger automatisk rösträtt till varje arbetsgrupp.

de största Promotormedlemmarna inkluderar Amazon, Comcast, Huawei, MMB Networks, NXP, Legrand och Texas Instruments.

sedan starten har Zigbee Alliance expanderat till över 400 olika organisationer i 37 länder runt om i världen.

Zigbee-standardisering ägde rum 2003 och ratificeringen av IEEE 802.15.4-specifikationen ägde rum 2004. Året därpå offentliggjordes den offentliga tillgängligheten av Zigbee-specifikationen den 13 juni 2005.

Zigbee Security

bild med tillstånd av: SmartThings

Zigbee använder AES 128-bitars kryptering och bygger på säkerhetsmodellen som definieras i IEEE 802.15.4 standard. Zigbee-nätverk och enheter använder två typer av säkerhetsnycklar för att kommunicera: en nätverksnyckel och en länknyckel.

nätverksnyckel

en nätverksnyckel delas och används av alla enheter i nätverket för att säkert överföra meddelanden. Det genereras av Trust Center (som oftast är samordnaren i nätverket) och skickas till alla nya enheter som går med i nätverket.

Länknyckel

en nätverksnyckel skickas aldrig till enheter okrypterade. Säkerhetscentret är förkonfigurerat med en länknyckel som används för att skydda nätverksnyckeln när den överförs till anslutningsenheter.

Länknycklar används också för krypterad kommunikation mellan två enheter. Dessa unika länknycklar delas endast mellan de två enheterna och genereras och tillhandahålls av säkerhetscentret.

Zigbee säkerhetsmodeller

Zigbee erbjuder två typer av säkerhetsmodeller: distribuerade och centraliserade. Dessa två modeller skiljer sig åt i hur de tillåter nya enheter att ansluta sig till nätverket och hur de säkrar kommunikation i hela nätverket.

distribuerad säkerhetsmodell

en distribuerad säkerhetsmodell är en enkel men mindre säker typ av system. Den består av två enhetstyper, Routrar och slutenheter. När en router är påslagen kan den bilda ett distribuerat säkerhetsnätverk om det inte upptäcker ett befintligt nätverk.

i denna typ av nätverk kan vilken router som helst tillåta andra routrar och slutenheter att gå med genom att utfärda nätverksnyckeln. Alla enheter i ett distribuerat säkerhetsnätverk använder samma nätverksnyckel för att kryptera meddelanden.

för att ansluta till nätverket måste Routrar och enheter ha en förkonfigurerad länknyckel. Denna länknyckel används för att kryptera nätverksnyckeln när den skickas till nyligen anslutna enheter.

centraliserad säkerhetsmodell

en centraliserad säkerhetsmodell ger en högre säkerhetsnivå vilket gör systemet lite mer komplicerat. Förutom Routrar och slutenheter innehåller denna modell en tredje Enhetstyp: nätverkskoordinator eller säkerhetscenter.

säkerhetscentret bildar ett centraliserat säkerhetsnätverk genom att konfigurera och autentisera enheter som går med i nätverket. Det genererar nätverksnyckeln som varje enhet kommer att använda för att kryptera meddelanden i hela nätverket. Denna nätverksnyckel kan uppdateras regelbundet (antingen automatiskt eller på begäran) för att minska risken för hacking.

Trust Center distribuerar också en unik Trust Center-Länknyckel till enheter när de går med i nätverket. Denna länknyckel används av enheter för att säkert kommunicera med säkerhetscentret.

Zigbee fördelar

för att sammanfatta det hela, Zigbee erbjuder en låg kostnad, låg effekt, mycket tillförlitlig och säkert sätt att ansluta enheter trådlöst över internet. Med hundratals Zigbee smart home-enheter tillgängliga är det inte konstigt varför Zigbee är så populär och så allmänt använd.

rekommenderade produkter

SaleRecommended