Zigbee a explicat : ce este și cum funcționează-DIY Smart Home Solutions

autor: Carlos Paras
Actualizat: noiembrie 30, 2021

Zigbee este una dintre numeroasele modalități de conectare a dispozitivelor inteligente de acasă printr-o rețea fără fir. În acest articol, voi explica cum funcționează Zigbee și de ce este util în lumea automatizării la domiciliu.

ce este Zigbee? Zigbee este un protocol de comunicații fără fir de mică putere construit pe standardul IEEE 802.15.4 pentru rețele de zonă personală cu rată scăzută (LR-WPAN). Este considerată o alternativă mai eficientă din punct de vedere energetic și mai rentabilă la tehnologiile tradiționale Bluetooth și Wi-Fi.

specificația Zigbee a fost în jur de peste 15 ani. Este cel mai frecvent utilizat în case și clădiri pentru a conecta wireless dispozitivele de automatizare și securitate la internet.

dispozitive precum termostate inteligente, comutatoare inteligente de lumină și încuietori inteligente pot fi toate conectate într-o rețea fără fir care poate fi gestionată pe o interfață smartphone sau computer.

Zigbee este, de asemenea, utilizat în alte aplicații, cum ar fi îngrijirea sănătății, energia inteligentă, telecomenzile și serviciile de vânzare cu amănuntul.

oferte inteligente pentru case @ Amazon

rețeaua Zigbee Mesh

ceea ce diferențiază Zigbee de alte protocoale de comunicare este că transferul de date nu este doar punct-la-punct între două dispozitive de mare putere. În schimb, dispozitivele Zigbee funcționează ca o rețea mesh care poate oferi mai multă fiabilitate utilizatorilor săi.

ce este o rețea mesh? O rețea mesh este o topologie de rețea locală în care dispozitivele din infrastructura sa sunt interconectate între ele.

toate dispozitivele dintr-o rețea mesh lucrează împreună pentru a transfera eficient date către sau de la alte dispozitive.

cele mai frecvente trei exemple de rețele mesh sunt LAN (rețea locală), VLAN (LAN virtual) sau WLAN (LAN fără fir). Se folosește o conexiune descentralizată, fie că este vorba de o topologie parțială a ochiurilor sau de o topologie completă a ochiurilor.

într-o topologie parțială a rețelei, unele dispozitive sunt conectate la fiecare dispozitiv din rețea, în timp ce alte dispozitive sunt conectate numai la dispozitivele cu care fac schimb de informații.

o topologie completă a rețelei, ca cea pe care o folosește Zigbee, este locul în care fiecare dispozitiv este conectat la orice alt dispozitiv din rețea.

într-o rețea Zigbee, dispozitivele transmit semnale pe o distanță scurtă (10 până la 100 de metri), dar deoarece Zigbee utilizează o rețea mesh, fiecare dispozitiv acționează ca un repetor și poate extinde intervalul de comunicare.

în plus, rețelele mesh sunt „auto-vindecătoare”, ceea ce înseamnă că dacă un dispozitiv nu reușește să transporte și să transmită un semnal, un alt dispozitiv din rețea poate prelua semnalul și poate continua să îl trimită către dispozitivul vizat.

interoperabilitate Zigbee

toate dispozitivele compatibile Zigbee sunt interoperabile. Aceasta înseamnă că, chiar dacă dispozitivele sunt fabricate de diferiți producători, interconectivitatea poate fi realizată între ele.

de exemplu, să presupunem că aveți un comutator inteligent de lumină realizat de un producător și un bec inteligent realizat de un alt producător. Dacă ambele dispozitive sunt activate Zigbee, acestea vor putea comunica între ele și comutatorul de lumină va putea porni sau opri becul.

pe de altă parte, dacă numai unul dintre dispozitive este activat Zigbee, dispozitivele nu vor putea comunica sau lucra între ele.

Cum Acționează Zigbee?

pentru imagine, multumim: Dispozitivele inteligente Philips

sunt echipate cu emițătoare radio mici care permit conectivitate wireless. Aceste emițătoare trimit și primesc date printr-o rețea personală la care numai dvs. aveți acces.

Zigbee utilizează trei tipuri de dispozitive pentru a face posibilă interconectivitatea și comunicarea rețelei: Zigbee Coordinator (ZC), Zigbee Router (ZR) și Zigbee End Device (Zed).

Coordonator Zigbee

coordonatorul Zigbee stabilește baza (sau rădăcina) rețelei. Fiecare rețea trebuie să aibă unul (și numai unul) Coordonator Zigbee care gestionează funcțiile de rețea și stochează informații de rețea.

coordonatorul stabilește rețeaua alegând ce canal să utilizeze pentru comunicarea în rețea.

coordonatorul servește, de asemenea, ca centru de încredere pentru rețea prin gestionarea și distribuirea cheilor de securitate. Acest proces permite altor dispozitive să se alăture sau să părăsească rețeaua. Un coordonator Zigbee trebuie să fie alimentat tot timpul și nu poate dormi.

Zigbee Router

Zigbee Router permite funcții de aplicare pentru a rula. Acesta servește ca un router intermediar între alte dispozitive care partajează sau schimbă informații. Poate trimite, primi și direcționa informații în propria rețea sau între alte rețele existente.

de asemenea, este capabil să acorde permisiunea altor routere și dispozitive finale pentru a se alătura rețelei. Un router Zigbee nu poate dormi și trebuie alimentat tot timpul.

dispozitiv final Zigbee

dispozitivul final Zigbee poate comunica numai cu un Router Zigbee sau cu coordonatorul Zigbee. Este cel mai de bază tip de dispozitiv dintr-o rețea Zigbee. Poate trimite sau primi doar informații și este de obicei alimentat de la baterie.

un dispozitiv final nu poate direcționa informațiile către alte dispozitive și, prin urmare, nu necesită multă memorie. De asemenea, nu poate permite altor dispozitive să se alăture rețelei.

dispozitivele terminale Zigbee nu sunt utilizate frecvent, permițându-le să doarmă o perioadă lungă de timp, ceea ce prelungește durata de viață a bateriei.

benzi Radio Zigbee

pentru imagine, multumim: Yale

Zigbee funcționează pe benzi de frecvență radio ISM. Acronimul ISM înseamnă ” industrial, științific și medical.”Orice persoană sau companie poate utiliza energia de frecvență radio în aceste benzi în scopuri legate de activități industriale, științifice sau medicale.

benzile ISM nu sunt destinate utilizării în scopuri de telecomunicații. În cea mai mare parte, benzile radio ISM sunt utilizate pentru sisteme de comunicații fără fir de mică putere, cum ar fi Zigbee, Bluetooth, Wi-Fi și RFID (identificarea frecvenței radio).

benzile radio ISM sunt, de asemenea, utilizate pentru încălzirea prin radiofrecvență (care este modul în care cuptoarele cu microunde gătesc mâncarea) și mașinile medicale de diatermie.

comunicarea Zigbee are o latență foarte scăzută, ceea ce înseamnă că transmisia de date se întâmplă rapid, fără prea multă întârziere. Fiecare dispozitiv activat Zigbee are un cip Zigbee special integrat în ele.

fiecare cip conține microcontrolere și radiouri care permit dispozitivelor să comunice între ele.

Zigbee operează pe banda ISM de 2,4 GHz în majoritatea locațiilor din întreaga lume. Deși există și alte locații în care Zigbee poate funcționa pe frecvențe mai mici.

de exemplu, în China, puteți utiliza banda de 784 MHz pentru Zigbee, iar în Europa, puteți utiliza banda de 868 MHz. În Australia și Statele Unite, puteți utiliza banda de 915 MHz.

în timp ce Zigbee este capabil să funcționeze pe mai multe benzi de frecvență, este de obicei utilizat în banda de 2,4 GHz.

banda de 2,4 GHz poate avea rate de transfer de date de până la 250 kilobiți pe secundă. Banda de 868 MHz are o rată de date de 20 kilobiți pe secundă. Și banda de 915 MHz are o rată de date de 40 kilobytes pe secundă.

istoria Zigbee și Alianța Zigbee

anii 1990 au fost un deceniu major pentru inovația tehnologiei de comunicații fără fir. Bluetooth a apărut în 1994 și Wi-Fi în 1997, în timp ce Zigbee a fost dezvoltat în 1998.

în 2002, mai multe companii bazate pe tehnologie s-au unit pentru a înființa Alianța Zigbee. Scopul lor este de a gestiona standardul Zigbee, de a promova utilizarea acestuia și de a distribui profiluri de aplicații pentru alte companii pentru a le utiliza în produsele lor tehnologice.

aceste profiluri permit diferiților producători să producă produse compatibile Zigbee, care vor putea să lucreze împreună și să partajeze informații cu alte produse compatibile Zigbee.

există trei niveluri de membru ale Alianței Zigbee: nivelul adoptatorului, nivelul participantului și nivelul promotorului.

nivelul adoptatorului oferă membrilor dreptul de a accesa standardele și specificațiile Zigbee completate. Membrii adoptatori includ ARC Technology Company Limited, Emporia Energy, Verizon, SmartPlus Inc., AXIS Labs Inc., Tehnologii de catapultare și transportator.

nivelul participantului oferă membrilor dreptul de a vota și de a influența viitoarele evoluții Zigbee. Acestea au, de asemenea, dreptul de acces timpuriu la standardele și specificațiile de dezvoltare a produselor.Printre membrii participanți se numără V-Mark Universal Electronics, Toshiba, Telink Semiconductor, Data Communications Company, Samsung, Bosch, Lowe ‘ s, IKEA și Spectrum.

nivelul promotorului are aprobarea finală asupra tuturor standardelor. Aceștia fac parte din Consiliul de administrație al Zigbee Alliance și acordă drepturi de vot automate fiecărui grup de lucru.

cei mai mari membri promotori includ Amazon, Comcast, Huawei, MMB Networks, NXP, Legrand și Texas Instruments.

de la formarea sa, Alianța Zigbee s-a extins la peste 400 de organizații diferite din 37 de țări din întreaga lume.

standardizarea Zigbee a avut loc în 2003, iar ratificarea specificației IEEE 802.15.4 a avut loc în 2004. În anul următor, disponibilitatea publică a specificației Zigbee a fost anunțată pe 13 iunie 2005.

securitate Zigbee

SmartThings

Zigbee utilizează criptarea AES pe 128 de biți și este construită pe modelul de securitate definit în IEEE 802.15.4 standard. Rețelele și dispozitivele Zigbee utilizează două tipuri de chei de securitate pentru a comunica: o cheie de rețea și o cheie de legătură.

cheie de rețea

o cheie de rețea este partajată și utilizată de toate dispozitivele din rețea pentru a transfera în siguranță mesaje. Acesta este generat de Centrul de încredere (care cel mai adesea este coordonatorul din rețea) și este trimis tuturor dispozitivelor noi care se alătură rețelei.

cheie de legătură

o cheie de rețea nu este trimisă niciodată dispozitivelor necriptate. Centrul de încredere este preconfigurat cu o cheie de legătură care este utilizată pentru a proteja cheia de rețea atunci când este transmisă dispozitivelor de îmbinare.

cheile de legătură sunt, de asemenea, utilizate pentru comunicarea criptată între două dispozitive. Aceste chei de legătură unice sunt partajate numai între cele două dispozitive și sunt generate și furnizate de Centrul de încredere.

Zigbee Security Models

Zigbee oferă două tipuri de modele de securitate: distribuite și centralizate. Aceste două modele diferă prin modul în care permit dispozitivelor noi să se alăture rețelei și prin modul în care asigură comunicarea în întreaga rețea.

model de securitate distribuită

un model de securitate distribuită este un tip de sistem simplu, dar mai puțin sigur. Este alcătuit din două tipuri de dispozitive, Routere și dispozitive finale. Când un router este pornit, acesta poate forma o rețea de securitate distribuită dacă nu detectează o rețea existentă.

în acest tip de rețea, orice router poate permite altor routere și dispozitive finale să se alăture prin emiterea cheii de rețea. Toate dispozitivele dintr-o rețea de securitate distribuită utilizează aceeași cheie de rețea pentru criptarea mesajelor.

pentru a se alătura rețelei, routerele și dispozitivele trebuie să aibă o cheie de legătură preconfigurată. Această cheie de legătură este utilizată pentru a cripta cheia de rețea atunci când o transmiteți dispozitivelor nou conectate.

model de securitate centralizată

un model de securitate centralizată oferă un nivel mai ridicat de securitate, ceea ce face Sistemul un pic mai complicat. Pe lângă Routere și dispozitive finale, acest model include un al treilea tip de dispozitiv: coordonatorul de rețea sau Centrul de încredere.

Centrul de încredere formează o rețea de securitate centralizată prin configurarea și autentificarea dispozitivelor care se alătură rețelei. Acesta generează cheia de rețea pe care fiecare dispozitiv o va utiliza pentru criptarea mesajelor în întreaga rețea. Această cheie de rețea poate fi actualizată periodic (fie automat, fie la cerere) pentru a reduce riscul de hacking.

Centrul de încredere distribuie, de asemenea, o cheie unică de Legătură a Centrului de încredere către dispozitive pe măsură ce se alătură rețelei. Această cheie de legătură este utilizată de dispozitive pentru a comunica în siguranță cu Centrul de încredere.

Zigbee beneficii

pentru a rezuma totul, Zigbee oferă un mod ieftin, cu putere redusă, extrem de fiabil și sigur de a conecta dispozitivele fără fir prin internet. Cu sute de dispozitive Zigbee smart home disponibile, nu este de mirare de ce Zigbee este atât de popular și atât de utilizat pe scară largă.

produse recomandate

Salerecomandat