Протокол ZigBee: беспроводные технологии на службе «умного» дома

Многоликий ZigBee

ZigBee — протокол верхнего уровня, базирующийся на беспроводном стандарте IEEE 802.15.4. У истоков протокола стоит организация ZigBee Alliance, отвечающая за его развитие и продвижение, а также за сертификацию оборудования. Впервые ZigBee был представлен публике в 2004 году. Через год спецификации первой версии протокола были утверждены, и он стал внедряться в конечные устройства.

Настоящее проклятие ZigBee — проблемы с совместимостью оборудования. Вызваны они целым рядом причин. Начнем с того, что стандарт пережил несколько обновлений — в 2006, 2007 и 2012 годах. Разумеется, авторы новых спецификаций уделили внимание вопросам совместимости, однако, практика показывает, что гаджеты разных стандартов в рамках одной сети лучше не использовать.

На этом проблемы не заканчиваются: для протокола предусмотрено несколько профилей, определяющих назначение устройства. В их числе — Health Care, Home Automation, Light Link, Telecom Services и другие. Если одно из устройств поддерживает определенный профиль, а другое — нет, то взаимодействовать друг с другом они не смогут. Благо, гаджеты, предназначенные для автоматизации дома, используют один конкретный профиль — Home Automation.

Впрочем, даже совпадение по версии стандарта и профилю не гарантирует стопроцентной совместимости, поскольку производством коммуникационных чипов с поддержкой ZigBee занимается множество компаний. Каждая из них интерпретирует спецификации по-своему, некоторые вендоры вносят определенные оптимизации в работу протокола. Итог неутешителен — вероятность того, что устройства от разных производителей откажутся работать друг с другом, весьма велика.

А еще, ZigBee имеет ряд ответвлений: в 2009 году был представлен стандарт ZigBee RF4CE (сокращение от «Radio Frequency for Consumer Electronics»), а год назад свет увидел ZigBee IP. Первый протокол создан для дистанционного управления бытовой техникой, такой как телевизоры и музыкальные центры: пульты с поддержкой ZigBee RF4CE передают данные по радиоканалу, а потому они предоставляют больше возможностей, чем их ИК-собратья. ZigBee IP — разработка, позволяющая развернуть сеть 6LoWPAN поверх маломощных устройств с поддержкой IEEE 802.15.4. Схожую задачу решает протокол Thread, активно продвигаемый компанией Nest (читай, Google). На бумаге ZigBee IP выглядит перспективно, но производители не торопятся внедрять его в свои устройства.

Напоследок следует упомянуть о таком явлении, как ZigBee Pro. В рамках очередного апгрейда, произошедшего в 2007 году, разработчики представили сразу две реализации стандарта: простую ZigBee и продвинутую ZigBee Pro. Большинство современных устройств для автоматизации дома базируется именно на Pro-версии от 2007 года. При этом в описаниях оборудования приписка «Pro» зачастую опускается, что создает дополнительную путаницу.

С учетом всего вышесказанного можно сформулировать следующее правило: при создании сети ZigBee необходимо выбирать устройства от одного производителя, выпущенные в рамках одного временного периода (чем современнее — тем лучше). Это должно избавить от большинства проблем с совместимостью.

Техническая часть

Несмотря на путаницу со спецификациями, основные принципы работы ZigBee не меняются на протяжении многих лет. Передача данных в рамках сети осуществляется по радиоканалу. Используемые частоты зависят от региона: для Европы выбрано значение 868 МГц, для США и ряда других стран — 915 МГц. Кроме того, стандарт предусматривает работу на частоте 2,4 ГГц — она не имеет привязки к географическому положению. Удивительно, но подобное обилие вариантов мало сказывается на вопросах совместимости: по факту, практически все ZigBee-оборудование использует частоту 2,4 ГГц. Этот вариант обеспечивает наибольшую пропускную способность — в теории, она может достигать значения в 250 Кбит/с. Дальнобойность сигнала внутри помещения составляет 10-20 метров.

На момент появления, главным козырем ZigBee была поддержка ячеистой топологии сети. На практике это означает, что устройства могут передавать сигнал «по цепочке», от одного гаджета к другому, пока пакет данных не достигнет цели. Это существенно повышает отказоустойчивость системы и увеличивает возможную зону покрытия. Следует заметить, что не все ZigBee-устройства могут выступать в качестве промежуточного звена.

Гаджеты внутри сети делятся на три группы: координаторы (ZC), маршрутизаторы (ZR) и конечные устройства (ZED). Координатор — обязательный компонент. Он формирует древо сети, хранит ключи безопасности и, зачастую, выступает в роли «окна» во внешний мир. Маршрутизаторы — это гаджеты, которые не только выполняют свою базовую функцию, но и занимаются передачей сигнала «по цепи». ZED — наиболее примитивные устройства. В эту категорию попадают различные пульты и датчики. Они могут общаться с координатором или маршрутизатором, но передавать пакеты от одного компонента к другому им не под силу. Большую часть времени ZED бездействуют, а потому их энергопотребление крайне мало. Как правило, питаются они от батареи.

В поздних реализациях ZigBee появилась возможность создавать устройства, способные обходиться без постоянного источника питания. Пример такого гаджета — пульт Hue tap, предназначенный для управления «умными» лампочками Philips Hue. В нем отсутствует батарейка, а для передачи сигнала используется энергия, получаемая при нажатии на кнопку. Это свидетельствует о крайне низком энергопотреблении ZigBee-модулей, а также их способности молниеносно подключаться к беспроводной сети.

ZigBee использует 16-битную адресацию, то есть один координатор, теоретически, может взять под свою опеку более 65 000 устройств. Вместе с тем, создателями предусмотрена возможность одновременного использования нескольких сетей. В отеле Aria, что в Лас-Вегасе, размещено около 75 000 гаджетов с поддержкой ZigBee, и они неплохо уживаются друг с другом. Словом, владельцам частных домов об ограничении на количество устройств можно вообще не задумываться.

Сравнение с конкурентами

В целом, если забыть о проблемах с совместимостью, то ZigBee выглядит весьма привлекательным вариантом для организации «умного» дома. Плюсов у протокола достаточно: здесь и хорошая отзывчивость, и низкое энергопотребление, и отсутствие необходимости прокладывать провода. Но каков ZigBee в сравнении с конкурентами в лице Z-Wave и Insteon?

Оборудование всех трех стандартов сопоставимо по стоимости, однако в Европе наибольшее распространения получили устройства Z-Wave. Гаджеты ZigBee пользуются меньшей популярностью, а Insteon пока что лишь диковинный гость.

В случае с Insteon и Z-Wave, производством коммуникационных чипов занимаются сами разработчики стандартов, что исключает возможные проблемы с совместимостью. По этому критерию ZigBee явный аутсайдер.

И ZigBee, и Z-Wave поддерживают ячеистую топологию сети, однако в вопросах надежности и удобства они все же уступают Insteon. Последний стандарт обеспечивает передачу данных сразу по двум каналам связи — проводному и беспроводному — что практически исключает возможность потери пакетов. Кроме того, сеть Insteon может функционировать без центрального контроллера, в ней нет разделения устройств на классы вроде ZC, ZR и ZED. Как следствие, это самый простой вариант с точки зрения сборки и настройки.

Таким образом, ни по одному из критериев ZigBee не является лидером. Стандарт жизнеспособен, его успешно применяют для автоматизации домов, но явных преимуществ он, увы, лишен.