Zigbee – беспроводная связь «умного дома». Часть 1

12.07.2018264

Просто и подробно о том, что такое Zigbee. Разница между Zigbee, Wi-Fi и Bluetooth. ZigBee и голосовые помощники.

Когда человек начинает погружаться в тему умного дома, он сталкивается с новым для себя словом – Zigbee. Этот логотип часто встречается на упаковках различных устройств для умного дома, например его можно встретить на продукции Xiaomi Smart Home, на лампочках Philips Hue и IKEA TRÅDFRI.

При этом в комплекте с такими лампочками производитель продаёт еще и устройство, называемое «мост» или «хаб», которое необходимо для полноценной работы системы умного освещения. В этой статье мы доступным языком подробно расскажем о том, что такое «зигби», и почему именно этот стандарт всё чаще используется в системах умного дома.

Что такое Zigbee?

Zigbee – это стандарт беспроводной связи, подобный Wi-Fi и Bluetooth, но созданный специально для интернета вещей и умного дома. Благодаря протоколу ZigBee устройства в умном доме “общаются” друг с другом. Zigbee создан специально для интернета вещей и умного дома.

Существовавшие 15 лет назад стандарты беспроводных сетей, например WiFi и Bluetooth, не подходили для новых возникших потребностей – таких, как умный дом. Эти стандарты были недостаточно надёжны, а их модули были слишком дорогими. Для разработки нового сетевого протокола была создана ассоциация из ведущих технологических компаний (Philips, Samsung, LG, Siemens и другие) под названием Zigbee Alliance. И в 2004 году был принят международный стандарт, регламентирующий новый протокол Zigbee, работающий на частотах, не требующих специального разрешения.

Название Zigbee происходит от слов “зигзаг” (zigzag) и “пчела” (bee), на западе термином “зигби” называют танец медовых пчёл. Такое название по мнению разработчиков стандарта подчёркивает то, что сеть Zigbee имеет ячеистую топологию (структуру) и, благодаря специальным алгоритмам маршрутизации, является надёжной и способной к самовосстановлению при потере связи между отдельными узлами. При этом оборудование для Zigbee компактное и имеет низкую стоимость.

Разница между Zigbee, Wi-Fi и Bluetooth

По некоторым характеристикам стандарты Wi-Fi и Zigbee похожи:

  • Оба работают на частоте 2.4 ГГц, не требующей специальных разрешений при использовании
  • Оба протокола имеют радиус действия до 20 метров

Но у зигби есть ключевые отличия, которые и делают этот стандарт гораздо более подходящим для коммуникации между собой устройств умного дома: в Zigbee-сети между узлами существует прямая связь, а не только связь с «центром».

Главное отличие Zigbee от Wi-Fi – это использование ячеистой топологии, а не топологии типа “звезда”, где все узлы сети соединяются через центральный роутер.  В структуре “звезда” при потере соединения с роутером, узел не может связаться с остальными участниками сети. Например, если ваш компьютер отключится от роутера, вы не сможете передать на него фотографию с планшета – Wi-Fi не даёт возможности прямого соединения между устройствами в сети. А вот благодаря ячеистой структуре, при обрыве одного соединения, будет проложен обходной маршрут, и сигнал дойдёт до получателя по новому пути. Это возможно благодаря тому, что между узлами существует прямая связь, а не только связь с «центром». Такая топология гораздо надежнее и используется, например, в самой сети интернет.

Конкретный пример. Датчик протечки воды, подключаемый через Wi-Fi, находится на большом расстоянии от Wi-Fi роутера и между ними стоят 2 бетонные стены. В момент аварии датчик может попросту не передать сигнал о протечке из-за слабого Wi-Fi сигнала. Роутер не получит сигнал о срабатывании датчика, не передаст этот сигнал в центр управления, центр управления не перекроет вентиль, и произойдёт затопление. Но если бы ваш умный дом работал на зигби, то при слабой прямой связи между датчиком и центром управления сигнал был бы передан не напрямую, а через другие устройства: лампочку в коридоре, выключатель в комнате или умную розетку. То есть другие приборы выступили бы промежуточными станциями при передаче сигнала о протечке в контроллер умного дома и обратного сигнала о перекрытии вентиля.

Энергопотребление. Очень низкое энергопотребление Zigbee-модулей достигается за счёт специального режима “сна”, когда устройство не используется, и низкой пропускной способности передачи данных (250 Кбит/с против 300-1000 Мбит/с у Wi-Fi). Высокая пропускная способность не нужна зигби, ведь нужно передавать совсем небольшие объёмы данных от датчиков и электроприборов, а вот Wi-Fi должен обеспечивать просмотр видео в реальном времени и т.п. В результате Zigbee-модуль может работать несколько месяцев на простой батарейке.

Скорость. До появления Zigbee в системах умного дома пытались использовать Bluetooth. Радиус действия у этих протоколов примерно одинаковый, но у блютус слишком большие задержки. Задержка при передаче сигнала у Bluetooth-модуля составляет несколько секунд против 30 миллисекунд у Zigbee-модуля! 30мс это намного меньше скорости реакции у человека – для нас включение и выключение зигби-лампочки происходит моментально.

Количество узлов. Wi-Fi попросту не приспособлен к подключению большого количества участников к сети. В теории к одному Wi-Fi роутеру возможно подключить несколько сотен устройств, но каждому активному пользователю известно, что это не достижимо на практике. Роутеры средней ценовой категории начинают зависать и требовать перезагрузки уже после подключения 15-20 гаджетов: ноутбуков, смартфонов, планшетов и других девайсов вашей семьи. А вот одна Zigbee-сеть может иметь тысячи узлов и при этом стабильно работать. Способность надёжно функционировать при большом количестве подключённых устройств – необходимая характеристика сети для умного дома и интернета вещей.

Стоимость. Производителям zigbee-модуль обходится дешевле, чем Wi-Fi. Устройства для умного дома с Zigbee-подключением тоже стоят значительно дешевле, чем аналогичные приборы с Wi-Fi. Пример: zigbee-лампочка IKEA Trådfri с регулировкой яркости стоит около 11$ (185 MDL), а аналогичный продукт wifi-лампочка TP-Link LB110 стоит 37$ (621 MDL).