Zigbee 101: посібник для початківців

Російський військовий корабель, іди *****!

Привіт. Мене звати Богдан. Маю хобі — вільне ПЗ та розумний дім. У цій публікації розповім, що таке протокол Zigbee, чим він такий привабливий, чим відрізняється від конкурентів. Опишу вільні та проприєтарні системи автоматизації та залізо.

Що таке Zigbee

Zigbee — технологія, яка заснована на радіо стандарті IEEE 802.15.4 і підтримується організацією ConnectivityStandard Alliance, призначена для стандартизації малопотужних M2M-пристроїв різних виробників. З особливостей мережі можна виділити високу стійкість до відмов, тривалий термін служби кінцевих пристроїв від однієї батареї, підтримку великої кількості підключень і спільну роботу пристроїв різних виробників.

З особливостей архітектури мережі: підтримка топології mesh, обов’язкова наявність координатора і, необов’язкове, роутера. Детальніше — тут .

ZigBee передбачає передачу інформації у радіусі від 5 до 75 (на відкритій місцевості до 200) метрів із максимальною швидкістю 250 кбіт/с. Підтримує роботу в 27 каналах трьох частотних діапазонів: 2,4 ГГц (16 каналів), 915 МГц (10 каналів), 868 МГц (1 канал).

Цікавий факт: згідно з однією з версій, назва ZigBee походить від зигзагоподібного танцю бджіл, яким вони вказують своїм сусідам шлях до наступного джерела їжі, аналогічно, як і пакети даних стандарту повинні знайти свій шлях у мережі мережі.

Що нового в Zigbee 3.0

Direct binding або пряме з’єднання дозволяє кінцевим пристроям різних виробників працювати безпосередньо без участі координатора та роутера. Це дозволяє гнучко налаштовувати сценарії поведінки пристроїв та збільшити швидкість спрацьовування.

Green Power — набір технологій, які мінімізують використання ресурсів батареї пристроєм, а також можуть її збирати за рахунок кінетичної, світлової та теплової енергії. Трохи незрозуміло звучить; інакше кажучи, перемикач зможе передати повідомлення за рахунок того, що ви до нього торкнулися. Детальніше — тут.

Уніфікація . Раніше існувало безліч про-профілів. Наприклад, Home Automation , Building Automation , Health. Zigbee 3.0 — це єдиний профіль додатків.

Зворотна сумісність з усіма продуктами, випущеними до v3.0.

Навіщо це потрібно

Якщо коротко — для вимірювання показань та автоматизації. Сфер застосування цієї автоматизації багато. І хоча останнім часом простежується тенденція уніфікації, технологія підтримує різні профілі, які діляться у сфері застосування. Ось деякі з них:

• Home Automation — керування домашніми пристроями та створення сценаріїв.
• Remote Control — керування пристроями дистанційного керування.
• Smart Energy — контроль та автоматизація доставки та використання енергії.
• Green Power — підтримка пристроїв генерації електроенергії.
• Light Link — керування освітленням.

Чи багато пристроїв Zigbee

В 2020 році — 2600 пристроїв, проте зараз (середина 2022 року), їхня кількість виросла до 3300 (список сертифікованих пристроїв). Варто уточнити, що у більшості випадків кожен виробник має свої програми для підключення тільки своїх пристроїв, але, використовуючи інше програмне забезпечення, їх можна подружити. Про це нижче.

Усі пристрої можна умовно розділити на координатори (вони ж шлюзи, або хаби) та роутери (це zigbee-пристрої, що мають постійне підключення до мережі та можуть передавати данні інших пристроїв) та кінцеві пристрої (пристрої, що живляться від акумулятора чи батарейки.

Середня вартість одного кінцевого пристрою варіюється в районі 10 $. Ось приклад кінцевих пристроїв декількох популярних виробників:

• Xiaomi Aqara — близько 50 пристроїв різного призначення.
• Philips Hue — близько 100 пристроїв (більшість світильників).
• Ikea trådfri — близько 40 пристроїв (більшість світильників).
• Tuya — близько 30 пристроїв.
• SONOFF — близько 10 недорогих реле.

Типи Zigbee координаторів

Умовно всі координатори можна поділити на декілька типів:

• Wi-Fi шлюзи. Це найпопулярніший тип координаторів. Іноді такі пристрої можуть мати Ethernet порт (як Aqara M2).
• USB адаптери. Дешеві пристрої, що живляться та передають данні через USB-порт.
• Ethernet пристрої є менш розповсюдженими.
• Raspberry шилди. Координатор, що вставляється в одноплатний компютер Raspberry Pi та гібридні варіанти, що можуть мати і USB, і Ethernet (наприклад Zigstar LAN).

Wi-Fi пристрої

Xiaomi/ Aquara має три найпопулярніші пристрої — Xiaomi Gateway 2 і 3 версії та Aqara Hub. Gateway 2 не сумісний з homekit і має 3 версію протоколу Zigbee. Третя версія має на борту Zigbee 3.0 та Bluetooth Mesh 5.0. З додатковими відмінностями допоможе розібратися короткий ролик.

USB пристрої (стіки)

Навіщо потрібні Zigbee стіки?

Якщо ви використовуєте інше рішення, стік зручно використовувати як координатор мережі, підключивши до комп’ютера як роутер, щоб досягти віддалених від координатора місць.

Ось приклад кількох популярних пристроїв:

Raspberry Shield

ZigBee POPP ZB-Shield — універсальний шлюз Zigbee, підключаючись до GPIO. POPP ZB-Shield розроблено спеціально для Raspberry Pi (1,2,3,4). Він заснований на чіпі EFR32MG1 SiLabs, який є мікроконтролером IEEE 802.15.4/Zigbee 2,4 ГГц.

Elelabs shield доступний і простий у використанні шилд на основі чіпу EFR32MG1.

ZigStar Shield на основі TI CC2652P. Підтримує Z2M and ZHA. Має порт IPX для зовнішньої антени.

Ethernet + USB

ZigStar LAN — відкритий проєкт, заснований на CC2652P, CC2652RB адаптер з можливістю підключення через Z2M і ZHA. Легко програмується через ZigStar Multi Tool.

SMLIGHT SLZB-05 на основі CC2652P, має порт type-c та антену 6 Дб. Підтримує до 150 пристроїв. Виробляється в Україні. Прошивається прошивкою @Koenkk, @Egony, або ESP Home

Менш популярних виробників шлюзів zigbee просто перерахую:

• Orvibo
• livolo
• Wemo
• Vera
• Fibaro

Zigbee + Zvawe

• Athom Homey
• Hubitat Elevation
• Wink hub 2
• SmartThings Hub
• VeraPlus

DIY, або зроби сам

SLS шлюз — проприєтарний проект та пристрій на основі СС2538+СС2592 та ESP32-Wrover-B, а також прошивка. Підтримує Zigbee 3.0 та, на відміну від Xiaomi, не обмежений однією екосистемою. А на відміну від адаптерів CC2531, CC2538 і Deconz, є готовим пристроєм і може працювати як самостійно, так і в системі домашньої автоматизації Home Assistant. Зараз підтримується 113 пристроїв (відеоогляд).

ZESP32 — це прошивка для шлюзу Xiaomi Gateway. Так само як і SLS, він розрахований на підключення Zigbee-пристроїв різних виробників. Основна концепція — спрощення додавання нового пристрою в мережу за допомогою шаблонів, що змінюються.

cc25хх + комп’ютер — зручний варіант, якщо у вас вже є raspberry pi , або старенький пк , який виступатиме у ролі сервера. У цьому випадку ви можете вибрати будь-яку зручну систему домашньої автоматизації, про яку нижче.

Щодо екосистем

Apple home — програмне рішення від Apple. Кількість підтримуваних пристроїв невелика, але функціонал можна розширити за допомогою homebridge та aqara hub. Ви можете використовувати Apple home у домашній мережі, використовуючи тільки Iphone та хаб (Zigbee), але для віддаленого управління потрібен домашній центр, у ролі якого можуть виступати iPad (iOS 10 або вище), HomePod або Apple TV.

Google home також не працює з Zigbee пристроями безпосередньо, але має сумісність з Alexa.

Amazon-помічники Echo Show, Spot і Plus вміють працювати безпосередньо, оскільки мають інтегрований zigbee-координатор. Проте проблемою є обмежена кількість сумісних пристроїв та непопулярність рішення у країнах СНД.

Xiaomi/ Aqara — шлюзи компаній Xiaomi та Aqara підтримують лише свої zigbee-пристрої. На відміну від Xiaomi Gateway, Aqara Hub не передбачає можливості інтеграції з альтернативними системами домашньої автоматизації.

Samsung SmartThings позиціонується як універсальний хаб. Працює з великою кількістю пристроїв Z-Wave та Zigbee. Користувачі часто скаржаться на падіння хмари (відсутність підключення до сервера) та відсутність інтересу в розвитку проєкта з боку розробників.

Яндекс-будинок. Діалоги Яндекс Станції та для телефону — це різні речі. Для колонки діалогів менші, вони примітивні. Заявлено підтримку ZigBee та Bluetooth-пристроїв, але не працює з ними безпосередньо. Багато сценарій залежать від наявності інтернет-з’єднання, але рішенням може бути підключення сторонніх контролерів розумного будинку, наприклад, за допомогою yandex2mqtt.

Програмна підтримка

Для зручності розділю програмні рішення на категорії.

Домашня автоматизація

Homebridge — сервер NodeJS для інтеграції пристроїв без підтримки HomeKit.

ioBroker має відкриту систему автоматизації, розроблену на платформі NodeJS.

HomeAssistant — система з відкритим кодом з акцентом на конфіденційність.

OpenHAB — opensource-проєкт з акцентом на зручність налаштування.

MajorDoMo — система інтеграції з відкритим кодом.

EspHome — система для керування вашим ESP8266/ESP32 за допомогою простих, але потужних файлів конфігурації.

Dashboard

RoboDomo — фреймворк на MQTT із привабливим графічним інтерфейсом.

node-red-dashboard — модуль node-red для створення панелі керування, що інтегрується.

Інтеграція

Zigbee2mqtt — це програма-міст, що дозволяє використовувати разом пристрої різних постачальників, транслюючи команди zigbee в mqtt.

MQTT Explorer — зручний mqtt-клієнт.

Розробка

IAR Embedded Workbench — середовище з дружнім інтерфейсом та підтримкою великої кількості мікроконтролерів.

Simplicity Studio IDE та набір інструментів для розробки додатків на базі процесорів Silicon Labs.

SimpleLink SDK — середовище розробки для чіпів розробки Texas Instruments, що включає API, TI-RTOS та інше.

Red — node — блоковий інструмент програмування для з’єднання апаратних пристроїв, API та онлайн-сервісів.

Тестування та аудит

KillerBee — інструмент для тестування Zigbee-мереж.

SecBee — тестування реалізацій ZigBee на проблеми безпеки.

Z3sec — основна мета фреймворку — тестування сертифікованих пристроїв, що реалізують ZigBee Light Link (ZLL), або стандарт ZigBee 3.0.

pwnrf — інструмент для тестування безпеки в мережах Wi -Fi, Bluetooth та Zigbee .

Що вибрати: Wi-Fi, Bluetooth, ZigBee чи Z-Wave

На ринку існують десятки IOT-технологій, але найпопулярнішими рішеннями є Wi-Fi, Bluetooth, ZigBee та Z-Wave.

WiFi — дуже популярна технологія, зручна і ідеальна для голосових помічників, систем відеоспостереження, телевізорів, або якщо у вас невелика кількість розумних пристроїв. Але WiFi сильно енерговитратний і якщо розумних пристроїв — десятки або сотні — постійно заряджати їх проблематично. До того ж, WiFi-роутер не розрахований на велику кількість підключень. Звичайно, є рішення і на такий випадок, але тоді ціна розгортання мережі зросте в рази. WiFi має єдину точку відмови — роутер.

Bluetooth LE (Low Energy) не менш популярна технологія з низьким енергоспоживанням, що дозволяє більше року не міняти батарейку та високою швидкістю передачі 1-2 Мбіт. Має функцію маячка (налаштовувана поведінка пристроїв при наближенні) і працює безпосередньо з пристроями. З мінусів — робота в діапазоні 2,4 ГГц і невеликий радіус дії в приміщенні з іншими пристроями. Також більшість BLE-пристроїв працюють за принципом «крапка-крапка», що погано підходить для створення просунутих сценаріїв автоматизації. Але вирішенням цієї проблеми можна вважати специфікацію Bluetooth mesh.

ZigBee — відкритий стандарт з низьким енергоспоживанням кінцевих пристроїв (1-2 роки), підтримкою комірчастої (mesh) топології, високою завадостійкістю, хорошою масштабованістю (теоретично до 65000 вузлів) і великим проникненням на ринок. З мінусів: Zigbee працює в завантаженому діапазоні 2,4 ГГц, що при сильних перешкодах може призвести до зниження ефективності, і зменшення радіусу дії. Кожен виробник створює окрему програму для підтримки тільки своїх продуктів. Але, як на мене, найбільший мінус — це те, що пристрої різних виробників не можуть «спілкуватися» між собою «з коробки». Їх можна об’єднати при використанні стороннього ПЗ, але відсутність спільних рішень призводить до відносно високого порога входження. Альянс знає про ці проблеми і для усунення працює над DotDot і Connected Home over IP .

Z-Wave — закритий стандарт, що зарекомендував себе. Володіє високим рівнем сумісності пристроїв, низьким енергоспоживанням, підтримкою комірчастої топології, має стабільний сигнал в діапазоні 800-900 МГц, що дозволяє краще огинати перешкоди (чим більша довжина хвилі (нижча частота), тим краще вона долає перешкоди. Підтримує до 232 пристроїв в одній мережі та швидкість до 100 кбіт/с. З недоліків варто вказати, що в різних країнах для пристроїв малого радіусу дії виділені різні частоти. Пристрої, створені для однієї країни, можуть бути несумісні для іншої, а також Z-Wave дещо дорожчий за ZigBee пристроїв.

Висновок

Якщо ви новачок, почніть з перегляду відеоуроків від Alex Kvazis.

Важко сказати, хто переможе у війні протоколів розумного будинку. Zigbee не позбавлений недоліків, має сильних конкурентів, але разом з тим його сильна сторона — це велика зацікавлена спільнота (Connectivity Standards Alliance це альянс ентузіастів та гіків). Інтерес до Zigbee проявляють як відомі бренди, так і молоді компанії.

Варто зазначити, що немає універсального рішення на всі випадки життя. Вибирайте те, що підходить саме вам. WiFi і Bluetooth хоч і громіздкі, але є випадки, коли їхнє використання виправдане.

Підписуйтеся на Telegram-канал «DOU #tech», щоб не пропустити нові технічні статті