Протокол ZigBee беспроводной передачи данных

В наши дни беспроводные технологии развиваются все быстрее. Однако, перед разработчиками встал вопрос не только о повышении компактности таких устройств, но и об их автономности и удобстве подключения. Существующие протоколы беспроводной передачи данных, такие как Wi-Fi, GSM или Bluetooth, оказались неподходящими для использования в случаях, где в условиях длительной работы не требовалась высокая скорость передачи данных. Это привело к созданию четвертой целевой группы стандарта IEEE 802.15, на основе которого был разработан протокол ZigBee.

ZigBee – это протокол верхнего уровня, ратифицированный компанией ZigBee Alliance в 2004 году и основанный на стандарте беспроводной передачи данных IEEE 802.15.4 [1]. На текущий момент существуют разные версии протокола, называющиеся одноименно с годом их создания. ZigBee 2004 - первая спецификация с базовым функционалом, выпущенная в 2004 году. Спустя два года, была разработана вторая версия - ZigBee 2006. В отличие от ZigBee 2004, в ней была заменена структура MSG/KVP, использующаяся вместе с “библиотекой кластеров”.

Самое крупное обновление протокол получил в 2007 году. Он был разделен на два профиля стека: ZigBee 2007 и

ZigBee Pro. Первый из них идеально подходит для создания простых сетей в пределах дома или малых коммерческих предприятий и занимает меньше оперативной и flash-памяти. Второй имеет расширенный набор функций, таких, как широковещание, симметричное шифрование пакетов и маршрутизация “many-to-one” (“многие к одному”). На данный момент устройств на базе ZigBee 2004 почти не осталось, и в большинстве систем используется ZigBee 2007.

В 2009 году было выпущено ответвление ZigBee RF4CE (англ. “Radio Frequency for Consumer Electronics” – “Радиочастоты для бытовой электроники”). Устройства, поддерживающие данную модификацию протокола, обмениваются информацией по радиоканалу, а не через ИК-диапазон, как в оригинальных версиях. Это даёт возможность управлять устройствами вне зоны прямой видимости, повышая надёжность и гибкость сетей. Также, в 2013 году появилось еще одна разновидность протокола – ZigBee IP [2]. Эта технология обеспечивает подключение устройств, использующих протокол IPv6, к интернету, что позволяет контролировать работу системы удалённо.

Основная особенность устройств, использующих ZigBee, – низкое энергопотребление. Сеть устроена таким образом, что основная часть информации передаётся с помощью маршрутизаторов, и конечные устройства, подключенные к ним, большую часть времени проводят в “спящем” режиме, экономя энергию. Таким образом, устройство, работающее на протоколе ZigBee, может работать два года на одной батарейке АА или даже ААА-класса.

Связь в сети ZigBee осуществляется посредством передачи пакетов данных между подключенными к сети устройствами, которые бывают трёх видов:

• 1.    координатор (ZC);

• 2.    маршрутизатор (ZR);

• 3.    конечное устройство (ZED).

Координатор инициализирует сеть и управляет её процессами: задаёт и хранит ключи безопасности устройств, устанавливает политику безопасности своей сети и соединяется с другими сетями. Координатор в каждой сети ZigBee может быть только один.

Маршрутизатор – это устройство, занимающееся динамической передачей пакетов данных по сети. Его можно подключать к другим маршрутизаторам или координатору в сети, а к нему – другие маршрутизаторы или дочерние устройства. Маршрутизаторы имеют стационарное питание и могут обслу- живать до 32 дочерних конечных устройств одновременно, включая “спящие”.

Конечное устройство – элемент системы, работающий от автономного источника питания и выполняющий назначенную функцию посредством датчиков или исполнительных механизмов. Конечное устройство подключается к маршрутизатору или координатору и не имеет дочерних устройств, может отправлять и принимать пакеты данных, но исключительно через маршрутизатор или координатор. С другими конечными устройствами осуществлять обмен информации напрямую не может, из-за чего большую часть времени проводит в “спящем” состоянии для экономии заряда.

В отличие от технологий Wi-Fi и Bluetooth, сеть ZigBee имеет ячеистую топологию. Это даёт возможность подключать маршрутизаторы друг к другу, чтобы повысить надёжность системы [3]. В случае непредвиденного отказа какого-либо маршрутизатора, пакеты данных автоматически перенаправляются через другие доступные маршрутизаторы, сохраняя целостность информационного потока. Схема возможного варианта сети ZigBee представлена на рисунке.

Рисунок 1. Схема маршрутизации в одной из возможных сетей ZigBee

Стандарт IEEE 802.15.4 допускает возможность использования нескольких частотных диапазонов для организации каналов обмена данными. В диапазоне

• 2,4-2,48 ГГц скорость передачи является наибольшей, а также обеспечивается наилучшая устойчивость к помехам. Для этих частот организуется 16 кана-

• лов по 5 МГц [4]. Заявленная скорость, включая передачу служебной информации, равна 250 кбит/с, однако, в среднем, скорость передачи полезных данных не превышает 40 кбит/с, поскольку эта величина напрямую зависит от загрузки сети и числа изменений маршрутов передачи пакетов.

Протокол ZigBee выделяет под адрес устройства 16 бит информации [5], что позволяет одному координатору контролировать до 65536 устройств [6]. Также, координаторы способны передавать информацию друг другу. Это даёт возможность использовать одновремен- но несколько сетей в рамках одной системы. Так, в отеле “Aria” (Лас-Вегас, США) без каких-либо технических проблем установлено порядка 75000 устройств, использующих ZigBee.

В таблице приведена сравнительная характеристика технологий Wi-Fi, Bluetooth и ZigBee по основным характеристикам: скорость передачи данных, время автономной работы, дальность связи, максимальное количество узлов в сети, ширина частотного диапазона, поддержка IP-адресации и вид топологии.

Таблица 1. Сравнительная характеристика беспроводных технологий

Технология	Wi-Fi	Bluetooth	ZigBee
Стандарт связи	IEEE 802.11	IEEE 802.15.1	IEEE 802.15.4
Скорость передачи данных	300+ Мбит/с	до 3 Мбит/с	250 Кбит/с
Время работы батареи (дней)	1-5	1-7	100-1000+
Дальность связи, м	1-100	1-10	1-100
Максимальное   количество узлов в сети	32	7	264
Частотный диапазон, ГГц	2.4	2.4	2.4
Поддержка IP	+	-	-
Топология	“звезда”	“звезда”	ячеистая

Как и у любого протокола, у ZigBee также имеются свои недостатки. Из-за крупных обновлений в 2006 и 2007 годах появились проблемы с совместимостью устройств с разными версиями протоколов [7]. В частности, данная проблема возникает при связывании устройств ZigBee 2006-2007 с устройствами ZigBee Pro. Устройства, поддерживающие одну из версий протокола, могут корректно работать с другими устройствами в сети другой версии протокола только в том случае, если являются конечными (ZED). Это связано с различиями в принципах маршрутизации.

Кроме этого, устройствам, работающим на ZigBee, в обязательном порядке должен быть присвоен один из стандартных профилей назначения:

• -    Industrial Plant Monitoring – мониторинг предприятия;

• -    Home Automation – автоматизация жилых помещений;

• -    Commercial Building Automation – автоматизация коммерческих помещений;

• -    Telecom Applications – телекоммуникация;

• -    Personal Home & Hospital Care – амбулаторное или стационарное лечение;

• -    Advanced Metering Initiative – дополнительные измерения.

Профили необходимы для обеспечения совместимости устройств от разных производителей без дополнительной настройки. Если профили устройств не совпадают, то работать друг с другом они не смогут. Однако, как показывает практика, даже совпадение профилей устройств не гарантирует абсолютной совместимости, поскольку чипы с поддержкой ZigBee выпускаются несколькими разными компаниями, которые могут назначать спецификации профилей по-своему или оптимизировать работу протокола самостоятельно [8].

Благодаря низкому энергопотреблению и высокой отказоустойчивости устройств на базе протокола ZigBee, сфера их применения включает в себя различные системы автоматизации помещений, промышленного мониторинга и управления; оборудование медицинских учреждений; бытовую электронику. Такие системы обходятся значи- тельно дешевле из-за простоты изготовления устройств. Например, цена лампочки IKEA Tradfri для ZigBee-сетей составляет составляет около 700 рублей, в то время как умная лампочка TP-Link LB110, управляемая с помощью

Wi-Fi-подключения, стоит порядка 2100 рублей. Наиболее широко ZigBee применяется в системах “умного дома”. Крупные компании, такие как Xiaomi, LG, Phillips, IKEA, Samsung, Logitech и другие, уже запустили фирменные серии устройств для автоматизации как жилых, так и промышленных помещений. Также, с недавнего времени была добавлена интеграция с голосовыми помощниками Google Assistant, Amazon Alexa и Apple Siri с помощью специального смарт хаба (Smart Hub) или шлюза (Gateway).

Протокол ZigBee является достаточно гибким и обладает большим набором возможностей для организации локальных беспроводных сетей. Простота настройки, безопасность, надежность, низкая энергопотребляемость и стоимость комплектующих делают его од- ним из самых популярных протоколов для создания устройств автоматизации помещений. Однако, из-за проблем совместимости необходимо полностью изучать особенности работы устройств с другими устройствами.