Семейство протоколов и стандартов ZigBee, в отличие от полностью проприетарного Z-Wave, родилось в 2004 году как результат разработки открытого международного стандарта низкоскоростных беспроводных персональных сетей IEEE 802.15.4. С появлением этого стандарта он был взят за основу большим консорциумом производителей, составлявших ZigBee Alliance (формально этот альянс был создан в 2002 году) и разрабатывавших новый открытый протокол для использования в интернете вещей (IoT), в домашней и промышленной автоматизации. Уже тогда в альянс входило около 200 компаний, и на рынке сразу же появились первые продукты, которые работали на основе разнообразных предварительных и кастомизированных версий ZigBee.
В отличие от Z-Wave в мире ZigBee никогда не удавалось обеспечить ни сколь либо масштабной совместимости устройств разных производителей, ни даже сквозной совместимости разных версий протокола. Между тем, несмотря на весь этот зоопарк слабосовместимых продуктов, ZigBee был с 2008 года открыт для использования компаниями любого размера и направления бизнеса. В мире, где бал правят гигантские корпорации, владеющие лицензиями на ключевые технологии, ZigBee выделялся именно своей относительной доступностью игрокам любого размера и возможностью разработки собственных кастомизированных решений на его основе (вплоть до глубокой кастомизации самого протокола). Это особенно понравилось многочисленным небольшим производителям из Юго-Восточной Азии, которые быстро заполонили рынок дешевыми устройствами самого разного назначения.
Исторически одним из главных инициаторов создания ZigBee выступала компания Philips. Поэтому когда в 2012 году на рынке появилась первая смарт-система домашнего освещения на основе ламп с регулируемым спектром и яркостью свечения под маркой Philips HUE, она опиралась именно на технологию ZigBee. А в 2014 году именно ZigBee был выбран Amazon для своей первой умной колонки Amazon Echo. С этого момента популярность ZigBee стала расти семимильными шагами и на сегодняшний день именно ZigBee является самой распространенной технологией беспроводной связи, используемой при создании умных домов по всему миру. Немаловажным фактором, способствующим такой популярности, выступает то, что на транспортном уровне ZigBee опирается на международный стандарт IEEE 802.15.4, для которого во всех странах имеются выделенные нелицензируемые частоты.
К настоящему времени в значительной степени снизилась и острота проблемы в отношении несовместимости оборудования разных производителей. Последние версии протокола ZigBee поддерживаются всеми ведущими игроками рынка единообразным образом, а специальная система сертификации оборудования, организованная ZigBee Alliance, позволяет им подтверждать совместимость их продукции друг с другом. Сегодня решения на основе ZigBee предлагают на рынке тысячи производителей (Wink, SmartThings, Philips, Amazon, Zipato, Philio, Vera Control, NETIChome и многие другие).
В последних реализациях стандарта ZigBee появилась возможность создавать устройства, способные обходиться без постоянного источника питания. Пример такого гаджета — пульт Philips Hue Tap, предназначенный для управления «умными» лампочками Philips Hue. В нем вообще отсутствует батарейка, а для передачи сигнала используется энергия, получаемая при нажатии на кнопку. Это стало возможно не только в силу крайне низкого энергопотребления современных ZigBee-модулей, но и в силу особенностей стандарта, который позволяет устройствам молниеносно подключаться к беспроводной сети (подробнее о ZigBee).
Между тем, как и конкурирующая технология Z-Wave, стандарт ZigBee всегда оставался только лишь продвинутым средством для организации связи разнообразных смарт-устройств между собой и не мог рассматриваться как целостная беспроводная платформа для построения умного дома просто потому, что такая платформа должна охватывать не только организацию коммуникаций, но и вопросы управления сетью и входящим в нее автоматизированными подсистеами в целом. В январе 2017 года ZigBee Alliance анонсировал создание на нового языка (протокола) для организации взаимодействия любых устройств в сфере интернета вещей (IoT). Технология получила название dodot. К этому времени также была разработана спецификация ZigBee IP, которая позволяет использовать беспроводные сети ZeegBee для передачи любого IPv6-трафика, а в новый протокол dotdot также заложена возможность работы и в IP-сетях, и поверх нового перспективного протокола интернета вещей Thread.
Все это говорит о том, что родившись как коммуникационная технология, ZigBee постепенно расширяет свой охват и пытается стать полноценной платформой домашней и промышленной автоматизации, которая будет охватывать все уровни системы, включая в себя и коммуникации (беспроводные и проводные), и управление, и вопросы взаимодействия с пользователем. Но пока этого не случилось производители рассматривают ZigBee как один из доступных беспроводных интерфейсов и просто встраивают его в свои платформы как еще один способ коммуникации.
Смотрите также:
- История ZigBee и ZigBee Alliance. 13 июня 2005 года ZigBee Alliance объявил о выходе первой (версия 1.0) спецификации протокола ZigBee, которая на рынке впоследствии получила распространение под названием ZigBee 2004 Specification. За последующие несколько месяцев количество членов альянса удвоилось и достигло 400 — таким долгожданным и востребованным оказался этот протокол. Первые продукты, выполненные в соответствии с этой спецификацией, вышли на рынок в 2006 году. В 2015 году с выходом очередной версии Zigbee PRO 2015 (R21) Specification вся совокупность разработанных к этому времени спецификаций в их последней редакции получила название ZigBee 3.0. Именно ZigBee 3.0 можно считать знаковым событием в истории протокола. Это позволило систематизировать все наработки и обеспечить понятный механизм сертификации новых продуктов на совместимость.
- ZigBee в России и в мире — частоты и совместимость. Многообразие частотных спектров, методов модуляции сигнала, многообразие редакций стандартов IEEE 802.15.4 и ZigBee породило ситуацию, в которой довольно трудно прогнозировать и обеспечивать совместимость устройств. Желая сэкономить, некоторые производители могут даже и не стремиться к такой цели, поддерживая лишь частичную реализацию стандарта в своих устройствах. И хотя подавляющее число выпускаемых сегодня ZigBee-устройств работает в самом массовом диапазоне 2,4 ГГц, пользователям разумно придерживаться следующего правила: 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.
- Обзор стека протокола ZigBee. К концу 2018 года самой распространенной версией протокола является Zigbee PRO 2015 Specification, являющаяся его 21-й редакцией, а потому ее часто еще называют R21 stack. Сама эта спецификация фактически является корневой технологией для более общего набора спецификаций ZigBee 3.0, включающего, кроме прочего, и такие расширения протокола как: ZigBee RF4CE и ZigBee Green Power. В верхней части рассматриваемого стека протоколов располагается ZigBee Cluster Library, переименованная теперь в dotdot, определяющая форматы данных и команд на уровне приложения, а также профили приложений, которые позволяют правильно группировать и интерпретировать эти команды ZigBee-устройствами.
- Сети стандарта IEEE 802.15.4. Спецификация IEEE 802.15.4-2011 обеспечивает двустороннюю полудуплексную передачу данных в низкоскоростных беспроводных персональных сетях (Low-Rate Wireless Personal Area Networks — LR-WPANs), поддерживая при этом шифрование AES 128. Предусматривается использование 7 видов модуляции в разных частотных диапазонах. Все доступные радиочастотные диапазоны поделены на каналы, пропускная способность которых может различаться.
- Сетевой уровень (NWK). Сетевой уровень (Network Layer — NWK) стека протокола ZigBee/ZigBee PRO использует функции подуровня управления доступом к среде (Media Access Layer — MAC) и обеспечивает интерфейс для вышестоящего уровня приложения (Application Layer — APL). На этом уровне реализована поддержка разных сетевых топологий: звездная топология (Star Network), дерево кластеров (Cluster Tree Network) и ячеистая топология (Mesh Network). И именно на сетевом уровне происходит первоначальное создание сети, включение в нее новых устройств, их исключение и сетевой поиск.
- Уровень приложения (APL). Уровень приложения (Application Layer — APL) протокола ZigBee содержит несколько подуровней. Так же, как и на сетевом уровне, взаимодействие между различными подуровнями осуществляется через специализированные программные интерфейсы — точки доступа (Service Access Points — SAPs).
- ZigBee Cluster Library и профили приложений. Логика работы устройств ZigBee (лампа, выключатель света, линия ввода/вывода, термостат) реализуется объектами приложения (Application Objects). Каждый объект приложения адресуется через свою конечную точку (endpoint) с определенным адресом. При этом для взаимодействия с одним объектом может использоваться целый набор различных атрибутов. В спецификации ZigBee вводится понятие «кластер» (cluster) как средство группировки атрибутов по их назначению. Весь набор кластеров собран вместе в составе библиотеки ZigBee Cluster Library (ZCL), которую в новых редакциях стандарта стали называть уже универсальным языком для интернета вещей и переименовали в dotdot.
- ZigBee Light Link. В конце апреля 2012 года ZigBee Alliance объявил о завершении разработки и ратификации стандарта ZigBee Light Link, предназначенного для реализации беспроводных систем управления осветительным оборудованием. А одним из первых массовых и наиболее известным продуктом, созданным на базе этой спецификации, стали лампочки Philips HUE с управляемыми яркостью и цветом свечения.
- ZigBee RF4CE. Стандарт ZigBee RF4CE (Radio Frequency for Consumer Electronics) первоначально был разработан в 2008 году консорциумом компаний Panasonic, Philips, Samsung и Sony для использования в беспроводных радиофицированных пультах дистанционного управления телевизорами, стереосистемами и т.п. В 2014 году вышла новая заметно расширенная версия профиля ZigBee Remote Control 2.0 (ZRC 2.0), которая была принципиально рассчитана на расширение сферы применения самих пультов дистанционного управления. Теперь, вместе с телевизорами и стереосистемами, эти пульты смогли управлять вообще любыми устройствами в сетях ZigBee — умными лампами и системами освещения, окнами и роллетами, системами безопасности.
- ZigBee Green Power. Спецификация ZigBee Green Power (ZGP) была разработана специально для поддержки автономных устройств, которые вообще не имеют батареек. Такие устройства получают энергию для кратковременного срабатывания из своего окружения или каких-то действий с ними: как результат движения, освещения, пьезо-эффекта при нажатии, термоэлектрического эффекта Пельтье и т.п. Наиболее очевидное применение подобных устройств — это выключатели света, в которых нажатием кнопки вырабатывается электроэнергия, необходимая для отправки управляющих сигналов (включение/выключение).
- ZigBee IP. Спецификация протокола ZigBee IP впервые была опубликована ZigBee Alliance в марте 2013 года. Основное отличие протокола ZigBee IP состоит в использовании в качестве сетевого транспорта IPv6-протокола 6LoWPAN. То есть на сетевом уровне действует IPv6-адресация и маршрутизация, а все устройства в сети получают IPv6-адрес и могут без каких-то преобразований адреса напрямую взаимодействовать через любые IP-сети в масштабах всего Интернета, используя стандартный TCP/IP стек.
- Безопасность устройств ZigBee. Относительная сложность реализации всех уровней системы безопасности иногда приводит к ошибкам и в самом коде внутреннего программного обеспечения устройств ZigBee. От этого не застрахованы даже самые крупные производители, такие как Philips. В 2017 году на одной из конференций по безопасности была публично продемонстрирована методика взлома ZigBee-лампочек Philips HUE. Хакеры снабдили необходимым оборудованием небольшой дрон и заставили лампы в офисе атакуемой компании включаться и выключаться по своим командам.