По мере развития протокола ZigBee все большее количество производителей разнообразного оборудования начинало использовать этот стандрт в своих устройствах. Запросы и проблемы таких производителей становились предметом дальнейших разработок по усовершенствованию стандарта. Именно так возник ZigBee Pro и разнообразные профили приложений. В качестве основного профиля для домашней автоматизации был разработан ZigBee Home Automation (ZHA). Предполагалось, что этот профиль содержит все функции, которые необходимы при построении современного умного дома.
На деле, однако, оказалось, что разработчики ZHA в чем-то перестарались и создали инструмент, который был в полной мере пригоден для профессионального создания сложных сетей с богатым функционалом, но слишком тяжеловесен для простых сценариев управления освещением. Именно такие простые и понятные устройства были необходимы в сегменте DIY (сделай сам), который демонстрировал активный рост в начале 2000-х годов. Учитывая эти потребности, ряд известных производителей осветительного оборудования, такие как: Philips, Osram, GreenWave, Sylvania, GE, в содружестве с фирмами производителями программного обеспечения и электронных компонентов: STMicroelectronics, Atmel, Texas Instruments, Ember, NXP выступили инициаторами разработки новой спецификации ZigBee Light Link (ZLL).
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.
Особенностью ZigBee Light Link стал отказ от использования сетевого координатора и доверенного центра (ZigBee Trust Center) для раздачи ключей безопасности. Энергосберегающие лампы, светодиодные светильники, датчики, таймеры и пульты управления, выполненные с использованием ZigBee Light Link, подключаются в единую сеть без применения каких-либо специальных координирующих устройств, что позволит потребителям легко дополнять свои сети освещения новыми приборами. При этом от потребителя не требуется каких-либо навыков в установке и конфигурировании сетевых устройств, их программирования.
Стек протокола ZigBee Light Link
Являясь полноценным профилем приложения ZigBee, протокол ZigBee Light Link работает поверх стандартного стека протокола ZigBee Pro. Одновременно, он вводит новые расширения, которые реализуются на уровне приложения (APL) и обеспечивают выполнение команд профиля на конкретной аппаратуре. Профиль ZLL предусматривает не только стандартные функции для управления светильником, но и специальный механизм подключения новых устройств к сети, называемый Touchlink. Этот механизм отличается от базового механизма, реализуемого сетью ZigBee, и работает не только без координатора сети, но и с достаточно высоким уровнем безопасности.
ZigBee Light Link делает возможным децентрализованное взаимодействие управляемых светильников, регуляторов света, устройств управления, обеспечивая совместимость устройств разных производителей, а также легкую интеграцию устройств в существующую инфраструктуру и развертывание новых сетей. Стандарт позволяет пользователям удаленно управлять освещением помещений или зданий в зависимости от текущего времени суток, освещенности, времени года, позволяя получить приемлемый уровень комфорта в сочетании с экономией электроэнергии.
Новые функции ZigBee Light Link, такие как дополнительные средства безопасности (ZLL Security) и межсетевое взаимодействие без координатора (Inter-PAN coordinatorless comissioning), реализованы за счет расширений протокола ZigBee и библиотеки ZCL на уровне приложения (APL), а также через дополнение интерфейсов сетевого уровня (NWK). Для реализации межсетевого обмена (Inter-PAN data exchange) предусмотрен специальный блок (stub) подуровня поддержки приложений (APS). Этот подуровень отвечает за предоставление данных приложениям через точки доступа (SAP). В дополнение к стандартной точке доступа APSDE-SAP (APS Data Entity Service Access Point) для отправки специальных пакетов на этом подуровне используется дополнительная точка доступа INTRP-SAP (Inter-PAN Service Access Point). В остальном стек ZigBee Light Link опирается на стандартный стек ZigBee Pro.
Поскольку ZigBee Light Link является одним из стандартов ZigBee, устройства с его поддержкой как правило совместимы (частично или полностью) с устройствами, реализованными на базе других профилей, включая ZigBee Home Automation, ZigBee Interface Devices, ZigBee Remote Control, ZigBee 3D Sync и ZigBee Health Care.
Механизм Touchlink
Для рынка готовых устройств или устройств самостоятельной установки простота использования или запуска в работу является ключевым фактором их популярности и успеха. Приборы освещения, безусловно, относятся именно к данному классу приборов — не так часто потребитель вызывает мастера для смены лампочки дома или установки нового выключателя. Легкость развертывания сети или интеграции в существующую сеть ZigBee Light Link (ZLL) нового прибора обеспечивается механизмом Touchlink, не требующим наличия в сети координатора.
Touchlink использует механизм межсетевого взаимодействия (inter-PAN) для интеграции устройства в сеть. Передаваемые Touchlink сообщения содержат команды из состава кластеров ZLL. После первого подключения устройства к сети оно продолжает работу под управлением типового стека протокола ZigBee PRO. Это, кроме того, означает, что наравне с механизмом Touchlink с устройствами ZLL при необходимости могут использоваться и стандартные способы включения в сеть под управлением сетевого координатора.
Поскольку при работе устройств ZigBee Light Link после включения в сеть используется типовой стек ZigBee PRO, они могут взаимодействовать с устройствами, построенными на базе других профилей ZigBee. Например, светильник может маршрутизировать и пересылать сообщения для системы кондиционирования, пакеты, предназначенные приборам освещения могут быть переданы другими устройствами в сети, один и тот же пульт управления может быть использован для контроля за всеми устройствами в доме или помещении.
- Первоначально пользователь имеет светильник и контроллер.
- Включив питание светильника, пользователь на контроллере нажимает кнопку, инициирующую на нем процедуру подключения Touchlink.
- По завершении процедуры пользователь получает возможность управлять светильником с данного управляющего контроллера.
Поскольку сети ZigBee Light Link функционируют без координатора, и, следовательно, без доверенного центра (ZigBee Trust Center), в них нет возможности использовать традиционный для сетей ZigBee механизм обеспечения безопасности. Но ZigBee Light Link все-таки использует механизм безопасности сетевого уровня (NWK), а, значит, стороны, участвующие в обмене данными, должны обменяться сетевым ключом.
Инициатор процедуры Touchlink отвечает за генерацию ключа и передачу его второму устройству при установлении соединения. Для того, чтобы ключ не передавался в открытом виде, он шифруется мастер-ключом ZigBee Light Link, который присваивается устройству при прохождении процедуры сертификации ZigBee Alliance.
Устройства обнаруживают друг друга посредством Touchlink. Инициатор генерирует случайный ключ, шифрует его мастер ключом, передает на сетевой уровень. Инициатор запрашивает у устройства запуска сети или присоединения к его сети, одновременно передавая шифрованный ключ. Устройство расшифровывает ключ мастер ключом и передает его на сетевой уровень. Полученный ключ в дальнейшем используется при сетевом обмене между устройствами.
Само наличие такой специальной процедуры обмена ключами ограничивает совместимость устройств ZLL с устройствами, реализованными в других профилях ZigBee, не имеющих заранее прошитого мастер-ключа. Для обеспечения совместимости производители специально встраивают механизм обмена ключами ZLL в свои продукты, чтобы они поддерживали популярные ZLL-устройства.
Применение ZigBee Light Link
В профиль ZigBee Light Link может входить только два типа устройств ZigBee — устройства освещения (светильники) и устройства управления (пульты управления, контроллеры устройств).
Устройства освещения:
- светильник с функциями включения/выключения (On/off light);
- выключатель (On/off plug-in unit);
- светильник с регулируемым уровнем яркости (Dimmable light);
- регулятор света (Dimmable plug-in unit);
- светильник с регулируемым цветом свечения (Color light);
- подсветка интерьера и внешняя подсветка зданий (Extended color light);
- светильник с регулируемой цветовой температурой (Color temperature light).
Устройства управления освещением:
- контроллер управления цветом (Color controller);
- контроллер упрравления цветом сцены (Color scene controller)
- контроллер управления освещением (Non-color controller);
- контроллер управления освещением сцены (Non-color scene controller);
- выключатель (On/off sensor);
- мост передачи команд управления (Control bridge).
С момента появления на рынке первых ZLL-устройств самыми популярными всегда были и остаются лампочки и управляющие устройства из наборов Philips HUE. Эти устройства продаются по всему миру и предназначены для самостоятельной установки, не требуют каких-то навыков программирования и управляются через мобильное приложение на смартфоне или специальными ZLL-совместимыми пультами и выключателями. Ниже представлено несколько рекламных роликов таких устройств, а на странице Революция цветных лампочек можно познакомиться с их историей.
Подобные устройства играют все большую роль в современном умном доме и их распространение растет. Поэтому в развитие стандарта ZigBee Light Link в 2016 году была выпущена спецификация ZigBee Lighting & Occupancy (ZLO), которая вобрала в себя дополнительные функции управления освещением, доступные ранее в профилях ZigBee Home Automation и ZigBee Building Automation.