ZigBee

ZigBee — это открытый стандарт, в котором описан набор высокоуровневых протоколов связи, ориентированных на использование маломощных цифровых передатчиков, работающих по стандарту IEEE 802.15.4, для низкоскоростных беспроводных персональных сетей (Low-Rate Wireless Personal Area Networks — LR-WPANs). Спецификация ZigBee была разработана с целью реализации более простых и дешевых решений, чем предлагали в то же время другие персональные сети, такие как Bluetooth. Технологии ZigBee, сразу же с момента своего появления, нашли широкое применение в системах домашней автоматизации, поскольку изначально были предназначены для устройств, которым необходима длительная работа от батареек и высокая безопасность передачи данных по радиоканалу.

Разумеется, ZigBee применяется не только для домашней автоматизации — такая сеть может использоваться в промышленных контроллерах, встроенных датчиках, при сборе медицинских данных, оповещении о вторжении или задымлении, в строительстве и т.д. То есть во всех таких устройствах, которые сегодня принято относить к интернету вещей (Internet of Things — IoT). Благодаря беспроводной связи и питанию от батареек, устройства ZigBee легко интегрируются в инфраструктуру традиционной электрической системы, не требуя дополнительной прокладки кабеля.

Поддержку и развитие спецификаций ZigBee, а также обеспечение взаимной совместимости устройств в рамках стандарта IEEE 802.15.4 осуществляет специально созданный консорциум компаний-участников — ZigBee Alliance. Он не только обеспечивает выпуск обновлений и расширений стандарта ZigBee, но и проводит сертификацию оборудования разных производителей на соответствие требованиям стандарта, гарантируя интероперабельность.

Само название ZigBee представляет собой игру слов «зиг-заг» и «пчела» (англ. Zig-zag и Bee) — именно так, летая зигзагами, пчелы ищут источники нектара. Традиционным конкурентом ZigBee на рынке домашней автоматизации всегда был и остается протокол Z-Wave, развиваемый компанией Sigma Designs. Возможности обоих протоколов весьма близки, а все самое лучшее они постоянно друг у друга заимствуют. Вместе с тем, имеются и принципиальные отличия, обусловленные тем, что Z-Wave — это патентованная технология, охватывающая все уровни стека протоколов по классификации OSI, а ZigBee — это открытый стандарт, который охватывает только верхние уровни стека протоколов, начиная с сетевого уровня (Network Layer — NWK), и сам является надстройкой над другим открытым международным стандартом IEEE 802.15.4. Первенство в «дуэте» IEEE 802.15.4 и ZigBee принадлежит именно стандарту Института инженеров электротехники и электроники (Institute of Electrical and Electronics Engineers — IEEE). Формирование спецификации IEEE 802.15.4 началось в конце 90-х годов XX века в ответ на запросы рынка на специфическое средство беспроводной связи в целях управления устройствами и связи с датчиками. По задумкам разработчиков, новый стандарт должен был поддерживать дальность соединения, сравнимую с WiFi, но при этом обеспечивать гораздо меньшее энергопотребление. Для реализации выставленных требований пришлось пожертвовать скоростью передачи данных как наименее важным элементом в рамках данной задачи. В 2003 году была выпущена официальная спецификация, утвержденная и опубликованная в статусе стандарта IEEE в 2004 году. После серии доработок и уточнений уточненная редакция этого стандарта под номером IEEE 802.15.4-2006 вышла в 2006 году.

Именно в 2006 году на рынке появились и первые продукты, работающие на основе протокола ZigBee. Началась история развития и роста популярности этого стандарта, который сегодня является несомненным лидером на рынке интеллектуальных смарт-устройств для современного умного дома (к началу 2019 года в мире было выпущено уже более 300 млн. устройств с ZigBee).

Читайте далее в этом разделе:

• 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.