Для соединения с другими устройствами семейства ZigBee любое оборудование должно иметь приемопередатчик, работающий согласно стандарта IEEE 802.15.4, и микроконтроллер с программным обеспечением, реализующий стек протокола ZigBee. То есть стек протокола ZigBee может быть задействован только поверх физического уровня (Physical Layer — PHY) и подуровня управления доступом к среде (Media Access Layer — MAC), которые обеспечивает стандарт IEEE 802.15.4.
Сам беспроводной стандарт IEEE 802.15.4 ориентирован на создание сетей для управления и мониторинга автономных устройств с малым энергопотреблением. Стандарт IEEE 802.15.4 описывает частоты, аппаратные особенности и прочие параметры сети, в то время как спецификация ZigBee содержит в себе описание процесса сетевого управления, параметры безопасности, а также немаловажные понятия совместимости и профилей устройств.
Первые шаги по стандартазации связи в частотном диапазоне 2,4 ГГц имели место в 2003 году, когда была опубликована первая спецификация стандрата IEEE 802.15.4-2003. Этот стандарт, тем не менее, прошел через процедуру множественных доработок и уже 2006 году появилась новая спецификация IEEE 802.15.4-2006 (также известна под номером 802.15.4b), ставшая базовой на многие последующие годы. Но уточнение и расширение стандарта никогда не останавливалось — к нему постоянно выходили различные дополнения: IEEE 802.15.4a-2007 (802.15.4a), 802.15.4c-2009 (802.15.4c), 802.15.4d-2009 (802.15.4d), 802.15.4-2011, 802.15.4e-2012 (802.15.4e) и т.д. Следующая базовая спецификация стандарта была утверждена в 2015 году, ей стала спецификация IEEE 802.15.4-2015. К ней тоже постоянно выходят дополнения, одно из последних 802.15.4s-2018 (802.15.4s).
Cтандарт IEEE 802.15.4 в своей первоначальной редакции резервировал под обмен данными 27 каналов в трех частотных диапазонах: 868 МГц, 915 МГц и 2,4 ГГц. Из этого набора частот только диапазон 2,4 ГГц стал доступен для гражданского нелицензируемого использования по всему миру.
Другие частотные диапазоны добавлялись в стандарт постепенно по мере расширения его применения в мире и выделения в разных странах новых диапазонов частот. Так что многие из входящих сегодня в стандарт диапазонов имеют региональную привязку и дополнительные ограничения на использование:
- 169,400–169,475 МГц (Европа)
- 433,05–434,79 (Азия, Россия)
- 450—470 МГц (Северная Америка)
- 470—510 МГц (Китай)
- 779–787 МГц (Китай)
- 868,0—868,6 МГц, 870–876 МГц* (Европа, Россия)
- 863,0—870,0 МГц* (Индия, Европа)
- 896–901 МГц, 901–902 МГц (Северная Америка)
- 902—928 МГц* (Северная Америка, Мексика, Бразилия, Австралия, Новая Зеландия, Япония)
- 2360–2400 МГц (Северная Америка)
- 2400—2483,5 МГц (весь мир, в том числе и Россия)
- UWB (250–750 МГц, 3244–4742 МГц, 5944–10234 МГц, 6289,6–9185,6 МГц)*
* В разных странах могут использоваться различные поддиапазоны и методы модуляции. Назначение устройств, работающих в определенных диапазонах, также может быть ограничено.
Наличие нескольких доступных частотных диапазонов позволяет обеспечить оптимальную передачу сигнала в различных условиях. Сигналы стандарта IEEE 802.15.4 могут успешно сосуществовать с другими источниками излучения на той же частоте, к примеру, устройствами, соединенными посредством WiFi. К слову, в стандарте также предусмотрены каналы, не пересекающиеся с WiFi, что позволяет реализовать сеть даже в непосредственной близости с очень мощными источниками излучения.
Скорость передачи в разрешенном в России частотном диапазоне 2,4 ГГц может достигать 2 Мбит в секунду (согласно спецификации IEEE 802.15.4t-2017, ранее — 250 кбит/с).
Для обеспечения совместимости устройств различных производителей и их соответствия требованиям действующего стандарта ZigBee Alliance реализует специальную программу сертификации, только после прохождения которой производитель может использовать логотип ZigBee на своей продукции. Но стандарт ZigBee открыт и доступен всем желающим. По всему миру существует множество производителей, которые не являются членами альянса и не занимаются сертификацией своих продуктов. Кроме того, сам стандарт ZigBee тоже регулярно меняется (к концу 2018 года имелось уже три основных версии ZigBee 2004, ZigBee 2006 и ZigBee PRO в более чем 20 редакциях).
Многообразие частотных спектров, методов модуляции сигнала, многообразие редакций стандартов IEEE 802.15.4 и ZigBee, а также наличие на рынке большого количества несертифицированных продуктов породило ситуацию, в которой довольно трудно прогнозировать и обеспечивать 100% совместимость устройств для разных производителей. Желая сэкономить, некоторые производители могут даже и не стремиться к такой цели, обеспечивая лишь частичную реализацию стандарта в своих устройствах. Вместе с тем, именно в части наведения порядка на рынке и создания понятных ориентиров для потребителей ведет свою политику ZigBee Alliance. И такая политика приносит успех.
Если взглянуть на рынок устройств для домашней автоматизации, то на практике подавляющее число выпускаемых сегодня ZigBee-устройств работает не в каких-то экзотических диапазонах, а в самом массовом диапазоне 2,4 ГГц. Даже на региональных рынках (Европа, США и др.) производителям выгоднее делать устройства, которые будут ориентированы на весь мир сразу, а не на отдельные страны. Некоторая специфика присутвует лишь в Азии, где довольно популярны также и устройства диапазона 433 МГц. И продиктовано это скорее спицификой данного диапазона и его существенными отличиями от сверхвысокочастотного диапазона 2,4 ГГц.
Кроме диапазона 2,4 ГГц, в России (согласно Приложения 1 к решению ГКРЧ от 7 мая 2007 г. № 07-20-03-001) выделены два субгигагерцевых диапазона частот, где возможно безлицензионное применение радиопередающих устройств — 443 и 868 МГц. В этих диапазонах потребитель может использовать радиопередающие устройства без специальных разрешений и регистрации. Однако необходимо, чтобы технические характеристики радиопередающих устройств отвечали техническим требованиям, утвержденным решениями Государственной комиссии по радиочастотам (ГКРЧ). Следует отметить, что распределение российских участков частот в диапазоне 868 МГц не совпадает с европейскими.
Учитывая указанные ограничения в России получили распространение устройства ZigBee, работающие в диапазонах 2,4 ГГц или 433 МГц. Разумеется, как и во всем мире, именно устройства диапазона 2,4 ГГц преобладают на российском рынке и именно они в первую очередь и используются в сфере домашней автоматизации. Иногда можно даже встретить устройства, для которых производитель не считает нужным указывать рабочую частоту в спецификации, — в таком случае потребителю остается только догадаться, что речь идет о частоте 2,4 ГГц. Впрочем, подход производителей бывает разным. Одни — не упоминают ни в рекламе, ни в документации о том, что вообще используют технологию ZigBee, а другие — наоборот — используют логотипы ZigBee, чтобы подчеркнуть совместимость своего оборудования с моделями других производителей. Тоже самое можно сказать и о русскоязычной локадизации. Существует оборудование с полной локализацией (пример ниже в видеоролике), но пока гораздо чаще на российском рынке можно встретить устройства, вовсе не имеющие русскоязычных интерфейсов.
Говоря о совместимости устройств, пусть и работающих в одном диапазоне частот, но выполненных в разное время в соответствии с разными версиями стандарта ZigBee следует заметить, что тут уже нельзя говорить о полной совместимости и возникают существенные ограничения (зачастую непреодолимые). Даже наличие сертификации и использование логотипов ZigBee не означает, что два разных устройства смогут работать совместно в одной сети и взаимодействовать друг с другом.
Во-первых, это обусловлено наличием разных спецификаций стандарта ZigBee. В частности, устройства ZigBee PRO не могут быть роутерами (маршрутизаторами) в сетях ZigBee (версии ZigBee 2004/2006/2007), но могут быть оконечными исполнительными устройствами (ZEDs). Наоборот — устройства ZigBee могут быть только оконечными исполнительными устройствами в сетях ZigBee PRO. И наконец, устройства, выполненные по более новой версии протокола ZigBee (например, ZigBee 2006) смогут работать только оконечными исполнительными устройствами в сетях более ранней версии (ZigBee 2004). Эти правила в целом выполняются, если производитель реализует в своем устройстве все необходимые требования спецификации ZigBee, что весьма часто нарушается производителями, которые не проходят сертификацию в лабораториях ZigBee Alliance и не используют соответствующий логотип на своем оборудовании.
Но на этом проблемы не заканчиваются. Для протокола ZigBee предусмотрено несколько профилей, определяющих назначение устройства. Профиль — это совокупность настроек программного обеспечения узлов сети, обеспечивающая их совместную работу. Спецификация профиля определяет такие параметры, как способы задания идентификационных параметров сети, режимы образования сети, способы защиты данных, используемый поднабор кластеров, который включает кластеры из разных функциональных групп библиотеки ZigBee Cluster Library (ZCL). Профили могут быть публичными (Public) или частными (Private или ManufacturerSpecific). В числе публичных профилей: Industrial Plant Monitoring (IPM), Home Automation (HA), Commercial Building Automation (CBA), Telecom Applications (TA), Personal Home & Hospital Care (PHHC), Advanced Metering Initiative (AMI), Light Link (LL) и другие. Если одно из устройств поддерживает определенный профиль, а другое — нет, то взаимодействовать друг с другом они не смогут.
Гаджеты, предназначенные для автоматизации дома, часто используют только профили Home Automation и Light Link. Но еще чаще производители реализуют свои собственные частные профили и таким образом преднамеренно делают свои устройства несовместимыми с устройствами других производителей, «замыкая» пользователей на свою линейку продуктов.
Даже полное совпадение по частотному диапазону, версии стандарта и профилю не гарантирует стопроцентной совместимости устройств ZigBee, поскольку производством коммуникационных чипов с поддержкой ZigBee занимается множество компаний. Каждая из них интерпретирует спецификации по-своему, некоторые вендоры вносят определенные оптимизации в работу протокола. Итог неутешителен — вероятность того, что устройства от разных производителей откажутся работать друг с другом, весьма велика. Вот уже много лет ZigBee Alliance пытается переломить эту ситуацию через систему сертификации. И нельзя сказать, что такая деятельность не имеет успеха. Существенные подвижки можно заметить, особенно начиная с 2016 года (когда началась сертификация по всему набору спецификаций ZigBee 3.0). Но и количество устройств и производителей на рынке тоже постоянно и бурно растет, а значит растет и количество несовместимостей между ними.
С учетом всего вышесказанного можно сформулировать следующее правило: 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. Если же проблемы все-таки проявились, то не всегда они являются неразрешимыми — в Сети можно найти множество энтузиастов, которые делятся с общественностью различными лайф-хаками о том, как «подружить» и заставить работать совместно различные популярные ZigBee-устройства.
В своем подавляющем большинстве мелкие производители ZigBee-устройств не создают преднамеренно каких-то преград в части совместимости. Используя типовые готовые ZigBee-модули производства нескольких крупных корпораций, они лишь незначительно изменяют имеющееся в них программное обеспечение под свои нужды, но после этого не проводят вообще никаких тестов на совместимость. Так что и результат можно определить только «методом тыка» — попытавшись включить устройство в существующую у вас ZigBee-сеть. От проблем не застрахованы даже устройства, прошедшие сертификацию — ведь само встроенное программное обеспечение постоянно модифицируется производителем для устранения каких-то ошибок или добавления полезных функций, а значит и в каждой новой партии сертифицированных устройств могут проявиться какие-то несовместимости, которые не были обнаружены в сертификационной лаборатории.