на какой частоте работает zigbee
ZigBee в России и в мире — частоты и совместимость
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:
* 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.
Zigbee 101: руководство для начинающих
Что такое Zigbee?
Zigbee — технология, которая основана на радио стандарте IEEE 802.15.4 и предназначена для стандартизации маломощных M2M устройств разных производителей. Из особенностей сети можно выделить высокую отказоустойчивость, длительный срок службы конечных устройств от одной батареи, поддержку большого количества подключений и совместную работу устройств разных производителей.
Из особенностей архитектуры сети: поддержка топологии mesh, обязательное наличие координатора и, необязательное, роутера. Больше об архитектуре сети здесь.
ZigBee предусматривает передачу информации в радиусе от 5 до 75 (на открытой местности до 200) метров с максимальной скоростью 250 кбит/с. Поддерживает работу в 27 каналах трех частотных диапазонов:
2,4 ГГц (16 каналов)
915 МГц (10 каналов)
868 МГц (1 канал)
Занимательный факт:
Согласно одной из версий, название ZigBee происходит от зигзагообразного танца пчел, которым они указывают своим соседям путь к следующему источнику пищи, аналогично, как и пакеты данных стандарта должны найти свой путь в mesh сети.
Что нового в Zigbee 3.0
Direct binding, или прямое соединение позволяет конечным устройствам разных производителей работать напрямую без участия координатора и роутера. Это позволяет гибко настраивать сценарии поведения устройств и увеличить скорость срабатывания.
Green Power — набор технологий, которые минимизируют использование ресурсов батареи устройством, а также могут ее собирать за счет кинетической, световой, и тепловой энергии. Немного непонятно звучит; говоря иначе, переключатель сможет передать сообщение за счет того, что вы к нему прикоснулись. Детальнее тут
Унификация. Раньше существовало множество так называемых профилей. Например, Home Automation, Building Automation, Health. Zigbee 3.0 — это единый профиль приложений.
Обратная совместимость со всеми продуктами выпущенными до v3.0
Зачем это нужно?
Если кратко — для измерения показаний и автоматизации. Сфер применения этой автоматизации много. И хотя в последнее время прослеживается тенденция унификации, технология поддерживает различные профили, которые делятся по сфере применения. Вот некоторые из них.
Home Automation — управление домашними устройствами и создание сценариев.
Remote Control — управление устройствами дистанционного управления.
Smart Energy — контроль и автоматизация доставки и использования энергии.
Green Power — поддержка устройств генерации электроэнергии.
Light Link — управление освещением.
Health Care — управление устройств медицинского и около медицинского (браслеты измерения показаний, кнопки “sos”) назначения.
Много ли устройств Zigbee?
Приблизительно 2600 устройств (список сертифицированных устройств). Стоит уточнить, что в большинстве случаев каждый производитель имеет свое приложения для подключения только своих устройств, но, используя стороннее программное обеспечение, их можно подружить. Об этом ниже.
Средняя цена одного конечного устройства варьируется в районе 10$.
Вот пример конечных устройств нескольких популярных производителей:
Xiaomi Aqara — около 50 устройств разного назначения.
Philips Hue — около 100 устройств, (большинство светильники),
Ikea trådfri — около 40 устройств (большинство светильники),
Tuya — около 30 устройств,
SONOFF — около 10 недорогих реле.
Zigbee USB устройства (стики)
Для чего нужны Zigbee стики?
Если вы используете стороннее решение, стик удобно использовать как координатор сети, подключив к компьютеру как роутер, чтобы достичь отдаленных от координатора мест.
Вот пример нескольких популярных устройств:
cc2530/2531 — дешевый и популярный стик. Неплохой выбор для начинающих. Из минусов: небольшой радиус покрытия (10-15 м без антенны) и ограничения по количеству подключаемых устройств.
cc2538 стик разработанный энтузиастами проекта modkam.ru. По сравнению с 2531, обладает большим радиусом действия и не имеет ограничений по количеству подключений (тесты показали больше 200 устройств).
deCONZ Conbee стик также поддерживает большое количество систем умного дома. Из минусов родной прошивки — иногда отваливаются конечные устройства.
Sprut.stick (в бета тестировании) координатор от проекта Sprut.AI на основе модулей EFR32MG12 или MGM12P32F1024. Обладает отличными характеристиками мощности, поддерживает большое количество устройств, также постепенно добавляются новые. Детальнее 1 2 3
Также примеры менее популярных:
nRF52840 Dongle — универсальный стик с поддержкой Bluetooth 5, Bluetooth mesh, Thread, ZigBee, 802.15.4 и ANT и удобной средой разработки.
Zigbee шлюзы
Готовые решения
Xiaomi/Aquara три самых популярных устройства — Xiaomi Gateway 2 и 3 версии и Aqara Hub. Gateway 2 не совместим с homekit и имеет 3 версию протокола Zigbee. Третья версия имеет на борту Zigbee 3.0 и Bluetooth Mesh 5.0. С дополнительными различиями поможет разобраться краткий ролик.
Менее популярные zigbee концентраторы просто перечислю
Orvibo
livolo
Wemo
Vera
Fibaro
Zigbee+ Zvawe
Athom Homey
Hubitat Elevation
Wink hub 2
SmartThings Hub
VeraPlus
DIY, или сделай сам
SLS шлюз — Устройство на основе СС2538+СС2592 и ESP32-Wrover-B, а также прошивка. Поддерживает Zigbee 3.0 и в отличие от Xiaomi он не ограничен одной экосистемой. А в отличие от стиков CC2531, CC2538 и Deconz — он является готовым устройством и может работать как самостоятельно, так и в системе домашней автоматизации Home Assistant. На данный момент поддерживается 113 устройств. Видео обзор
ZESP32 — это прошивка для шлюза Xiaomi Gateway. Точно так же как и SLS он рассчитан на подключение Zigbee устройств разных производителей. Основная концепция — упрощение добавления нового устройства в сеть при помощи изменяемых шаблонов.
cc25хх + компьютер удобный вариант если у вас уже имеется raspberry pi, или старенький пк, который будет выступать в роли сервера. В этом случае вы можете выбрать любую удобную систему домашней автоматизации, о которых ниже.
Что по экосистемам?
Apple home — программное решение от Apple. Количество поддерживаемых устройств невелико, но функционал можно расширить с помощью homebridge и aqara hub. Вы можете использовать Apple home в домашней сети используя только Iphone и хаб (Zigbee), но для удаленного управления нужен домашний центр в роли которого могут выступать iPad (iOS 10 или выше), HomePod, или Apple TV.
Google home — также не работает с Zigbee устройствами напрямую, но имеет совместимость с Alexa.
Amazon ассистенты Echo Show, Spot и Plus умеют работать напрямую поскольку имеют встроенный zigbee координатор. Тем не менее проблемой является ограниченное количество совместимых устройств и непопулярность решения в странах СНГ.
Xiaomi/Aqara — шлюзы компаний Xiaomi и Aqara поддерживают только свои zigbee устройства. В отличие от Xiaomi Gateway у Aqara Hub не предусмотрена возможность интеграции с альтернативными системами домашней автоматизации.
Samsung SmartThings позиционируется как универсальный хаб. Работает с большим количеством устройств Z-Wave и Zigbee. Пользователи часто жалуются на падение облака (отсутствие подключения к серверу) и отсутствие интереса в развитии проекта со стороны разработчиков.
Яндекс дом. Диалоги Яндекс Станции и для телефона это разные вещи. Для колонки диалогов меньше, они примитивные. Заявлена поддержка ZigBee и Bluetooth устройств, но не работает с ними напрямую. Многие сценарии зависят от наличия интернет соединения, но решением может быть подключение сторонних контроллеров умного дома, например с помощью yandex2mqtt.
Как там с программной поддержкой?
Для удобства разделю программные решения на категории.
Домашняя автоматизация
Homebridge сервер NodeJS, для интеграции устройств без поддержки HomeKit.
ioBroker открытая система автоматизации, разработанная на платформе NodeJS
HomeAssistant система с открытым кодом с акцентом на конфиденциальность.
OpenHAB opensource проект с акцентом на удобство настройки
MajorDoMo система интеграции с открытым кодом.
Dashboard
RoboDomo фреймворк, на MQTT с привлекательным графическим интерфейсом.
node-red-dashboard модуль node-red для создания панели управления, интегрируется в
Интеграция
Zigbee2mqtt это программа-мост, что позволяет использовать вместе устройства разных поставщиков, транслируя команды zigbee в mqtt.
MQTT Explorer удобный mqtt клиент
Разработка
IAR Embedded Workbench среда с дружественным интерфейсом и поддержкой большого количества микроконтроллеров
Simplicity Studio IDE и набор инструментов для разработки приложений на базе процессоров Silicon Labs
SimpleLink SDK среда разработки для чипов разработки Texas Instruments, включающий API, TI-RTOS и прочее.
Red-node блочный инструмент программирования для соединения аппаратных устройств, API и онлайн-сервисов.
Тестирование и аудит
KillerBee — инструмент для тестирования Zigbee сетей.
SecBee — тестирование реализаций ZigBee на проблемы безопасности.
Z3sec — основная цель фреймворка тестирование сертифицированных устройств, реализующие ZigBee Light Link (ZLL), или стандарт ZigBee 3.0.
pwnrf — инструмент для тестирования безопасности в сетях Wi-Fi, Bluetooth и Zigbee.
Что выбрать: Wi-Fi, Bluetooth, ZigBee или Z-Wave?
На рынке существуют десятки IOT технологий, но самыми популярными решениями являются Wi-Fi, Bluetooth, ZigBee и Z-Wave.
WiFi очень популярная технология, она удобна и идеальна для голосовых помощников, систем видеонаблюдения, телевизоров, или в случае если у вас небольшое количество умных устройств. Но WiFi сильно энерго затратен и если умных устройств десятки, или сотни постоянно заряжать их проблематично. К тому же WiFi роутер не рассчитан на большое количество подключений. Конечно есть решения и на такой случай, но тогда цена развертывания сети вырастет в разы. WiFi имеет единую точку отказа — роутер.
Bluetooth LE (Low Energy) не менее популярная технология с низким энергопотреблением, что позволяет более года не менять батарейку и высокой скоростью передачи 1-2 Мбит. Имеет функцию маячка (настраиваемое поведение устройств при приближении) и работает с устройствами напрямую. Из минусов работа в диапазоне 2,4 ГГц, и небольшой радиус действия в помещении с другими устройствами. Также большинство BLE устройств работают по принципу «точка-точка», что плохо подходит для создания продвинутых сценариев автоматизации. Но решением данной проблемы можно считать спецификацию Bluetooth mesh.
ZigBee открытый стандарт с низким энергопотреблением конечных устройств (1-2 года), поддержкой ячеистой (mesh) топологии, высокой помехоустойчивостью, хорошей масштабируемостью (в теории до 65000 узлов) и большим проникновением на рынок. Из минусов: Zigbee работает в загружённом диапазоне 2,4 ГГц, что при сильных помехах может привести к снижению помехоустойчивости, и уменьшению радиуса действия. Каждый производитель создает отдельное приложение для поддержки только своих продуктов. Но как по мне самый большой минус это то, что устройства разных производителей не могут “общаться» между собой “из коробки”. Их можно объединить при использовании стороннего ПО, но отсутствие общих решений приводит к относительно высокому порогу вхождения. Альянс знает об этих проблемах и для устранения работает над DotDot и Connected Home over IP.
Z-Wave — зарекомендовавший себя закрытый стандарт. Обладает высоким уровнем совместимости устройств, низким энергопотреблением, поддержкой ячеистой топологии, имеет стабильный сигнал в диапазоне 800–900 МГц, что позволяет лучше огибать препятствия (чем больше длина волны (ниже частота), тем лучше она преодолевает препятствия). Поддерживает до 232 устройств в одной сети и скорость до 100 кбит/с. Из недостатков стоит указать, что в разных странах для устройств малого радиуса действия выделены разные частоты. И устройства созданные для одной страны могут быть несовместимы для другой. Также Z-Wave несколько дороже ZigBee устройств.
С чего начать, если вы новичок?
Если вы пытаетесь выбрать на чем построить свой умный дом начните с этой занимательной схемы. Также лично для меня вдохновляющими была статья Дом Дурачок 2.0
Если у вас возникают трудности в настройке своего умного дома, вы можете попросить совета в группе SmartHome
Если вы хотите купить SLS шлюз и другие Zigbee устройства вам в Zigberu
Обсуждение устройств, прошивок и прочего софта, работающего с Zigbee — Вокруг да около Zigbee и
Zigbee
Вместо заключения
Тяжело сказать кто победит в войне протоколов умного дома. Zigbee не лишен недостатков, имеет сильных конкурентов, но вместе с тем его сильная сторона это большое заинтересованное сообщество (Zigbee Альянс, энтузиастов и гиков). Интерес к Zigbee проявляют как именитые бренды, так и молодые компании.
Стоит отметить, что не существует универсального решения на все случаи жизни. Выбирайте, то что подходит именно вам, именно в вашем случае. WiFi и Bluetooth хотя и громоздки, но есть случаи, когда их использование оправдано.