Zigbee

Zigbee dla sieci sterowania i czujników

Technologie takie jak Wi-Fi i Bluetooth Classic zapewniają szybki transfer danych oraz strumieniowanie audio. Wraz z rozwojem inteligentnych budynków i Przemysłowego Internetu Rzeczy (IIoT) pojawiła się potrzeba innego profilu komunikacji. Sieci sterowania i czujników wymagają prostoty, bardzo małego poboru energii oraz przewidywalnej wymiany komunikatów między wieloma urządzeniami. Zigbee projektowano z myślą o łączeniu dziesiątek lub setek prostych urządzeń, takich jak żarówki, czujniki i przełączniki, w jedną sieć lokalną.

Nazwa Zigbee nawiązuje do tańca pszczół miodnych. Jest to obrazowe odniesienie do wymiany informacji między wieloma prostymi uczestnikami sieci. Zigbee umożliwia energooszczędnym urządzeniom komunikację i współpracę na terenie budynku lub obiektu. Technologia powstała, była rozwijana i promowana przez Zigbee Alliance, obecnie działające w ramach Connectivity Standards Alliance (CSA). Zigbee obejmuje otwarte specyfikacje przeznaczone dla sieci sterowania i czujników.

W przeciwieństwie do Wi-Fi, nastawionego na większą przepływność, i Bluetooth Classic, często używanego do bezpośrednich połączeń osobistych, Zigbee zamienia maksymalną szybkość na prosty ruch sterujący i długą pracę baterii. Małe urządzenia mogą tworzyć sieci mesh, w których routery przekazują wiadomości między sąsiednimi węzłami. Taki układ może ograniczyć zależność od pojedynczego łącza i objąć automatykę domową, oświetlenie, zarządzanie energią oraz przemysłowe systemy kontrolne. Rzeczywista odporność zależy od rozmieszczenia routerów, jakości łączy i konfiguracji sieci.

Warstwy PHY i MAC standardu IEEE 802.15.4

Zigbee korzysta ze standardowych funkcji radiowych i dostępowych określonych przez IEEE 802.15.4. Norma opisuje podstawowe zachowanie nadajnika, odbiornika, ramek i warstwy MAC, w tym dostęp do kanału oraz adresowanie. Zigbee dodaje ponad te warstwy tworzenie sieci, routing, bezpieczeństwo, role urządzeń oraz funkcje aplikacyjne. Obie specyfikacje opisują więc różne części jednego stosu komunikacyjnego.

Specyfikacja IEEE 802.15.4 definiuje dwie najniższe warstwy stosu sieciowego:

1. Warstwa fizyczna (PHY): Ta warstwa zajmuje się samym radiem. Definiuje surowe, fizyczne charakterystyki transmisji bezprzewodowej.
   • Pasma częstotliwości: IEEE 802.15.4 określa działanie w kilku nielicencjonowanych pasmach ISM. Najczęściej używany wariant Zigbee pracuje w paśmie 2,4 GHz, współdzielonym z Wi-Fi i Bluetooth. Dostępne są także warianty sub-GHz, w tym 868 MHz w Europie oraz 915 MHz w regionach, w których dopuszczają je przepisy radiowe, między innymi w obu Amerykach i w Australii. Niższe częstotliwości zwykle lepiej przechodzą przez przeszkody i mogą zapewniać większy zasięg, lecz wybór zależy od konkretnego PHY i regulacji.
   • Modulacja: Bazowy PHY 2450 MHz używa rozpraszania widma DSSS z modulacją O-QPSK. Bazowe PHY 868 i 915 MHz używają DSSS z BPSK. Rozpraszanie wspiera odporność odbioru na zakłócenia. Nie jest mechanizmem szyfrowania.
   • Szybkość transmisji danych: Standard definiuje kilka szybkości surowej warstwy radiowej. Dla pasma 2,4 GHz typowa wartość wynosi $250 \text{ kbps}$. Bazowe PHY 868 MHz i 915 MHz określają odpowiednio 20 kb/s i 40 kb/s. Późniejsze warianty regionalne mogą mieć inne parametry. W porównaniu z Wi-Fi są to wartości niskie z założenia. Krótkie ładunki spędzają mniej czasu w radiu, co wspiera pracę bateryjną. Są to wartości warstwy PHY, więc nagłówki, potwierdzenia, odroczenia i retransmisje zmniejszają przepływność dostępną dla aplikacji. Takie szybkości wystarczają dla krótkich komunikatów sterujących i pomiarowych, a niewielka ilość przesyłanych danych wspiera niski pobór energii.
2. Warstwa kontroli dostępu do medium (MAC): Ta warstwa określa zasady dostępu urządzeń do wspólnego medium bezprzewodowego oraz formatowanie ramek.
   • Ramkowanie wiadomości: Definiuje podstawową strukturę pakietu danych, w tym informacje adresowe.
   • Dostęp do kanału: Używa mechanizmu CSMA-CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance). Przed transmisją urządzenie wykonuje ocenę zajętości kanału. Przy wolnym kanale rozpoczyna nadawanie. Przy zajętym kanale losuje odroczenie i ponawia próbę. W sieci beacon-enabled stosuje się wersję slotted z granicami superramki. W sieci bez beaconów stosuje się wersję unslotted, w której urządzenia nie synchronizują początku odroczenia z beaconem.

Na tych warstwach Zigbee definiuje protokoły sieciowe i aplikacyjne wyższego poziomu. Obejmują one adresowanie, routing, role urządzeń, bezpieczeństwo oraz model danych potrzebny w sieciach mesh. Określają także dołączanie urządzeń do sieci i udostępnianie funkcji aplikacyjnych innym węzłom.

Role i topologia urządzeń Zigbee

Sieć mesh pozwala routerom przekazywać wiadomości między sąsiednimi urządzeniami. W topologii gwiazdy każde urządzenie końcowe utrzymuje bezpośrednie połączenie z punktem centralnym. W Zigbee wiadomość z czujnika może przejść przez kilka routerów, na przykład przez zasilane żarówki, zanim dotrze do celu. Liczba dostępnych ścieżek zależy od rozmieszczenia i stanu węzłów. Zigbee wyróżnia trzy role urządzeń, które opisują ich udział w sieci.

1. Koordynator Zigbee (ZC):

   Każda sieć Zigbee ma dokładnie jednego Koordynatora. Zwykle jako pierwsze uruchamia sieć, tworzy ją i pełni funkcje koordynacyjne. Jego główne obowiązki to:

   • Inicjowanie sieci: Koordynator skanuje dostępne kanały i ustanawia sieć, wybierając identyfikator PAN ID oraz parametry potrzebne do dołączania urządzeń.
   • Zarządzanie bezpieczeństwem: W sieci ze scentralizowanym modelem bezpieczeństwa koordynator może pełnić funkcję Trust Center. Uwierzytelnia wtedy nowe urządzenia i uczestniczy w dystrybucji klucza sieciowego. Współczesne specyfikacje przewidują także warianty bezpieczeństwa rozproszonego.
   • Korzeń logiczny i routing: Koordynator jest punktem utworzenia sieci i może przekazywać wiadomości tak jak router. Jego rola logiczna wymaga dostępności podczas tworzenia oraz zarządzania siecią. W praktycznych instalacjach często używa się bramki zasilanej z sieci, takiej jak Amazon Echo Plus lub Samsung SmartThings Hub.
2. Router Zigbee (ZR):

   Routery zapewniają przekazywanie wiadomości w sieci mesh. Sieć może mieć wiele routerów, które przekazują wiadomości i utrzymują relacje z urządzeniami podrzędnymi. Ich kluczowe funkcje to:

   • Rozszerzanie zasięgu sieci: Głównym zadaniem routera jest przekazywanie wiadomości od innych urządzeń, co pozwala sieci obejmować obszar znacznie większy niż zasięg pojedynczego urządzenia.
   • Hostowanie aplikacji: Podobnie jak koordynator, router może również uruchamiać własne aplikacje (np. być inteligentną żarówką, która uczestniczy również w routingu).
   • Umożliwianie dołączania innych urządzeń: Routery mogą pozwalać innym routerom i urządzeniom końcowym na dołączanie do sieci za ich pośrednictwem.

   Router musi pozostawać dostępny, aby odbierać i przekazywać wiadomości. Z tego powodu w praktycznych wdrożeniach zwykle korzysta z zasilania stałego. Większość inteligentnych gniazdek Zigbee i na stałe zainstalowanych żarówek może działać jako Routery, zwiększając liczbę dostępnych połączeń po dodaniu urządzenia.

3. Urządzenie Końcowe Zigbee (ZED):

   Urządzenia Końcowe są urządzeniami brzegowymi sieci. Wykonują określone zadania, takie jak pomiar lub sterowanie, i mogą być zoptymalizowane pod kątem bardzo małego poboru energii. Ich charakterystyka obejmuje:

   • Zasilanie bateryjne: Większość ZED jest zaprojektowana do pracy przez lata na małej baterii. Przykłady to bezprzewodowe czujniki drzwi/okien, czujniki ruchu i piloty zasilane bateryjnie.
   • Brak funkcji routingu: Urządzenie końcowe nie przekazuje wiadomości dla innych urządzeń. Komunikuje się ze swoim węzłem nadrzędnym, którym jest koordynator lub pobliski router.
   • Tryb uśpienia: ZED może przez większość czasu pozostawać uśpiony. Budzi się, aby wysłać pomiar, na przykład informację, że otwarto okno, albo sprawdzić u rodzica oczekujące wiadomości. Częstotliwość odpytywania i timeout rodzica wpływają na zużycie energii oraz utrzymanie wpisu urządzenia w sieci.

Warstwa aplikacji, profile i klastry

Utworzenie sieci zapewnia transport ramek. Urządzenia różnych producentów potrzebują również wspólnego języka aplikacyjnego. Taki język określa znaczenie poleceń "włącz", "przyciemnij do 50%" i "raportuj temperaturę". Zigbee buduje warstwę aplikacji wokół profili, klastrów i punktów końcowych.

1. Klastry: bloki budujące funkcjonalność

   Klaster to standardowy zestaw poleceń i atrybutów, czyli wartości danych, które opisują jedną funkcję. Jest to wielokrotnie używany blok funkcjonalności. Na przykład:

   • Klaster On/Off zawiera polecenia takie jak Włącz, Wyłącz i Przełącz oraz atrybut przechowujący aktualny stan włączenia lub wyłączenia. Typowe inteligentne gniazdko i żarówka implementują ten klaster.
   • Klaster Kontroli Poziomu służy do ściemniania. Zawiera polecenia takie jak Przejdź do Poziomu, Zwiększ o Krok i Zmniejsz o Krok oraz atrybut dla aktualnego poziomu jasności.
   • Klaster Pomiaru Temperatury ma atrybut tylko do odczytu, który raportuje aktualnie zmierzoną temperaturę.
2. Punkty końcowe: wirtualne urządzenia na urządzeniu fizycznym

   Pojedyncze urządzenie fizyczne może mieć wiele funkcji. Na przykład inteligentna listwa zasilająca może sterować trzema oddzielnymi gniazdkami i monitorować zużycie energii każdego z nich. W Zigbee każda z tych odrębnych funkcji jest reprezentowana przez Punkt Końcowy. Listwa zasilająca miałaby co najmniej trzy punkty końcowe, każdy implementujący klaster On/Off, co pozwala na niezależne sterowanie każdym gniazdkiem. Zapewnia to przejrzysty sposób modelowania złożonych urządzeń.

3. Profile: zbiór zasad dla interoperacyjności

   Profil opisuje zestaw typów urządzeń i wymaganych klastrów dla określonego rynku lub zastosowania. Może określać między innymi typ ściemnialnego światła i czujnika ruchu oraz funkcje wymagane dla każdego typu. Historycznie istniało kilka konkurujących profili:

   • Zigbee Home Automation (ZHA): Kompleksowy profil dla różnych urządzeń inteligentnego domu, takich jak czujniki, światła i termostaty.
   • Zigbee Light Link (ZLL): Uproszczony profil skoncentrowany specjalnie na produktach oświetleniowych, umożliwiający funkcje takie jak łatwe parowanie przez dotyk.

   Różne profile utrudniały dobór urządzeń. Żarówka certyfikowana dla ZLL mogła nie obsługiwać zestawu funkcji oczekiwanego przez hub zgodny z ZHA. Zigbee Alliance wprowadziło Zigbee 3.0, aby ujednolicić podstawowe zachowanie urządzeń i model aplikacyjny.

Zigbee 3.0 i interoperacyjność

Zigbee 3.0 ujednolica podstawowe zachowanie urządzeń i warstwę aplikacji, odpowiadając na problemy wynikające z wielu wcześniejszych profili. Nie jest nową technologią radiową. Jest zestawem zasad warstwy aplikacji, który wykorzystuje wspólne elementy profili takich jak ZHA i ZLL oraz opiera interoperacyjność na typach urządzeń, klastrach i procesie certyfikacji.

Certyfikacja Zigbee 3.0 potwierdza zgodność z określonym zakresem wymagań. Wspólne klastry i typy urządzeń ułatwiają współpracę, lecz konkretna funkcja zależy od obsługiwanego zestawu klastrów, rozszerzeń producenta, wersji oraz procedury uruchomienia (commissioning). Zigbee 3.0 wykorzystuje również bezpieczeństwo na dwóch poziomach. AES-128-CCM zapewnia uwierzytelnianie i poufność na poziomie sieci oraz APS, a dystrybucja kluczy zależy od modelu bezpieczeństwa i roli Trust Center. Warstwa sieciowa chroni komunikację kluczem sieciowym, a warstwa APS może używać kluczy łączy APS do ochrony relacji warstwy wsparcia aplikacji. Zgodność z tym zakresem pozwala oceniać interoperacyjność konkretnego zestawu urządzeń bez obietnicy automatycznej współpracy każdego produktu z każdym innym.