V posledných rokoch došlo k explózii v oblasti chytrých domácich zariadení.

Terminológie ako „domáca automatizácia“, ktorá sa používala v minulosti, alebo „internet vecí“ (IoT), s ktorými sa stretávame v dnešnej dobe znamenajú rovnakú vec – systém pre inteligentný dom.

V každej domácnosti je možné automatizovať vykurovanie, ovládať osvetlenie, integrovať zabezpečenie, použiť rôzne senzory pre rôzne účely a integrovať mnoho iných aspektov.

Čím ďalej, tým viac zariadení prichádza na trh s rovnakým cieľom – aby ste mali možnosť vybudovať inteligentný dom.

Počas posledných rokov trend v oblasti domácej automatizácie sa zmenil z pozície nezávislých a samostatných systémov na svet integrovaných riešení s riadiacou a ovládacou jednotkou.

Hlavný boom zažili zariadenia slúžiace na hlasové ovládanie ako sú Google Home, Apple Homekit a Amazon Alexa. Práve vďaka hlasovým asistentom máme v dnešnej dobe zariadenia (ako napr. termostaty a zástrčky) ako aj centrálne jednotky (Fibaro Home Center 3, Homey,…), ktoré je možné spojiť a ovládať spoločne.

Akú úlohu zohráva ZigBee v dnešnej domácej revolúcii? My vám to v dnešnom článku vysvetlíme.

Spoločný cieľ – inteligentné bývanie

Celá myšlienka a logika inteligentného bývania spočíva v tom, že všetky zariadenia komunikujú navzájom ako aj s vami, aby ste vždy boli v obraze a mali informácie o stave vášho domu.

Pomocou vzájomnej komunikácie medzi pohybovým senzorom a osvetlením sa vám svetlo zapne keď zaznamená pohyb, ale iba v určitom čase, alebo za určitých podmienok. Prípadne sa váš inteligentný kávovar zapne práve vtedy, keď ste vstali z postele aby ste mali čerstvú kávu práve v hodnej chvíli.

Všetky tieto chytré zariadenia, ktoré sme v predchádzajúcej kapitole pomenovali Internet vecí (IoT), slúžia na vybudovanie inteligentného bývania, kde je všetko prepojené, informácie sa zdieľajú medzi jednotlivými zariadeniami a všetko je dostupné pre vás.

Výsledok? Automatické systémy a všetky zariadenia ako celok vám slúžia, aby ste mali komfortné bývanie bez nutnosti fyzickej zásahy.

Je tu však jeden problém: existuje veľa spoločností, ktoré vyrábajú rôzne zariadenia pre rôzne účely a tie účely nemusia byť vždy rovnaké.

Takže ak chcete, aby rôzne zariadenia spolupracovali v jednej sieti, musíte použiť spoločný komunikačný jazyk. Tu prichádza Zigbee.

Definícia ZigBee

ZigBee je bezdrôtová technológia, ktorá bola vyvinutá ako otvorený globálny štandard slúžiaci na nízkonákladovú a nízko-energetickú bezdrôtovú komunikáciu medzi zariadeniami.

ZigBee ako štandard je založený na IEEE 802.15.4 rádiovej špecifikácie a funguje na nelicenciovaných rádiových vlnách vrátane 2,4GHz, 900MHz a 868MHz. 802.15.4 špecifikácia funguje na základe ratifikácie od Inštitútu inžinierov elektrotechniky a elektroniky (IEEE – Institute of Electrical and Electronics Engineers) od roku 2003.

802.15.4 špecifikácia je založená na rádiových balíčkoch určených pre zariadenia s nízkymi výrobnými nákladmi, napájaných z batérie. Technológia umožňuje zariadeniam komunikovať v rôznych sieťových topológiách pri zachovaní životnosti batérie až niekoľko rokov.

ZigBee teda bola vyvinutá na vytváranie domácich sietí s nízko-energetickými zariadeniami pre účely ako sú automatizácia domácnosti, zhromažďovanie údajov o zdravotníckych zariadeniach a iné projekty malého rozsahu, ktoré vyžadujú bezdrôtové pripojenie. Je to bezdrôtová ad-hoc sieť s nízkym príkonom, nízkou rýchlosťou prenosu dát a s obmedzením dosahom (vhodný pre personálne účely).

História ZigBee

ZigBee 2006 prinášala nasledovné aplikačné profily (známe ako klastre):

• Home Automation – domáca automatizácia
• Smart Energy – monitorovanie energie
• Commercial Building Automation – automatizácia kancelárskych budov
• Telecom Application – použitie v telekomunikácie
• Health Care – použitie v zdravotníctve
• Retail – použitie v obchodoch
• ZigBee Light Link – ovládanie osvetlenia

Všetky ZigBee Pro zariadenia je možné pripojiť na staršiu sieť a naopak tým sa zachovala spätná kompatibilita so staršou špecifikáciou. Má to však aj jeden háčik:

Z dôvodu rozdielov v možnostiach smerovania dátových balíčkov (funkcia opakovania) zariadenia ZigBee Pro sa musia stať nesmerovanými koncovými zariadeniami v starej ZigBee siete (ZED – ZigBee End Device – zariadenie, ktoré nefungujú ako opakovač) a staršie zariadenia ZigBee sa musia stať nesmerovanými koncovými zariadeniami v sieti ZigBee Pro.

V januári 2017 Aliancia ZigBee premenovala knižnicu príkazov na Dotdot a oznámila, že ide o nový protokol. Aliancia tiež oznámila začiatok používania iných typov sietí pomocou internetového protokolu a plánované prepojenie s inými normami, ako je napríklad Thread. Od svojho uvedenia na trh Dotdot funguje ako predvolená aplikačná vrstva pre takmer všetky ZigBee zariadenia.

Aliancia ZigBee

Aliancia ZigBee bola založená v roku 2002. Je to zoskupenie spoločností, ktoré sú zodpovedné za vývoj a uvedenie štandardu na trh.

Názov ZigBee je registrovaná ochranná známka a nejedná sa o jediný technický štandard, ale o aplikačné profily. Aliancia zverejňuje tieto aplikačné profily, ktoré umožňujú výrobcom a predajcom vytvárať produkty, ktoré vzájomne komunikujú.

Aliancia sa vďaka svojmu úspechu rozrástla a momentálne má viac ako 500 členov vrátane tých najznámejších ako sú: Philips, Ikea, Legrand, Amazon a Samsung SmartThings.

Výhody ZigBee

Technológia ZigBee má byť jednoduchšia a lacnejšia ako iné bezdrôtové osobné siete (WPAN – wireless personal area network), ako napríklad Bluetooth, alebo všeobecnejšie bezdrôtové siete, ako je Wi-Fi. Typické aplikačné oblasti sú bezdrôtové vypínače svetiel, merače a monitory spotreby domácej energie, systémy riadenia vykurovania a ďalšie spotrebné a priemyselné zariadenia, ktoré si vyžadujú bezdrôtový prenos dát s nízkym dosahom.

Jeho nízka spotreba energie obmedzuje priame prenosové vzdialenosti na 10 až 100 metrov, v závislosti od výkonu a charakteristík prostredia. Ako každá bezdrôtová technológia, nie je jedno, či rádiové vlny majú prechádzať v otvorenom priestranstve (kde dosah môže byť až 100 – 150m), alebo vo vnútri budovy (s dosahom od 10 do 35m).

Zariadenia s touto technológiou však môžu prenášať dáta aj na väčšie vzdialenosti tak, že každé prichádzajúce dáta v podobe dátových balíčkov posielajú ďalej. Tomu sa hovorí mesh networking a pre domácu automatizáciu má oveľa väčší význam, ako napr. technológia Bluetooth, kde dáta sa posiela výlučne medzi koncovými zariadeniami na báze od-bodu-do-bodu (point-to-point).

ZigBee siete sú zabezpečené 128 bitovými symetrickými šifrovacími kľúčmi a majú definovanú rýchlosť do 250 kbit/s, ktorá sa najlepšie hodí pre prenos údajov zo senzora, spínačov, zámkov a iných drobných zariadení.

Čo je mesh network?

Mesh network je taká sieť, kde sieťové prepojenie je rozložené medzi bezdrôtovými uzlami, ktoré môžu navzájom komunikovať a zdieľať sieťové pripojenie aj na väčšie vzdialenosti.

Každý z tých uzlov funguje ako opakovač / smerovač, ktorý dokáže prijaté bezdrôtové informácie v podobe balíčkoch posielať ďalej.

Pomocou mesh networkingu môžete vytvoriť takú sieť, kde niektoré koncové zariadenia (uzly) sa priamo nevidia ale sú stále schopné komunikovať cez ďalšie uzly. Platí zlaté pravidlo, že čím viac uzlov v sieti máte, tým máte stabilnejšiu sieť.

Nato, aby taká sieť dokázala fungovať, potrebujete jeden hlavný koordinátor v podobe centrálnej jednotky. Centrálna jednotka dokáže pridávať, odobrať a manažovať uzly a vytvára komunikačné cesty medzi uzlami v sieti (sieťovú mapu).

Ďalšou výhodou takej štruktúry siete je v tom, že ak jeden uzol z nejakého dôvodu zlyhá a nemôže komunikovať s druhým uzlom v sieti, ten druhý uzol pomocou koordinátora vie komunikovať s ďalším uzlom v dosahu.

Zigbee technológia podporuje až 65 000 uzlov v jednej sieti. Je to ďaleko viac, ako budete kedykoľvek potrebovať pre vaše bývanie.

Niekoľko viet o hardvéri

Keďže neexistuje jediný výrobca čipov, výroba samotného čipu je relatívne lacná záležitosť. To však vôbec nezaručuje, že čip osadený v produkte dokáže spolupracovať s inými produktmi.

Práve preto je potrebný daný produkt certifikovať podľa Aliancie. Počas certifikácie sa uskutoční  úplná validácia požiadaviek na fyzickú vrstvu.

Prečo je to dôležité?

Neoverená fyzická vrstva v prípade zlyhania by mohla mať negatívny dopad na celú sieť. Keďže ZigBee má veľmi prísne obmedzenia ohľadom k výkonu a šírky pásma, zlyhanie by mohlo spôsobiť skrátenie životnosti batérií v ostatných zariadeniach v sieti. Práve preto overenie fyzickej vrstvy rádia sa testuje podľa článku 6 normy 802.15.4-2006.

Norma 802.15.4-2006 špecifikuje prevádzku v nelicencovaných pásmach 2,4 až 2,4835 GHz (celosvetovo), 902 až 928 MHz (v Amerike a v Austrálie) a 868 až 868,6 MHz (v Európe). V pásme 2,4 GHz je pridelených 16 kanálov, ktoré síce sú od seba vzdialené 5 MHz, používajú iba 2 MHz šírku pásma.

Rádiová technológia používa techniku priameho sekvenčného kódovania (direct-sequence spread spectrum coding), ktorá je riadená digitálnym tokom do modulátora. V pásmach 868 a 915 MHz sa používa binárna frekvenčná modulácia (BPSK – Binary phase-shift keying) a v pásme 2,4 GHz sa používa posunutá kvadratúra fázovej modulácie (OQPSK – offset quadrature phase-shift keying), ktorá vysiela dva bity na symbol.

Teoretická prenosová rýchlosť je 250 kbit/s na kanál v pásme 2,4 GHz, 40 kbit/s na kanál v pásme 915 MHz a 20 kbit/s na kanál v pásme 868 MHz. Skutočná prenosová rýchlosť je nižšia kvôli režijným prirážkam v paketoch a oneskoreniam pri spracovaní.

Dosah rádiového signálu 2,4 GHz vo vnútri budovy je niekde medzi 10–20 m, v závislosti od použitých stavebných materiálov v budove, od počtu stien, cez ktoré signál prechádza a od výstupného výkonu vysielacej antény.

Vonku v otvorenom priestranstve môže byť dosah až 1500 m v závislosti od výkonu antény a od prostredia.

Typy ZigBee zariadení a štruktúra siete

V rámci jednej siete špecifikácia podporuje jedného koordinátora (centrálnu riadiacu jednotku), viac smerovačov a viac koncových zariadení.

Koordinátor (ZC)

ZigBee Koordinátor (ZC – ZigBee coordinator) je smerovač (router) s niektorými ďalšími funkciami a používa pevne zakódovanú sieťovú adresu 0x0000.

Koordinátor je zodpovedný za:

• vytvorenie centralizovanej siete.
• výber vhodného komunikačného kanálu po skenovaní dostupných kanálov.
• výber rozšíreného PAN ID (Personal Area Network ID).

Zodpovednosti koordinátora sú centrum dôveryhodnosti (trust center) a správca siete (network manager). Centrum dôveryhodnosti je zodpovedné za bezpečnostné nastavenia a  autorizácie pre sieť.

Správca siete monitoruje a opravuje problémy so sieťou, rieši konflikty PAN ID a v prípade rušenia mení komunikačný kanál. Tieto nastavenia rieši buď vývojár aplikácie centrálnej jednotky, alebo sú zabezpečené cez aplikačnú vrstvu napr. v ZigBee 3.0.

Smerovač (ZR)

Zigbee smerovače (ZR – ZigBee Routers) poskytujú smerovacie služby pre sieťové uzly. Smerovače môžu slúžiť aj ako koncové zariadenia (popísané v bode nižšie).

Na rozdiel od koncových zariadení však smerovače nie sú určené na spánok (nemôžu byť batériové zariadenia) a musia byť trvalo zapnuté počas existencie siete.

Koncové zariadenia (ZED)

ZigBee koncové zariadenia (ZED – ZigBee End Device) sú koncové uzly. Komunikujú iba prostredníctvom svojich bezprostredných smerovačov a na rozdiel od smerovačov nedokážu smerovať správy určené pre iné uzly.

Existujú dva typy koncových zariadení:

ZigBee aplikačné profily

Aplikačné profily boli vyvinuté pre špecifikáciu obsahu bezdrôtových správ za špecifickým účelom. Pred uvedením Zigbee 3.0, aplikačné profily obsahovali všetky príkazové správy, pomocou ktorých zariadenia rovnakých aplikačných profilov dokázali komunikovať.

Vzhľadom nato, že jednotlivé aplikačné profily obsahovali rôznu štruktúru príkazových správ, zariadenia, ktoré neboli vyvinuté na základe rovnakých aplikačných profilov, nedokázali komunikovať navzájom.

Pred uvedením ZigBee 3.0 existovali nasledovné aplikačné profily:

ZigBee 3.0

Keďže technológia od začiatku definovala rôzne aplikačné profily, ktoré nespolupracovali, často krát sa stalo, že konečný spotrebitelia boli nespokojný, keďže ich ZigBee kompatibilné zariadenie nedokázal spolupracovať s iným ZigBee zariadením. Veď je to tiež ZigBee, nie? Ako sme vás informovali vyššie, tak to veru nie je.

Práve v snahe zjednotiť aspoň tie aplikačné profily, ktoré spolu so sebou súvisia, Aliancia uviedla nový protokol ZigBee 3.0.

Nový protokol bol navrhnutý na úspešné posielanie dát v takých prostrediach, kde je vysoká rádiová interferencia (typické pre rezidenčné, komerčné a priemyselné aplikácie) hlavne kvôli technológiám WiFi a Bluetooth.

Vychádza z existujúceho štandardu, ale zjednocuje niektoré aplikačné profily špecifické pre tieto trhy, aby umožňoval bezdrôtové pripojenie všetkých zariadení v rovnakej sieti bez ohľadu na ich označenie a funkciu. Certifikačná schéma ZigBee 3.0 zabezpečuje interoperabilitu produktov od rôznych výrobcov.

Pripojenie sietí ZigBee 3.0 k IP doméne umožňuje priame monitorovanie a kontrolu zo zariadení – ako sú smartfóny a tablety – v sieti LAN alebo WAN vrátane internetu.

Spätná kompatibilita znamená, že existujúce zariadenia, ktoré boli vyvinuté a založené na báze aplikačných profilov Zigbee Light Link 1.0 a Home Automation 1.2, je možné integrovať do systému Zigbee 3.0.

Aplikačný profil Smart Energy je iba čiastočne kompatibilný so Zigbee 3.0 na funkčnej úrovni, keďže Smart Energy má ďalšie bezpečnostné požiadavky, ktoré sú riešené iba v danom profile.

Kľúčové vlastnosti ZigBee protokolu

Typické aplikácie s technológiou ZigBee

Komunikačná technológia umožňuje rozsiahle nasadenie bezdrôtových sietí pomocou lacných a nízkoenergetických riešení. Sem partia batériové zariadenia pre celý rad monitorovacích a riadiacich aplikácií, ktoré tak môžu fungovať niekoľko rokov.

Typické aplikácie systémov pomocou danej rádiovej technológie sú v oblastiach:

• Inteligentnej energie a distribúcie energie
• Automatizácie meranie energie (AMR – Automatic Meter Reading)
• Ovládania a automatizácie osvetlenia
• Automatizácie budov
• Monitorovanie nádrží
• Ovládania vykurovacích a chladiacich systémoch
• Zdravotníctva a lekárskych prístrojoch
• Manažovania flotily

ZigBee zariadenia v našom portfóliu