Zigbee

A Zigbee egy vezeték nélküli kommunikációs protokoll, amelyet olyan kis fogyasztású eszközökhöz terveztek, amelyek kis hatótávolságú, alacsony adatátviteli sebességű kommunikációt igényelnek. A Zigbee az IEEE 802.15.4 szabvány szerint működik, és a 2,4 GHz-es frekvenciasávot használja. A protokoll egyszerű, megbízható és biztonságos, így ideális az okosotthonban való alkalmazásokhoz.

A Zigbee protokoll története

A Zigbee protokollt azért hozta létre a 2002-ben alapított Zigbee Alliance, hogy az egységes, alacsony fogyasztású alternatívát adjon a kommunikációra az okosotthonok és az ipari automatizálás terén. A szövetség alapítói között szerepeltek olyan nagyvállalatok, mint a Honeywell, a Philips és a Mitsubishi Electric.

A Zigbee protokoll tulajdonosa a Zigbee Alliance 2020-as átalakulásával a Connectivity Standards Alliance lett, amely egy non-profit szabványügyi szervezet (SDO). A szövetség felel a Zigbee szabvány folyamatos fejlesztéséért és a Zigbee eszközök minősítéséért.

Az első Zigbee protokollt 2004-ben véglegesítették és került a piacra. Azóta több verzió is kiadott a szövetség, amelyek mindegyike új funkciókat és javításokat tartalmazott. Aktuális változata, a Zigbee 3.0, 2016-ban jelent meg.

Mik azok a koordinátor eszközök, útválasztó eszközök és végeszközök?

Zigbee hálózatban háromféle eszköz létezik:

• Koordinátor eszközök (coordinator): Ezek felelősek a hálózat kialakításáért és kezeléséért. A legtöbbször maga az okosotthon központ tölti be a koordinátor szerepét.
• Útválasztó eszközök (router): Ezek az eszközök közvetítőként működnek a hálózatban lévő többi eszköz között. Ezek az állandó tápellátású eszközök, mint a redőnyvezérlők, okos izzók, dugaljak és kapcsolók.
• Végponti eszközök (end-point device): Alacsony fogyasztású, elemről vagy akkumulátorról működő eszközök, amelyek a hálózat más eszközeivel kommunikálnak.

A zigbee topológiája

A Zigbee hálózatok három különböző topológiába szervezhetők:

• MESH (háló) topológia: Ebben a topológiában minden eszköz kommunikálhat a hálózat bármely más eszközével köztes csomópontokon keresztül. Az esetleges távolságot útválasztókon és koordinátoron keresztül küzdhetik le.
• Csillag topológia: Ebben a topológiában minden eszköz egy központi koordinátor eszközzel kommunikál közvetlenül. Tipikusan a Zigbee PRO hálózatokra jellemző.
• Fa topológia: Ebben a topológiában az eszközök hierarchikus struktúrába vannak rendezve, egy koordinátorral a tetején.

Mi az OSI modell, hogyan illeszkedik bele a Zigbee?

Az Open Systems Interconnection (OSI) modell egy olyan fogalmi keretrendszer, amely leírja, hogyan történik az adatkommunikáció a különböző rendszerek között. Az OSI modell hét rétegből áll, amelyek mindegyike egy adott funkcióért felelős. A Zigbee protokoll az alábbiak szerint illeszkedik az OSI modellbe:

• Fizikai réteg: Ez a réteg határozza meg a Zigbee által használt vezeték nélküli kommunikációs csatorna fizikai jellemzőit. A Zigbee az IEEE 802.15.4 szabványban meghatározottak szerint használja az adatátviteli közeget. 2,4GHz-en elenyésző teljesítménnyel sugároz, a kommunikációhoz bőségesen elegendő sávszélességet felhasználva, csak úgy, mint a Thread és a Bluetooth protokoll. A Wi-Fi és Bluetooth eszközök is a 2,4-2,4835 GHz közötti frekvenciatartományokat használják.
• Adatkapcsolati réteg: Ez a réteg határozza meg a Zigbee adatfolyamának szerkezetét, az eszközök közötti protokoll nyelvezetét.
• Hálózati réteg: Ez a réteg kezeli a hálózati topológiát és az eszközök közötti útválasztást.
• Alkalmazási réteg: Az eszközökhöz társítható szerepek, vagy a felhasználók által irányítható funkciók meghatározása ezen a szinten megy végbe.

Hogyan építhetünk fel egy stabil Zigbee hálózatot?

A stabil Zigbee hálózat felépítése gondos tervezést igényel. Néhány tipp a stabil hálózat biztosításához:

• Válasszunk megfelelő hardvert: A megbízható kommunikáció érdekében használjon olyan megbízható hardvert, amely támogatja a Zigbee 3.0 protokollt.
• Tervezzük meg a hálózati topológiát: Arról mindig gondoskodnunk kell, hogy a ház legtávolabbi sarkában is megfelelő legyen a Zigbee jel. Ezt úgy biztosíthatjuk, hogy az útválasztó eszközöket egyenletesen elosztva helyezzük el az otthonunkban. Ebben segítségünkre lehetnek a redőny és villanykapcsolók, dugaljak. Ezek biztosítják, hogy a legtávolabbi sarokban lévő végponti eszközök is megfelelő távolságban találjanak útválasztó eszközöket.
• Válasszuk ki a csatornát: Úgy kell megfelelő csatornát választanunk, hogy elkerülje a többi vezeték nélküli hálózat okozta interferenciát.

A Zigbee erősségei

• Nyílt szabvány: A Zigbee egy nyílt (open-source) szabvány, amelyet a Connectivity Standards Alliance (CSA) felügyel. Ez szélesebb körű fejlesztést és nagyobb piaci versenyt eredményez, ami alacsonyabb eszközárakhoz vezethet.
• Kiterjesztett hatótávolság (MESH háló): A háló (MESH) topológia lehetővé teszi, hogy az állandó tápellátású eszközök (útválasztók) továbbítsák a jeleket, így a hálózat hatótávolsága nagymértékben kiterjeszthető, lefedve akár nagy ingatlanokat is.
• Alacsony energiafogyasztás: Kifejezetten a hosszú akkumulátor-élettartamra tervezték, így az elemmel működő érzékelők (pl. mozgásérzékelők, hőmérők) akár évekig is működhetnek elemcsere nélkül.
• Nagy hálózati kapacitás: Egy Zigbee hálózat elméletileg akár 65 000 eszközt is támogathat, bár a gyakorlatban ez a szám a koordinátor képességeitől függ. Ez elegendő nagy méretű ipari vagy épületautomatizálási projektekhez is.
• Átjárhatóság: A Zigbee 3.0 egységesíti a profilokat, biztosítva, hogy a tanúsított eszközök együtt működjenek.

A Zigbee gyengeségei

• Interferencia a Wi-Fi-vel: A Zigbee a széles körben használt 2,4 GHz-es frekvenciasávot használja, ami azonos a Wi-Fi-vel és a Bluetooth-tal. Ez interferenciát okozhat, ha a Wi-Fi útválasztó és a Zigbee hálózat ugyanazon vagy egy átfedő csatornán működik.
• Alacsonyabb adatátviteli sebesség: Az adatátviteli sebesség (max. 250 kbit/s) szándékosan alacsony, mivel az energiahatékonyság volt a fő szempont. Videó vagy nagy mennyiségű adat átvitelére nem alkalmas.
• Központi koordinátor szükségessége: A hálózat felépítéséhez és működéséhez mindig szükség van egy központi koordinátorra (okosotthon központra). A végponti eszközök nem tudnak közvetlenül kommunikálni például egy okostelefonnal.
• Kompatibilitási kihívások régebbi verziók esetén: Bár a Zigbee 3.0 javított az egységesítésen, a régebbi, különböző „profilokat” használó Zigbee eszközök (pl. Zigbee Home Automation, Zigbee Light Link) néha kompatibilitási problémákat okozhatnak, ha különböző gyártóktól származnak.