Čo Je ZigBee A Aký Má Prínos Pre Inteligentnú Domácnosť? - Koti.sk - Inteligentná Domácnosť (2024)

Vposledných rokoch došlo kexplózii v oblastichytrých domácich zariadení.

Terminológie ako „domáca automatizácia“, ktorá sa používala vminulosti, alebo „internet vecí“ (IoT), sktorými sa stretávame vdnešnej dobe znamenajú rovnakú vec – systém pre inteligentný dom.

Vkaždej domácnosti je možné automatizovať vykurovanie, ovládať osvetlenie, integrovať zabezpečenie, použiť rôzne senzory pre rôzne účely aintegrovať mnoho iných aspektov.

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

Počas posledných rokov trend voblasti domácejautomatizácie sa zmenil zpozície nezávislých asamostatných systémovna svet integrovaných riešení sriadiacou a ovládacou jednotkou.

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

Akú úlohu zohráva ZigBeevdnešnej domácej revolúcii? My vám to vdnešnom článku vysvetlíme.

Spoločný cieľ – inteligentné bývanie

Celá myšlienka alogika inteligentného bývania spočíva vtom, že všetky zariadenia komunikujú navzájom ako aj svami, aby ste vždy boli vobraze a mali informácie ostave vášho domu.

Pomocou vzájomnej komunikácie medzi pohybovým senzoromaosvetlením sa vám svetlo zapne keď zaznamená pohyb, ale ibavurčitom čase, alebo za určitých podmienok. Prípadne sa váš inteligentnýkávovar zapne práve vtedy, keď ste vstali zpostele aby ste mali čerstvúkávu práve vhodnej chvíli.

Všetky tieto chytré zariadenia, ktoré smevpredchádzajúcej kapitole pomenovali Internet vecí (IoT), slúžia navybudovanie inteligentného bývania, kde je všetko prepojené, informácie sazdieľajú medzi jednotlivými zariadeniami avšetko je dostupné pre vás.

Výsledok? Automatické systémy avšetky zariadenia akocelok vám slúžia, aby ste mali komfortné bývanie bez nutnosti fyzickej zásahy.

Je tu však jeden problém: existuje veľa spoločností, ktorévyrábajú rôzne zariadenia pre rôzne účely atie účely nemusia byť vždyrovnaké.

Takže ak chcete, aby rôzne zariadenia spolupracovali vjednej 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 anízko-energetickú bezdrôtovú komunikáciu medzi zariadeniami.

ZigBee ako štandard je založený na IEEE 802.15.4 rádiovej špecifikácie afunguje na nelicenciovaných rádiových vlnách vrátane 2,4GHz, 900MHz a868MHz. 802.15.4 špecifikácia funguje na základe ratifikácie od Inštitútu inžinierov elektrotechniky aelektroniky (IEEE – Institute of Electrical and Electronics Engineers) od roku 2003.

802.15.4 špecifikácia je založená na rádiových balíčkoch určených pre zariadenia snízkymi 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 snízko-energetickými zariadeniami pre účely ako sú automatizácia domácnosti, zhromažďovanie údajov o zdravotníckych zariadeniach ainé projekty malého rozsahu, ktoré vyžadujú bezdrôtové pripojenie. Je to bezdrôtová ad-hoc sieť s nízkym príkonom, nízkou rýchlosťou prenosu dát asobmedzením dosahom (vhodný pre personálne účely).

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

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

Všetky ZigBee Pro zariadenia je možné pripojiť na staršiu sieť anaopak 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 aplánované 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 auvedenie štandardu na trh.

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

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

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 votvorenom 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 vpodobe dátových balíčkov posielajú ďalej. Tomu sa hovorí mesh networking apre 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 amajú definovanú rýchlosť do 250 kbit/s, ktorá sa najlepšie hodí pre prenos údajov zo senzora, spínačov, zámkov ainých drobných zariadení.

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

Každý ztých uzlov funguje ako opakovač / smerovač,ktorý dokáže prijaté bezdrôtové informácie vpodobe balíčkoch posielaťďalej.

Pomocou meshnetworkingu 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 uzlovvsieti máte, tým máte stabilnejšiu sieť.

Nato, aby taká sieť dokázala fungovať, potrebujete jedenhlavný koordinátor vpodobe centrálnej jednotky. Centrálna jednotka dokážepridávať, odobrať amanažovať uzly avytvára komunikačné cesty medziuzlami vsieti (sieťovú mapu).

Ďalšou výhodou takej štruktúry siete je vtom, že akjeden uzol z nejakého dôvodu zlyhá a nemôže komunikovať s druhým uzlom v sieti,ten druhý uzol pomocou koordinátora vie komunikovať sďalším uzlom vdosahu.

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

Niekoľko viet ohardvéri

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

Práve preto je potrebný daný produkt certifikovať podľaAliancie. Počas certifikácie sa uskutočníúplná validácia požiadaviek na fyzickú vrstvu.

Prečo je to dôležité?

Neoverená fyzická vrstva vprípade 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 vsieti. 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 av 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) av 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 pásme2,4 GHz, 40 kbit/s na kanál v pásme 915 MHz a 20 kbit/s na kanál v pásme 868MHz. Skutočná prenosová rýchlosť je nižšia kvôli režijným prirážkam v paketocha oneskoreniam pri spracovaní.

Dosah rádiového signálu 2,4 GHz vo vnútri budovy je niekdemedzi 10–20 m, v závislosti od použitých stavebných materiálov v budove, odpočtu stien, cez ktoré signál prechádza aod výstupného výkonu vysielacejantény.

Vonku votvorenom priestranstve môže byť dosah až 1500 m v závislosti od výkonu antény aod prostredia.

Typy ZigBee zariadení aštruktúra 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:

• vytvoreniecentralizovanej siete.
• výber vhodnéhokomunikačného kanálu po skenovaní dostupných kanálov.
• výber rozšíreného PANID (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 avprípade rušenia mení komunikačný kanál.Tieto nastavenia rieši buď vývojár aplikácie centrálnej jednotky, alebo súzabezpečené cez aplikačnú vrstvu napr. vZigBee 3.0.

Smerovač (ZR)

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

Na rozdiel od koncových zariadení však smerovače nie súurčené na spánok (nemôžu byť batériové zariadenia) amusia byť trvalozapnuté 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 obsahovalirôznu štruktúru príkazových správ, zariadenia, ktoré neboli vyvinuté na základerovnakých aplikačných profilov, nedokázali komunikovať navzájom.

Pred uvedením ZigBee 3.0 existovali nasledovné aplikačnéprofily:

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 siným ZigBee zariadením. Veď je to tiež ZigBee, nie? Ako sme vás informovali vyššie, tak to veru nie je.

Práve vsnahe 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 vtakých prostrediach, kde je vysoká rádiová interferencia (typické pre rezidenčné, komerčné a priemyselné aplikácie) hlavne kvôli technológiám WiFi aBluetooth.

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 kIP doméne umožňuje priamemonitorovanie a kontrolu zo zariadení – ako sú smartfóny a tablety – v sietiLAN alebo WAN vrátane internetu.

Spätná kompatibilita znamená, že existujúce zariadenia, ktoré boli vyvinuté azaložené 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 kompatibilnýso Zigbee 3.0 na funkčnej úrovni, keďže Smart Energy má ďalšie bezpečnostnépožiadavky, ktoré sú riešené iba vdanom 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 voblastiach:

• Inteligentnej energiea distribúcie energie
• Automatizácie meranieenergie (AMR – Automatic Meter Reading)
• Ovládaniaaautomatizácie osvetlenia
• Automatizácie budov
• Monitorovanie nádrží
• Ovládania vykurovacíchachladiacich systémoch
• Zdravotníctvaalekárskych prístrojoch
• Manažovania flotily

ZigBee zariadenia vnašom portfóliu