Технология Zigbee в умном доме: компоненты, частота, каналы

Zigbee – основной протокол связи в умном доме Xiaomi. Он построен на стандарте IEEE 802.15.4, имеет низкое потребление, невысокую стоимость чипов (в 2 раза ниже Bluetooth), скорость передачи данных до 250 кб/с и поддерживает различные топологии сети – точка-точка, звезда и mesh.

Благодаря низкому энергопотреблению можно надолго забыть о замене батарейки. Например, большинство датчиков в умном доме Xiaomi могут работать до двух лет от одной CR2032 батарейки. А низкая стоимость чипов позволяет выпускать максимально доступные устройства.

А некоторые устройства вообще могут работать без батареек. Например, Legrand совместно с CEA объявили о запуске полностью автономных Zigbee-выключателей. Тут все просто – благодаря низкому энергопотреблению, выключателю для работы достаточно той энергии, которая получается путем нажатия на клавишу. Нет батареек, нет и необходимости в их постоянной замене.

Построение сетей происходит по ячеистой (mesh) топологии, когда множество элементов системы связаны между собой, благодаря чему обрыв связи между отдельными узлами не влияет на работу системы в целом, данные продолжат передаваться, но уже другим путем.

Расстояние передачи данных в Zigbee, как и в случае с другими сетями зависит от количества преград и их материала и может составлять десятки метров в помещениях и сотни на открытом воздухе, но благодаря использованию ячеистой топологии покрываемая зона может быть куда больших размеров.

Используемые частоты и каналы Zigbee

Сети Зигби могут работать в трех частотных диапазонах: 868 и 915 МГц, а также в частотном диапазоне 2.4 ГГц, который и используется в большинстве стран мира. На 868 МГц доступен один канал, на 915 МГц – десять, а на 2.4 ГГц – 16 каналов:

Все Зигби устройства Xiaomi, Aqara и других популярных производителей работают в диапазоне 2.4 ГГц. В нем же, как мы знаем, работает и Wi-Fi, и Bluetooth, и множество других беспроводных сетей. Что это значит? При пересечении каналов Zigbee и Wi-Fi начнут мешать друг другу. На картинке ниже показаны первый, шестой и одиннадцатый (непересекающиеся) каналы Wi-Fi, а также все 16 каналов Зигби.

Как видим, большинство каналов данных беспроводных сетей пересекаются между собой, что не лучшим образом сказывается на их стабильности. Чтобы улучшить качество соединения можно:

1. Разместить Зигби шлюз подальше от Wi-Fi роутера.
2. Увеличить количество проводных Zigbee розеток и выключателей. Они являются маршрутизаторами, усиливая сигнал и повышая надежность системы.
3. Попытаться разнести каналы Zigbee и Wi-Fi. Но скорее всего это особо не поможет, т к если вы живете в многоквартирном доме, то эфир в 2.4 ГГц уже давно полностью забит. Да и роутер сейчас выбирает канал в автоматическом режиме в зависимости от загруженности сети.

Компоненты Zigbee: координатор, маршрутизаторы и конечные устройства

Сеть состоит из трех основных элементов – координатора, маршрутизатора и конечных устройств. Рассмотрим их назначение:

• Основой и обязательным элементом сети является координатор. Он запускает сеть, управляет ей, а также устанавливает политику безопасности. В умном доме Xiaomi роль координатора выполняют шлюзы – Gateway 2, Gateway 3, шлюзы Aqara. Еще раз повторю – шлюз является обязательным элементом сети. Если вы планируете использовать Зигби датчики или любые другие устройства, работающие по данному протоколу, вам нужно будет купить и шлюз.
• Далее идут маршрутизаторы. В их обязанности входит трансляция пакетов, их маршрутизация, а также восстановление маршрутов в случае отказа какого-либо элемента системы. В умном доме маршрутизаторами являются устройства с постоянным питанием от сети 220 – Zigbee розетки и выключатели. С их помощью можно значительно увеличить дальность и повысить надежность сети.
• Заключительным элементом являются конечные устройства, отправляющие пакеты с данными коммутатору или маршрутизатору, при этом они не занимаются маршрутизацией информации от других устройств. Конечные устройства питаются от батарейки и большую часть времени находятся в спящем режиме, просыпаясь только в момент отправки данных. Такой подход позволяет добиться высоких показателей автономности – одной батарейки хватает примерно на 2 года работы. В умном доме их роль выполняют различные датчики – датчик освещенности, движения, протечки воды, открытия двери, температуры и влажности и т д.

Zigbee в умном доме Xiaomi

Zigbee – основной протокол, применяемый в умном доме Xiaomi. На нем работают все основные датчики и устройства в системе. Тем не менее стоит быть внимательным и перед покупкой проверять интерфейс связи, так как последнее время часть оборудования выпускается с Bluetooth интерфейсом. Еще один важный момент – большинство новых устройств, выпускаемых Xiaomi и Aqara, а также другими производителями (например, для умного дома Tuya Smart) имеет интерфейс связи Зигби третьей версии и для них нужен соответствующий шлюз.

Шлюз с поддержкой Zigbee 3 так же позволяет добавить и датчики, работающие на второй версии протокола.

В умном доме Xiaomi сейчас доступно несколько шлюзов на выбор – Gateway 2 (снимается с производства), Gateway 3 (актуальная модель, имеет поддержку Zigbee 3) и несколько от Aqara.

Как работает Zigbee в умном доме Xiaomi

На изображении выше приведена типовая схема умного дома Xiaomi. В роли координатора у нас выступает Xiaomi Gateway 2, к которому и подключаются все остальные устройства:

• датчик движения и датчик протечки (конечные устройства), ввиду небольшого расстояния и хорошего качества сигнала, передают информацию напрямую шлюзу;
• расположенный в дальнем углу комнаты датчик температуры передает все показания через выключатель, являющийся маршрутизатором. В случае, если выключатель выйдет из строя, датчик или напрямую подключится к шлюзу, или передаст все показания через другой маршрутизатор (например, через розетку справа). Таким образом работоспособность сети не нарушится и все данные будут доставлены.

К одному шлюзу в умном доме Xiaomi можно подключить до 32 устройств. Если же количество планируемых датчиков, розеток и выключателей превышает данное значение, то можно использовать несколько шлюзов. Все автоматизации будут работать в рамках одного аккаунта умного дома, то есть розетка, подключенная к одному шлюзу может участвовать в сценариях с датчиком протечки, подключенным к другому.