ZigBee to otwarty standard, który powstał wprawdzie jeszcze przed pojawieniem się terminu „Internet rzeczy”, ale jego cechy czynią go idealnym do aplikacji IoT, a w szczególności do zapewniania łączności pomiędzy sensorami, aktuatorami i bramkami. Aktualna wersja – ZigBee 3.0 – została opracowana z myślą o systemach Internetu rzeczy i pozwala na wdrażanie niezawodnych sieci komunikacyjnych, a także daje projektantom wybór pomiędzy złożonością zabezpieczeń a łatwością instalacji.

────── Artykuł firmowy ──────

Publikacja stanowi skrót większego artykułu na temat ZigBee

Pod koniec 2002 roku powstało ZigBee Alliance, natomiast specyfikacja omawianego standardu została zatwierdzona przez IEEE pod numerem 802.11.4 w 2003 roku. Na przestrzeni 15 lat od tego momentu ZigBee znalazło zastosowanie w inteligentnych domach (oświetlenie, wentylacja i klimatyzacja), budynkach użyteczności publicznej (biurach, zakładach pracy, salach konferencyjnych i sieciach hoteli), produkcji (przemyśle, fabrykach), inteligentnych miastach (dużych i małych, usługach publicznych, systemach ratunkowych) oraz w innych zastosowania m.in. w transporcie i infrastrukturze.

Czym są sieci kratowe?

ZigBee jest łatwe w instalacji i utrzymaniu, ponieważ bazuje na samoorganizacji i samonaprawiającej się topologii kraty. To właśnie krata (mesh) wraz z dostępnością wielu kanałów oraz udowodnionej tolerancji na zakłócenia czynią tę sieć niezawodną. ZigBee jest niedrogie i łatwo się skaluje do tysięcy węzłów, a także istnieje wielu dostawców oferujących urządzenia zgodne z tym otwartym standardem.

ZigBee, z maksymalną przepustowością danych na poziomie 250 kb/s na częstotliwości 2,4 GHz, jest wolniejsze niż inne popularne standardy bezprzewodowe, takie jak Wi-Fi czy Bluetooth, ale nie ma to znaczenia w typowych aplikacjach sensorowych. Jest ono zaprojektowane do przesyłu małych pakietów danych we względnie długich odstępach czasowych, co jest zazwyczaj wystarczające do zbierania danych z czujników temperatury, sensorów bezpieczeństwa, systemów monitorowania jakości powietrza i podobnych.

Trzy przykładowe rodzaje sieci ZigBee

Niska przepustowość wpływa na niską moc potrzebną do działania systemu, dzięki czemu węzły ZigBee mogą zazwyczaj pracować przez wiele lat na pojedynczej baterii A. Cechując się małym poborem mocy, produkty wspierające ZigBee zazwyczaj mają krótki zasięg transmisji – typowo od około 10 do 15 metrów, a emitowany przez nie sygnał łatwo zakłócić przeszkodami na trasie, lub zmianami w środowisku. Poszczególne urządzenia przekazują pomiędzy sobą sygnały na sumarycznie większe dystanse. Topologia kraty oznacza także, że uszkodzenie pojedynczego urządzenia nie spowoduje zatrzymania pracy całej sieci.

Kompatybilność różnych standardów

Na przestrzeni lat ZigBee obejmowało różne aplikacje począwszy od przemysłowych, przez biznesowe, a kończąc na domowych, co doprowadziło do opracowania oddzielnych standardów usług. ZigBee 3.0 gromadzi je wszystkie aplikacje pod jednym parasolem. Eliminuję to potrzebę stosowania mostków dokonujących mediacji pomiędzy różnymi zestawami urządzeń wspierających ZigBee. Wszystkie z nich będą mogły komunikować się bezpośrednio, niezależnie od ich typu.

W czerwcu 2017 roku ZigBee Alliance ogłosiło dostępność ZigBee PRO 2017. Wspiera on współpracujące ze sobą urządzenia certyfikowane w ramach ZigBee 3.0. Dzięki temu ZigBee stało się pierwszą siecią kratową , która może jednocześnie pracować w dwóch pasmach ISM: 800-900 MHz, zgodnie z lokalnymi regulacjami prawnymi, oraz 2,4 GHz.

ZigBee PRO 2017 pozwala producentom urządzeń przygotowywać urządzenia, które działają w ramach jednej sieci, ale pracującej w różnych pasmach, dzięki czemu lepiej radzą sobie z wyzwaniami, wynikającymi z ich otoczenia. Dołączenie obsługi pasm poniżej 1 GHz rozszerza możliwe aplikacje IoT, wykonane z użyciem ZigBee o takie przypadki jak inteligentne sterowanie oświetleniem na zewnątrz budynków oraz monitorowanie natężenia oświetlenia otoczenia w sklepach detalicznych, centrach danych oraz w przypadku wdrożeń w trudnych warunkach środowiskowych. Specyfikacja sieci ZigBee PRO 2017 dostarcza kluczowych przewag nad konkurencyjnymi rozwiązaniami, wliczając w to większy zasięg, zmniejszony pobór mocy i niższe koszty utrzymania w aplikacjach o małym zapotrzebowaniu na przepustowość, takich jak systemy bezpieczeństwa domowego i automatyzacji, czy inteligentne mierniki i sterowanie oświetleniem.

O instalacji sieci, tj. ich tworzeniu, dołączaniu urządzeń, dodawaniu zdalnych węzłów, itd. przeczytać można w tym artykule.

ZigBee
Stos protokołów ZigBee 3.0

Bezpieczeństwo ZigBee

Na koniec warto dodać kilka słów o tematyce bezpieczeństwa – bardzo istotnej w sieciach bezprzewodowych. ZigBee 3.0 wprowadziło zaawansowany zestaw narzędzi, który umożliwia projektantom na wprowadzenie niezawodnych sieci ze zbalansowaną polityką bezpieczeństwa oraz łatwością instalacji. Dostępne funkcje będą stale aktualizowane, by odpowiadać na nowo pojawiające się zagrożenia.

Zastosowane rozwiązanie bezpieczeństwa bazuje na protokole kraty ze standardu ZigBee PRO, który oryginalnie powstał na potrzeby profilu ZigBee Smart Energy. Do nowych funkcji należą:

  • unikalna dla urządzenia autentykacja podczas podłączania do sieci,
  • aktualizacja wykorzystywanych kluczy podczas pracy,
  • bezpieczna aktualizacja oprogramowania przez sieć bezprzewodową,
  • szyfrowanie w warstwie logicznej łącza.

ZigBee 3.0 uwzględnia także znaczne usprawnienia w zakresie bezpieczeństwa, dzięki wykorzystaniu szyfrowania danych, autentykacji i sprawdzania integralności za pomocą 128-bitowego algorytmu AES-CCM oraz dzięki wykorzystaniu innych algorytmów bezpieczeństwa. Standard dostarcza kilku rozwiązań technologicznych i z zakresu bezpieczeństwa, by spełnić szerokie wymagania rynkowe.

Jak zacząć przygodę z ZigBee?

O urządzeniach, dostępnych modułach oraz zestawach uruchomieniowych ZigBee przeczytać można więcej na tej stronie.

Zobacz również – IoT Hub

Powyższy artykuł to druga z cyklu publikacji w ramach kompendium technologii Internetu Rzeczy. Zapraszamy na stronę główną IoT Hub!

IoT Hub: Technologie Internetu Rzeczy