Что такое Zigbee
Как и у многих, мое знакомство с умным домом началось с умной Wi-Fi лампочки.
Купил лампочку, подключил к своей Wi-Fi сети и могу включать-выключать свет с телефона из любой точки мира. Потом у меня появились умные розетки, камеры и датчики температуры-влажности. Все устройства Wi-Fi.
Чем больше я погружался в мир умных домов тем чаще я слышал что бывают еще какие-то «зигби» устройства.
Меня вполне устраивал Wi-Fi, поэтому я не сильно интересовался чем-то другим. Но в конце-концов я разобрался что такое Zigbee и сейчас очень жалею что не узнал все это раньше.
В этом тексте я хочу рассказать что же такое зигби, чем отличается от Wi-Fi и что нужно для того чтобы работать с Zigbee устройствами.
Как это работает и зачем это нужно
Zigbee — это стандарт беспроводной связи для умных устройств.
Есть Wi-Fi — совершенно привычная технология. Центральный злемент — Wi-Fi роутер — коробочка с антенами. К Wi-Fi роутеру по воздуху подключаются клиенты — ноутбуки и телефоны.
Точно также в Zigbee сети есть центральный элемент — он называтеся «Координатор», к нему по воздуху подключаются разные клиенты: умные лампочки, кнопки, разные датчики. Устройства которые подключаются к Zigbee сети могут быть как с постоянным питанием, так и работающие от батареек.
Огромный плюс Zigbee по сравнению с Wi-Fi — это то как работают устройства на батарейках. Совершенно обычная ситуация что какая-нибудь зигби кнопка работает несколько лет (. ) на одной батарейке.
Бывают разные типы датчиков:
- датчики температуры и влажности
- датчики движения
- датчики которые фиксирует открытие и закрытие дверей и окон
- и еще множество других устройств
Безумно удобно когда для установки датчика не нужно тянуть никакие провода. Питание — от батарейки, данные передаются по воздуху через Zigbee. Взял, приклеил датчик в нужном месте и на этом установка завершена — не нужно штробить стены и прокладывать провода. Беспроводные датчики на батарейках бывают не только Zigbee, но еще и Wi-Fi и Bluetooth. Выбор Zigbee датчиков больше и живут на батарейке они дольше.
Стандарт Zigbee создан специально для умных устройств. Zigbee — это не замена Wi-Fi. Через Zigbee вы не сможете посмотреть фильм в интернете, не бывает зигби камер, но всякие умные устройства могут использовать Zigbee для эффективной работы.
Самоорганизующая сеть
Интересная особенность Zigbee — это то как устройств объединяются в сеть.
Есть 3 типа устройств в Zigbee сети:
- Zigbee координатор — главное устройство — такое устройство всегда одно в сети
- Zigbee роутер (не путать с Wi-Fi роутерами)
- Конечное устройство
Пример конечного устройства — это какой-нибудь датчик температуры-влажности который работает от батареек, или какая-нибудь беспроводная кнопка.
Роутер — тоже какое-то полезное устройство, например умная розетка или умная лампочка.
Назначение роутеров — это расширение сети Zigbee. Конечные устройства могут подключаться или напрямую к координатору, или к роутеру. Это происходит автоматически. Устройства сами понимают куда и как нужно подключаться и повлиять на это никак нельзя.
Практически всегда если устройство работает от батареек — это конечное устройство, а если к устройству подводится фаза и ноль — это роутер (на самом деле, это не обязательно, бывают исключения, но, по факту, почти всегда это так). Бывают Zigbee реле и выключатели к которым подводится только фаза, без нуля — такие устройства роутерами не являются.
Вот пример как может выглядеть Zigbee сеть:
- красный прямоугольник — это координатор
- синие — это роутеры
- желтые — это конечные устройства
Первое время после того как появляются Zigbee устройства очень интересно смотреть в карту сети. И тут сразу появляются вопросы «Почему этот датчик температуру идет напрямую в координатор, который находится через 2 стены от него, а не садиться на роутер который находится в 20 сантиметрах?» Ответ — сеть сама понимает как ей лучше. Может быть, когда-нибудь, сеть перестроится, но возможно что все и дальше будет работать именно так. Не стоит ожидать мгновенной перестройки сети. Могут проходить недели перед тем как поменяются маршруты. Нет возможности настроить конечное устройство чтобы оно подключалось к какому-то определенному роутеру. Сеть сам определяет какие маршруты использовать.
Координатор
Координатор — это главное устройство в Zigbee сети. Все устройства подключаются к нему. Есть разные устройства которые могут работать координатором.
Официальные устройства
Давайте сначала рассмотрим официальный подход. Есть много разных производителей умных устройств. Например, Aqara. Можно купить датчик температуры Aqara, датчик движения Aqara, датчик открытия Aqara — все это очень хорошие и популярные устройства. Но чтобы работать этим устройствами нужен Координатор. И компания Aqara продает устройства которое работает Кординатором — Aqara шлюз (есть несколько разных моделей этого устройства).
Практически все производители которые делают умные зигби устройства продают Координаторы. Обычно эти устройства называются Шлюз, Хаб, Gateway, Центр умного дома.
Но тут есть одна тонкость. Чаще всего к Координатору компании можно подключить только устройства которые производит эта же компания. Если у вас Sonoff Шлюз, то к нему будут подключаться только Sonoff Zigbee устройства. Если у вас Konke Шлюз, то к нему можно подключить только Konke устройства. Бывают небольшие исключения (например, в Aqara Шлюз можно подключать не только устройства Aqara, но и Mi), но в общем случае — к Координатру можно подключать только устройства этой же компании.
И это, конечно, ужасно. В мире Wi-Fi все совершенно не так: к Wi-Fi роутеру любой компании без проблем подключаются все Wi-Fi устройства любых других производителей.
Когда-нибудь наступит порядок и в мире Zigbee — к любым Координатором можно будет подключать любое оборудование, но пока прозводители пытаются удержать пользователей в рамках своих закрытых системы.
USB Стики
Но кроме больших компаний которые производят оборудование есть еще множество энтузиастов, которые создают свои собственные устройства и софт.
Можно вообще не использовать официальные устройства в качестве Координатора, а использовать так называемые «USB стики». USB стик втыкает в компьютер. На компьютер ставится специальный софт. И вот совокупность этого стика + софт — это получается zigbee Координатор.
Но, использование подобных решений требует достаточно серьезных знаний компьютера. А для некоторых задач еще и нужно уметь паять.
Самый популярный софт который работает с zigbee стиками — это zigbee2mqtt. Этот софт поддерживает более 1000 Zigbee устройств разных производителей. При использовании стика + zigbee2mqtt в одной сети могут быть устройства разных брендов: датчики Aqara, кнопки Konke, лампочки Ikea.
Софт zigbee2mqtt может работать с разными стиками (список). Вот несколько популярных стиков:
- CC2531 — самый дешевый и простой вариант. Этот стик можно купить на AliExpress.
- Conbee 2 — этот стик может работать как с zigbee2mqtt, так и со специальными софтом deCONZ.
- CC2538 — это устройство нужно либо собирать самому (инструкция), либо купить — есть множество людей кто собирает это устройство специально для продажи. Найти продавца можно в телеграм чате https://t.me/zigberu.
DIY устройства
Официальные Координаторы очень ограниченые — к нем нельзя подключать устройства разных производителей.
Для того чтобы работать с USB стиком должен быть компьютер в который этот стик вставлен.
Есть несколько проектов которые пытаются создать устройство, которое лишено этих недостатков. Эти проекты не разрабатывают устройство с нуля, а модифицируют официальные устройства.
Кроме этого, нужно упомянять проект github.com/AlexxIT/XiaomiGateway3 — это дополнение к популярной системе умного дома Home Assistant, которое использует недокументированные возможности Xiaomi шлюза для того чтобы он хорошо работал с системой Home Assistant.
С чего начать
Итак, вы хотите попробовать Zigbee. Что это этого нужно?
Нет единого мнения с чего лучше начинать. Кто-то рекомендует использовать официальные шлюзы, кто-то говорит что нужно сразу покупать хороший и дорогой стик, кто-то рекоменюует использовать перепрошитый шлюз.
Я начал с того что купил самый простой и дешевый стик CC2531 и стал использовать его с zigbee2mqtt.io.
Я решил что на первое время (10-20-30 устройств) мне этого стика будет достаточно, а дальше, если возникнет необходимость, можно будет и что-то другое купить.
Если решите покупать, то лучше всего сразу купить 3 лота:
- CC2531 Antenna (аккуратно — не перепутайте, там еще есть устройсвво CC2540, выглядит очень похоже, но это совершенно не то, нужно покупать CC2531)
- CC Debugger
- CC2540 zigbbe CC2531
Второй и третий лот — это программатор и кабель для подключения. Для того чтобы стик работал на него нужно залить прошивку. Это можно сделать с помощью arduino/raspberry pi/orange pi, но, гораздо проще и быстрее это сделать с помощью специального устройства. Иногда приходится эту прошивку менять, так что очень удобно когда это оборудование есть под рукой.
После того как у вас есть аппаратная часть (стик), нужно поставить софт. Есть много разных способов как можно установить zigbee2mqtt (и тут разные люди будут советовать разные решения). Я используют экосистему умного дома Home Assistant и с помощью этого бесплатного софта можно установить zigbee2mqtt в несколько кликов мышкой (но после установки нужно еще выполнить некоторые настройки). Home Assistant использовать не обязательно, но, на мой взгляд, это хорошая идея использовать Home Assistant и zigbee2mqtt.
ZigBee. Совместимость устройств, профили приложений, кластеры, конечные точки, привязки
Основное назначение сетей ZigBee – связь между устройствами в автоматизированных системах. Области применения сетей ZigBee – самые различные. Типы и назначение связываемых устройств – также весьма разнообразны. Связь может устанавливаться между выключателем и светильником в «умном доме», приборами учета и сервером сетевой обслуживающей компании, датчиком движения и пультом охраны. Возможно, просматривая этот топик, Вы, сами того не подозревая, пользуетесь сетью ZigBee – многие беспроводные мыши с USB адаптером 2,4 ГГц соответствуют ZigBee RF4CE specification.
В этом топике речь пойдет о регламентированных спецификацией ZigBee механизмах, обеспечивающих совместимость и взаимодействие устройств автоматики (приложений) через сеть ZigBee.
О построении и работе сетей ZigBee я писал в предыдущих топиках (можно посмотреть также здесь).
Очень коротко о «железе»
ZigBee совместимые устройства автоматики обычно поступают «сетестроителям» в готовом виде. В виде «умных» розеток и светильников, различных датчиков, приводов, измерительных приборов, IP (Wi-Fi, USB и т.п.) шлюзов, пультов управления, контроллеров и так далее. Впрочем, любители поработать с паяльником могут легко найти ZigBee чипы, и даже специальные наборы, чтобы подключить их к собственным устройствам, тем самым сделав эти устройства ZigBee совместимыми.
Из таких изделий, снабженных ZigBee устройствами, и строится любая автоматизированная система с беспроводной передачей данных по сети ZigBee. Как именно строится, зависит от поставленных задач. Чтобы построить ZigBee сеть между мышью и системным блоком, достаточно вставить адаптер в USB порт и «накормить» мышку батарейкой. Чтобы построить систему автоматизации интеллектуального здания, потребуются усилия проектной организации.
Библиотека кластеров ZigBee (ZCL)
Когда «железо» спроектировано, наступает момент программирования. И тут хорошим подспорьем становятся заложенные в спецификацию ZigBee встроенные механизмы.
Одной из главных целей разработки спецификации ZigBee было обеспечение совместимости устройств разных производителей. И такая совместимость обеспечивается на уровне приложений путем использования библиотеки кластеров ZigBee – ZigBee Cluster Library (ZCL).
Кластер подобен классу в объектно-ориентированном программировании и включает:
• описание стандартного устройства (светильника, диммера, счетчика);
• описание стандартных атрибутов этого устройства (включение/выключение, управление яркостью, показания счетчика);
• описание стандартных команд устройства (включить/выключить, установить уровень яркости, считать показания).
Каждый кластер состоит из двух связанных через сеть элементов – клиента и сервера. Связь между элементами кластера устанавливается привязкой, речь о которой пойдет ниже.
ZigBee сервер хранит значения атрибута, а ZigBee клиент дистанционно считывает или записывает значение этого атрибута. Например, стандартные устройства «лампочка» и «выключатель» могут функционировать как стандартный кластер «включить/выключить». При этом «лампочка» будет серверной частью кластера, хранящей значение атрибута «включено/выключено». А «выключатель» (клиент) будет дистанционно устанавливать значение атрибута.
ZigBee устройство может одновременно поддерживать несколько клиентских частей одних кластеров и серверных частей других. Например, «выключатель» может содержать еще и серверную часть кластера «конфигурация», с помощью которого будет получать информацию о режимах работы от конфигурирующего устройства.
Библиотека кластеров ZigBee
Библиотека ZCL содержит богатый набор стандартных кластеров, который постоянно пополняется. Для удобства пользования кластеры в библиотеке сгруппированы по функциональному признаку:
• общего назначения,
• работа с датчиками,
• управление освещением,
• управление вентиляцией,
• управление безопасностью
• и т.д.
В соответствии со спецификацией ZigBee PRO Feature Set пересылка сообщений в сетях ZigBee осуществляется только с использованием стандартных кластеров.
Приложения
Приложение – это, собственно, как раз то, ради чего и создавалась спецификация ZigBee. Приложения реализуют каналы связи между устройствами систем автоматизации и обеспечивают гарантированную и безопасную доставку пакетов. Каждое приложение определяется его профилем.
Профиль приложения – это совокупность настроек узлов сети (устройств ZigBee), обеспечивающая их совместную работу. Спецификация профиля определяет способы задания идентификационных параметров, режимы формирования сети, методы защиты данных, список используемых кластеров, конечные точки, привязки и т.д. Профиль может включать кластеры из разных функциональных групп библиотеки.
Для уникальной идентификации приложений каждому приложению выделяется идентификатор профиля.
Конечная точка определяет, через какой объект приложения из имеющихся в устройстве ZigBee реализуется данное приложение.
Например, в пульте дистанционного управления можно выделить конечную точку 10 для управления освещением в прихожей, конечную точку 25 для управления мультимедиа, а конечную точку 50 для управления отоплением. В результате пульт дистанционного управления сможет устанавливать независимую связь с соответствующими устройствами и различать пакеты, предназначенные для каждого приложения и каждого устройства.
В каждом устройстве ZigBee есть 240 объектов приложений, что позволяет создавать до 240 конечных точек – с первой по 240-ю. Нулевой объект – объект устройства ZigBee (ZD0), обеспечивающий управление самим устройством.
Привязка
Привязка программирует соединение между конечными точками – содержит адреса устройств и конечные точки клиента и сервера определенного кластера. Каждая привязка поддерживает соответствующий профиль приложения, и каждый тип сообщения определяется кластером в этом профиле.
Привязки создаются как между отдельными конечными точками, так и между их группами, которые имеют один и тот же идентификатор кластера, например, между светильниками и выключателями.
Привязка может быть прямой («привязка источника»). При этом адреса устройств и идентификаторы конечных точек всех приложений, с которыми запрограммировано взаимодействие, хранятся в исходном устройстве.
При косвенной привязке эти сведения могут храниться в выделенном для этих целей устройстве, которое поддерживает таблицу подстановки, соотносящую все конечные точки источников и получателей.