ZigBee устройства для умного дома

Оглавление статьи: ZigBee устройства для умного дома
Содержание

При фразе «Беспроводные технологии» возникают ассоциации с Wi-Fi, Bluetooth, 4G, потому как они общедоступны и известны везде. Благодаря им происходит обмен данными между смартфонами, гаджетами, ноутбуками. Но эти беспроводные технологии не единственные, с которыми можно настроить взаимодействие. С технологией ZigBee устройства обретают новые возможности, о которых и пойдет речь в этой статье.

Описание технологии

ZigBee — технология, предназначенная для построения распределенных, самоорганизующихся, мало потребляющих беспроводных сетей.

ZigBee

Существует множество беспроводных технологий со своими наработками и эксклюзивностью. Например:

  1. Wi-Fi — создана для замены проводного интерфейса Ethernet. Wi-Fi предлагает достаточно большие скорости обмена информацией, но не разрешает применять узлы, работающие долгое время от источников питания малой емкости из-за немалого энергопотребления.
  2. Bluetooth — начиная с версии 4.0 данная технология стала повсеместно использоваться разработчиками носимой электроники, потому как в несколько раз сократилось энергопотребление, если сравнивать с предыдущими стандартами. Технология хорошая, но для такой задачи, как охват устройств, размещенных на расстоянии нескольких комнат и зданий она не подходит из-за топологии типа «звезда».
  3. ZigBee — специально разработанная технология с топологией «mesh» разрешает создавать надежные распределенные сети датчиков и основных устройств с передачей информации на малых скоростях. В Зигби реализована работа узлов, поддерживающих ретрансляцию, самовосстановление. Добавлены мобильные и своего рода «спящие» узлы. Полезной скоростью обмена данными является 40 кбит/с, а в режиме ретрансляции — 5–25 кбит/с.

Сравнение с другими технологиями

Для сравнения беспроводных технологий лучше смотреть таблицу.

 

Технология Wi-Fi Bluetooth ZigBee
Протокол 802.11 802.15.4 802.15.4
Скорость обмена данными 300+ Мбит/с при n

От 433 Мбит/с при ac

До 3 Мбит/с Приемлемая 30–40 Кбит/с

Максимальная 250 Кбит/с

Энергопотребление Высокое Низкое Низкое
Частота 2.4 и 5 ГГц 2.4 ГГц 2.4 ГГц
Поддержка IP +
Топология Звезда Звезда Mesh

Отличие топологий звезда и mesh отчетливо видно на схеме взаимодействия между устройствами, размещенными в одном и том же здании.

Отличие топологий звезда и mesh

Вай Фай и Блютуз используют центральный шлюз, который общается со всеми подключенными устройствами по единому каналу. Данная схема уязвима, если:

  • на пути группы элементов появится преграда и они станут изолированными от шлюза;
  • шлюз вышел из строя и вместе с ним упала вся сеть.

В ZigBee все по-другому. Каждый элемент общается с соседним в сети, и в случае того же препятствия найдет альтернативный путь к главному шлюзу. Даже при выведении основного шлюза из строя, устройства, которые не ушли в режим сна берут на себя роль маршрутизаторов. Они прокладывают новые оптимальные пути и делают ретрансляцию пакетов.

Если использовать дополнительные узлы со стационарным питанием, они смогут полноценно заменить роутер до его непосредственной починки.

Структура сети

Структура сети

В сети ZigBee есть три основных узла:

  1. Координатор — собирает данные от конечных устройств, раздает им команды, задает политику безопасности. В сети он всегда один. Этот узел выполняет еще и работу роутера.
  2. Роутер — совмещают в себе функции конечного устройства и могут ретранслировать пакеты от координатора к другим элементам сети.
  3. Конечные устройства — сенсоры, исполнительные устройства, подключаемые к сети через родительский узел и лишенные возможности организовывать маршрутизацию трафика.

Благодаря этой технологии и проведенной работе по стандартизации сетевого и уровня приложений, появилась большая библиотека ZCL, описывающая более 200 устройств. Например:

  • Блоки управления освещением;
  • Выключатели;
  • Интерфейсы для счетчиков и датчиков.

Устройства

Множество крупных производителей наладили выпуск Zigbee устройств:

  1. Xiaomi.
  2. Sonoff.
  3. Philips.
  4. IKEA.

Рассмотрим интересные и нужные решения, которые обязательны в рамках умного дома.

Управляемый блок подсветки IKEA

Управляемый блок подсветки IKEA

Топ бренд мебели IKEA предлагает для контроля подсветкой использовать источники питания с управлением ZigBee. Серия называется TRADFRI. В комплект можно докупить лампочки, пульты. Подобный блок имеет несколько выходов под светильники. В целом, это устройство — настоящий диммер, но выполнен немного в иной интерпретации.

Сенсор

Сенсор

Датчики или сенсоры всегда были неотъемлемой частью любой автоматизации. Например, датчик открытия двери (окна) или датчик движения, управляемый непосредственно контроллером через систему умного дома. С их помощью можно реализовать различную логику работы отдельно взятых устройств, каналов или всей системы в целом.

Выключатель

Сенсорный выключатель LIVOLO

Сенсорный выключатель LIVOLO работает с технологией типа Mesh. Подведение нейтрали он не требует. То есть его можно подключать в подрозетник, где не подведен ноль. Он запитывается фантомным способом через нагрузку и питается этим током. Задняя часть выполнена под европейский подрозетник, поэтому проблем с установкой быть не должно.

Реле

Реле

Xiaomi с линейкой устройств Aqara выпускает двухканальные реле с контролем энергопотребления. Позволяет настраивать работу каждого канала, делая работу любых электроприборов умной.  Антенна для сигнала большая, но совершенно не мешает. Также, как и корпус, который без проблем прячется в подрозетник.

Диммер

Диммер

С помощью диммера, имеющего выход в сеть Zigbee, можно удаленно, или с применением какой-либо логики, уменьшать или увеличивать яркость света. В качестве типового решения хорошим устройством будет Dimmer EcoDim.

Чтобы данные устройства от разных производителей можно было объединить в единую сеть умного дома Zigbee, необходимо использовать координатор, типа zigbee2mqtt.

Организация сети

За последние два-три года устройств умного дома с поддержкой технологии Zigbee и протокола mqtt появилось довольно много. Он набирает популярность, и крупные производители стараются перетянуть одеяло каждый в свою сторону, выпуская собственные дополнительные устройства, являющееся шлюзом ZigBee-Wi-Fi или ZigBee-Ethernet.

С помощью такого решения устройства могут взаимодействовать с мобильным приложением от производителя. И если производитель разрешает, то он дает возможность интегрировать шлюз в системы умного дома.

У Xiaomi был подобный прецедент, когда она разрешила в Aqara Hub интегрировать системы умного дома.

Если же родной автоматизации определенного производителя через шлюз и мобильное приложение недостаточно для реализации всех планируемых задач, то необходимость в таком шлюзе отсутствует.

Если имеется сервер умного дома и устройство — целесообразно подключить их напрямую и избавится от всего этого парка шлюзов.

Координатор Zigbee2mqtt позволяет при помощи небольшого USB стика, подключаемого к серверу умного дома и отдельного ПО, подключать Zigbee-устройства от разных производителей к серверу напрямую.

USB-стик

USB-стик

Есть различные варианты аппаратного исполнения USB-стика. На основе Zigbee2mqtt разработано множество проектов. Различия имеются в микроконтроллерах, от которых зависит:

  • количество подключаемых напрямую конечных ZigBee устройств к координатору;
  • различия в прошивках для выбранного микроконтроллера;
  • заявленная дальность при идеальных условиях видимости.

Множество USB-стиков можно приобрести на Aliexpress и с помощью программаторов обеспечить нужной прошивкой.

Дальность связи

Благодаря низким скоростям и особенности технологии дальность сопряжения устройств от модуля к модулю достаточно высокая.

Дальность связи

Зависит дальность от антенны, расположенной на плате модуля. Например:

  1. EBYTE E18 MS1PA1-PCB — с заявленной дальностью 800 м.
  2. EBYTE E18 MS1PA1-IPX — с разъемом под внешнюю антенну с заявленной дальностью 1000 м.
  3. EBYTE E18 2G4Z27SI — с разъемом под подключаемую антенну может выдать дальность 2500 м.

Данная характеристика приводится в условиях хорошей видимости между связанными устройствами.

Используя в схеме узлы-ретрансляторы можно увеличить дальность сети на километры. Назначить USB-стик на роль «роутера» в сети Зигби поможет специальная прошивка ГитХаба.

Прошивка

Практически все прошивки выложены в репозитории проекта на Github. Можно прошить довольно популярной Z-Stack-firmware прошивкой для создания из USB-стика координатора.

Также в репозитории выложены прошивки для этих же стиков, которые будут выполнять функцию ZigBee-роутера.

Прошивать нужно оригинальной утилитой Texas Instruments SmartRF.

Texas Instruments SmartRF

После этих операций стик-координатор можно установить в сервер умного дома.

Программное обеспечение

Следующий шаг организации сети — установка программного обеспечения Zigbee2mqtt на сервер умного дома. Инсталляция происходит через менеджера пакетов node.js. Подробную информацию можно найти на официальном сайте проекта zigbee2mqtt.io

Интеграция с системой

Далее необходимо провести интеграцию с системой умного дома. В качестве такой можно использовать MajorDoMo. Но перед интеграцией в систему нужно установить дополнительный модуль через маркет. Называется модуль zigbee2mqtt.

модуль zigbee2mqtt

У модуля имеются настройки, где должны быть корректно введены настройки подключения к MQTT серверу. На странице списка никаких устройств ZigBee не будет. Их нужно сюда добавлять.

Для этого используется механизм сопряжения, и он настроен таким образом, что принимает все подключения в режиме сопряжения.

Чтобы внести устройство в систему, достаточно нажать на нем и удерживать в течении 5 секунд кнопку. Индикатор замигает и пойдет процесс сопряжения с координатором.

После подсоединения умных устройств можно настроить их через систему умного дома, а затем ими управлять. Благодаря тому, что Zigbee2mqtt подключен напрямую, удаленное управление выдает более шустрое и стабильное выполнение команд, нежели использовать шлюзы с переходом ZigBee-Wi-Fi, предлагаемые компаниями.

Заключение

С помощью протокола Zigbee можно реализовать систему умного дома с отказоустойчивыми элементами, работающими на большом расстоянии друг от друга. Благодаря единому координатору и вспомогательным узлам типа «роутер» можно подключить устройства от любого производителя, взаимодействующего с этой технологией.

Видео по теме

Хорошая реклама

Добавить комментарий Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *