Zigbee protokoll az okosotthonokban

Az okosotthonok elterjedése forradalmasította életünket. A fejlett technológiai megoldások segítségével immár távolról irányíthatjuk otthonunkat, nyomon követhetjük az otthonunk energiafogyasztását, automatizálhatjuk a különféle feladatokat. Az egyik kulcsfontosságú technológia, amely lehetővé teszi az okosotthonok létrehozását, a Zigbee protokoll. Ebben a cikkben részletesen ismertetjük a Zigbee protokollt és az okosotthonokban betöltött szerepét.

Mi az a Zigbee Protokoll?

A Zigbee egy vezeték nélküli kommunikációs protokoll, amelyet olyan kis fogyasztású eszközökhöz terveztek, amelyek kis hatótávolságú, alacsony adatátviteli sebességű kommunikációt igényelnek. A Zigbee az IEEE 802.15.4 szabvány szerint működik, és a 2,4 GHz-es frekvenciasávot használja. A protokoll egyszerű, megbízható és biztonságos, így ideális az okosotthonban való alkalmazásokhoz.

A Zigbee protokoll története

A Zigbee protokollt azért hozta létre a 2002-ben alapított Zigbee Alliance, hogy  az egységes, alacsony fogyasztású alternatívát adjon a kommunikációra az okosotthonok és az ipari automatizálás terén. A szövetség alapítói között szerepeltek olyan nagyvállalatok, mint a Honeywell, a Philips és a Mitsubishi Electric, a Legrand 2011-ben csatlakozott a szövetség igazgatótanácsához.

A Zigbee protokoll tulajdonosa a Zigbee Alliance 2020-as átalakulásával a Connectivity Standards Alliance lett, amely egy non-profit szabványügyi szervezet (SDO). A szövetség felel a Zigbee szabvány folyamatos fejlesztéséért és a Zigbee eszközök minősítéséért. 

Az első Zigbee protokollt 2004-ben véglegesítették és került a piacra. Azóta több verzió is kiadott a szövetség, amelyek mindegyike új funkciókat és javításokat tartalmazott. Aktuális változata, a Zigbee 3.0, 2016-ban jelent meg.

Mik azok a koordinátor eszközök, útválasztó eszközök és végeszközök?

 Zigbee hálózatban háromféle eszköz létezik:

• Koordinátor eszközök (okosotthon központ):
  Ezek felelősek a hálózat kialakításáért és kezeléséért. A legtöbbször maga az okosotthon központ tölti be a koordinátor szerepét.
   
• Útvonal választó eszközök (végrehajtók): 
  Ezek az eszközök közvetítőként működnek a hálózatban lévő többi eszköz között. Ezek az állandó tápellátású eszközök, mint a redőnyvezérlők, okos izzók, dugaljak és kapcsolók.
• Végponti eszközök (Távvezérlők): 
  alacsony fogyasztású, elemről vagy akkumulátorról működő eszközök, amelyek a hálózat más eszközeivel kommunikálnak.

A zigbee topológiái

A Zigbee hálózatok három különböző topológiába szervezhetők:

• MESH (háló) topológia: 
  Ebben a topológiában minden eszköz kommunikálhat a hálózat bármely más eszközével köztes csomópontokon keresztül. Az esetleges távolságot útvonal választókon és koordinátor(ok)on keresztül küzdhetik le. Ezen az elven működik a Legrand “with Netatmo” rendszere is. 

• Csillag topológia: 
  Ebben a topológiában minden eszköz egy központi koordinátor eszközzel kommunikál közvetlenül. Tipikusan a Zigbee PRO hálózatokra volt jellemző korábban.

• Fa topológia: 
  Ebben a topológiában az eszközök hierarchikus struktúrába vannak rendezve, egy koordinátorral a tetején.

Mi az OSI modell, hogyan illeszkedik bele a Zigbee?

Az Open Systems Interconnection (OSI) modell egy olyan fogalmi keretrendszer, amely leírja, hogyan történik az adatkommunikáció a különböző rendszerek között. Az OSI modell hét rétegből áll, amelyek mindegyike egy adott funkcióért felelős. A Zigbee protokoll az alábbiak szerint illeszkedik az OSI modellbe:

• Fizikai réteg: 
  Ez a réteg határozza meg a Zigbee által használt vezeték nélküli kommunikációs csatorna fizikai jellemzőit.  A Zigbee az IEEE 802.15.4 szabványban meghatározottak szerint használja az adatátviteli közeget. 2,4GHz-en elenyésző teljesítménnyel sugároz, a kommunikációhoz bőségesen elegendő sávszélességet felhasználva, csak úgy, mint a Thread és a Bluetooth protokoll. A Wi-Fi és Bluetooth eszközök is a 2,4-2,4835 GHz közötti frekvenciatartományokat használják.

• Adatkapcsolati réteg: 
  Ez a réteg határozza meg a Zigbee adatfolyamának szerkezetét, az eszközök közötti protokoll nyelvezetét.

• Hálózati réteg: 
  Ez a réteg kezeli a hálózati topológiát és az eszközök közötti útvonal választást.

• Alkalmazási réteg: 
  Az eszközökhöz társítható szerepek, vagy a felhasználók által irányítható funkciók meghatározása ezen a szinten megy végbe.

Hogyan építhetünk fel egy stabil Zigbee hálózatot?

A stabil Zigbee hálózat felépítése gondos tervezést igényel. Néhány tipp a stabil hálózat biztosításához:

• Válasszunk megfelelő hardvert:
  A megbízható kommunikáció érdekében használjon olyan megbízható hardvert, amely támogatja a Zigbee 3.0 protokollt. A Legrand már rendelkezik azzal a fejlesztési tapasztalattal, amely teljesíti ezt a kritériumot.

• Tervezzük meg a hálózati topológiát:
  Arról mindig gondoskodnunk kell, hogy a ház legtávolabbi sarkában is megfelelő legyen a Zigbee jel. Ezt úgy biztosíthatjuk, hogy az útválasztó eszközöket egyenletesen elosztva helyezzük el az otthonunkban. Ebben segítségünkre lehetnek a redőny és villanykapcsolók, dugaljak. Ezek biztosítják, hogy a legtávolabbi sarokban lévő végponti eszközök is megfelelő távolságban találjanak útválasztó eszközöket.

• Válasszuk ki a csatornát:
  Úgy kell megfelelő csatornát választanunk, hogy elkerülje a többi vezeték nélküli hálózat okozta interferenciát. A Legrand eszközei ezt már maguk is megteszik, erre nekünk már nem kell külön figyelmet fordítanunk.

A Zigbee konkurens protokolljai

A Zigbee protokollnak több konkurens protokollja is van az IoT piacon. Az egyik legismertebb konkurens a Z-Wave protokoll, amelyet a Z-Wave Alliance fejlesztett ki. A Z-Wave hálózat is vezeték nélküli kommunikációt használ és kis energiafogyasztással működik, de a 868MHz-et használja.

Egy másik konkurens a Bluetooth Low Energy (BLE) protokoll, amelyet az Bluetooth Special Interest Group (SIG) fejlesztett ki. A BLE hálózat is kis energiafogyasztással működik és képes kommunikálni több eszközzel egyszerre.

Az egyre terjedő Thread protokoll is konkurenciának számít a Matterrel együtt alkalmazva.

Az okosotthonokra vonatkozó technológiai verseny javában zajlik, folyamatosak a fejlesztések, összességében azonban megállapítható, hogy a vezeték nélküli megoldások között a Zigbee korszerű választásnak számít, melyet a Legrandnál a “with Netatmo” termékek képviselnek.