Zigbee — спецификация сетевых протоколов верхнего уровня — уровня приложений APS () и сетевого уровня NWK, — использующих сервисы нижних уровней — уровня управления доступом к среде MAC и физического уровня PHY, регламентированных стандартом IEEE 802.15.4. Zigbee и IEEE 802.15.4 описывают беспроводные персональные сети (WPAN). Спецификация Zigbee ориентирована на приложения, требующие гарантированной безопасной передачи данных при относительно небольших скоростях и возможности длительной работы сетевых устройств от автономных источников питания (батарей).
Основная особенность технологии Zigbee заключается в том, что она при малом энергопотреблении поддерживает не только простые топологии сети («точка-точка», «дерево» и «звезда»), но и самоорганизующуюся и самовосстанавливающуюся ячеистую (mesh) топологию с ретрансляцией и маршрутизацией сообщений. Кроме того, спецификация Zigbee содержит возможность выбора алгоритма маршрутизации в зависимости от требований приложения и состояния сети, механизм стандартизации приложений — профили приложений, библиотека стандартных кластеров, конечные точки, привязки, гибкий механизм безопасности, а также обеспечивает простоту развертывания, обслуживания и модернизации.
Название Имя бренда происходит от поведения медовых пчёл после возвращения их в улей.
Области применения Основными областями применения технологии Zigbee являются беспроводные сенсорные сети, автоматизация жилья («Умный дом» и «Интеллектуальное здание»), медицинское оборудование, системы промышленного мониторинга и управления, а также бытовая электроника и «периферия» персональных компьютеров.
Способность к самоорганизации и самовосстановлению, ячеистая (mesh-) топология, защищённость, высокая помехоустойчивость, низкое энергопотребление и отсутствие необходимости получения частотного разрешения делают Zigbee-сеть подходящей основой для беспроводной инфраструктуры систем позиционирования в режиме реального времени (RTLS).
Описание Zigbee — стандарт набора высокоуровневых протоколов связи, использующих маломощные цифровые трансиверы и основанный на стандарте IEEE 802.15.4-2006 для беспроводных персональных сетей. Спецификация Zigbee была разработана как более простая и доступная альтернатива другим персональным сетям, таким как Bluetooth (стандарт IEEE 802.15.1). Технология ориентирована на радиочастотные устройства, которым требуется длительная автономная работа от батарей и надёжная передача данных в сети.
Альянс Zigbee является органом, обеспечивающим и публикующим стандарты Zigbee, он также публикует профили приложений, что позволяет производителям изначальной комплектации создавать совместимые продукты. Текущий список профилей приложений, опубликованных или уже находящихся в работе: Домашняя автоматизация Рациональное использование энергии (Zigbee Smart Energy 1.0/2.0) Автоматизация коммерческого строительства Телекоммуникационные приложения Персональный, домашний и больничный уход Игрушки
Сотрудничество между IEEE 802.15.4 и Zigbee подобно тому, что было между IEEE 802.11 и альянсом Wi-Fi. Спецификация Zigbee 1.0 была ратифицирована 14 декабря 2004 и доступна для членов альянса Zigbee. 30 октября 2007 г. была размещена спецификация Zigbee 2007. О первом профиле приложения — «Домашняя автоматизация» Zigbee — было объявлено 2 ноября 2007. Zigbee работает в промышленных, научных и медицинских (ISM-диапазон) радиодиапазонах: 868 МГц в Европе, 915 МГц в США и в Австралии, и 2,4 ГГц в большинстве стран в мире (под большинством юрисдикций стран мира). Как правило, в продаже имеются чипы Zigbee, являющиеся объединёнными радио- и микроконтроллерами с размером Flash-памяти от 64 КиБ до 128 КиБ таких производителей, как Jennic JN5148, Freescale MC13213, Ember EM250, Texas Instruments CC2430, Samsung Electro-Mechanics ZBS240 и Atmel ATmega128RFA1. Радиомодуль также можно использовать отдельно с любым процессором и микроконтроллером. Как правило, производители радиомодулей предлагают также стек программного обеспечения Zigbee, хотя доступны и другие независимые стеки.
Так как Zigbee может активироваться (то есть переходить от спящего режима к активному) за 15 мс или меньше, задержка отклика устройства может быть очень низкой, особенно по сравнению с Bluetooth, для которого задержка, образующаяся при переходе от спящего режима к активному, обычно достигает трёх секунд.http://www.commsdesign.com/showArticle.jhtml?articleID=192200323 ZigBee: Wireless Technology for Low-Power Sensor Networks. Так как Zigbee большую часть времени находится в спящем режиме, уровень потребления энергии может быть очень низким, благодаря чему достигается длительная работа от батарей.
Первый выпуск стека сейчас известен под названием Zigbee 2004. Второй выпуск стека называется Zigbee 2006, и, в основном, заменяет структуру MSG/KVP, использующуюся в Zigbee 2004 вместе с «библиотекой кластеров». Стек Zigbee 2004 вышел из употребления. Реализация Zigbee 2007 в настоящее время является текущей, она содержит два профиля стека, профиль стека № 1 (который называют просто Zigbee) для домашнего и мелкого коммерческого использования, и профиль стека № 2 (который называют Zigbee Pro). Zigbee Pro предлагает больше функций, таких как широковещание, маршрутизацию вида «многие-к-одному» и высокую безопасность с использованием симметричного ключа (SKKE), в то время как Zigbee (профиль стека № 1) занимает меньше места в оперативной и Flash-памяти. Оба профиля позволяют развернуть полномасштабную сеть с ячеистой топологией и работают со всеми профилями приложений Zigbee.
Zigbee 2007 полностью совместим с устройствами Zigbee 2006. Устройство Zigbee 2007 может подключаться и работать с сетью Zigbee 2006, и наоборот. В связи с наличием различий в опциях маршрутизации, устройства Zigbee Pro могут быть только конечными устройствами (ZED) сетей Zigbee 2006, и наоборот, устройства Zigbee 2006 и Zigbee 2007 могут быть только конечными устройствами в сети Zigbee Pro. При этом приложения, которые запускаются на устройствах, работают одинаково, независимо от реализации профиля стека.
Приложения Протоколы Zigbee разработаны для использования во встроенных приложениях, требующих низкой скорости передачи данных и низкого энергопотребления. Цель технологии Zigbee — это создание недорогой самоорганизующейся сети с ячеистой топологией, предназначенной для решения широкого круга задач. Сеть может использоваться в промышленном контроле, встроенных датчиках, сборе медицинских данных, оповещении о вторжении или задымлении, строительной и домашней автоматизации и т. д. Созданная в итоге сеть потребляет очень мало энергии — индивидуальные устройства, согласно данным сертификации Zigbee, позволяют источникам питания работать два года. Типовые области приложения: Домашние развлечения и контроль — рациональное освещение, продвинутый температурный контроль, охрана и безопасность, фильмы и музыка. Домашнее оповещение — датчики воды и энергии, мониторинг энергии, датчики задымления и пожара, рациональные датчики доступа и переговоров. Мобильные службы — мобильные платежи, мониторинг и контроль, охрана и контроль доступа, охрана здоровья и телепомощь. Коммерческое строительство — мониторинг энергии, HVAC, света, контроль доступа. Промышленное оборудование — контроль процессов, промышленных устройств, управление энергией и имуществом. Существуют три различных типа устройств Zigbee. Координатор Zigbee (ZC) — наиболее ответственное устройство, формирует пути дерева сети и может связываться с другими сетями. В каждой сети есть один координатор Zigbee. Он и запускает сеть от начала. Он хранит информацию о сети, выступает как доверенный центр и хранит ключи безопасности. Маршрутизатор Zigbee (ZR) — может выступать в качестве промежуточного маршрутизатора, передавая данные с других устройств. Он также может запускать функцию приложения. Конечное устройство Zigbee (ZED) — его функциональная нагруженность позволяет ему обмениваться информацией с материнским узлом (или координатором, или с маршрутизатором), он не может передавать данные с других устройств. Такое отношение позволяет узлу львиную часть времени пребывать в спящем состоянии, что позволяет экономить энергоресурс батарей. ZED требует минимального количества памяти и поэтому может быть дешевле в производстве, чем ZR или ZC.
Протоколы Протоколы построены на недавно разработанном алгоритме AODV (протокол динамической маршрутизации для мобильных ad-hoc сетей (MANET) и других беспроводных сетей) и NeuRFon, предназначенных для образования ad-hoc сетей (децентрализованная беспроводная сеть, образованная случайными абонентами) или узлов. В большинстве случаев сеть является сетью кластеров. Она также может принимать форму сети или одиночного кластера.
На данный момент протокол Zigbee поддерживает сети со включённым или с отключённым оповещением присутствия (beacons). В сетях с отключёнными маячками (где порядок маячков составляет 15) используется множественный доступ с контролем несущей и избеганием коллизий (CSMA/CA). В этом типе сети маршрутизаторы Zigbee обычно поддерживают свои приёмники включёнными постоянно, что требует дополнительного питания. Однако, это позволяет создавать гетерогенные сети, в которых некоторые устройства постоянно принимают данные, пока другие передают данные только тогда, когда это необходимо. Типичный пример такой сети — это беспроводное управление светом: узел Zigbee, подключённый к лампе, может принимать сигнал постоянно, потому что он (как и лампа) подключён к электрической сети, в то время как переключатель, питающийся от батареи, остаётся в спящем режиме, пока выключатель не изменил состояния. Когда состояние меняется, переключатель переходит в активный режим, посылает лампе команду, ожидая подтверждения, и возвращается в спящее состояние. В таких сетях узел лампы должен быть, по меньшей мере, маршрутизатором Zigbee (ZR), если не координатором, узел переключателя, обычно, — это конечное устройство Zigbee (ZED).
В сетях с маячками специальные узлы сети, маршрутизаторы Zigbee, передают периодические маячки, чтобы подтвердить своё присутствие на других узлах сети. Узлы могут находиться в спящем состоянии между маячками, что снижает их скважность и увеличивает жизнь батареек. Интервалы маячков могут различаться от 15,36 мс до 15,36 мс * 214 = 251,65824 с для скорости в 250 кбит/с, от 24 мс до 24 мс * 214 = 393,216 с для скорости в 40 кбит/с и от 48 мс до 48 мс * 214 = 786,432 с для 20 кбит/с. Однако низкая скважность операций (сигналов) вместе с длинными интервалами маячков требует точного распределения времени, что может войти в противоречие с требованием низкой стоимости изделия.
В общем, протоколы Zigbee снижают время включения радиопередатчиков и сокращают энергопотребление. В маячковых сетях узлы должны быть активными только во время осуществления маячком передачи. В безмаячковых сетях расход энергии решительно асимметричен, некоторые устройства всегда активны, в то время как другие проводят большую часть своего времени в спящем режиме. Устройства Zigbee должны быть совместимы со стандартом IEEE 802.15.4-2003 беспроводных персональных сетей (исключая профиль 2.0 «рационального использования энергии»). Стандарт определяет нижние слои протокола — физический слой (PHY), и контроль доступа (MAC) часть ссылки на слой данных (DLL). Этот стандарт определяет работу на частотах 2,4 ГГц (в мире не лицензированная частота), 915 МГц (американский континент) и 868 МГц (Европа) диапазон ISM. На частоте 2,4 ГГц есть 16 каналов Zigbee, каждый канал требует ширины диапазона в 5 МГц. Основная частота для каждого канала может быть рассчитана как FC = (2405 + 5 * (ch − 11)) МГц, где ch = 11, 12, …, 26.