Я перешел на протокол ZigBee для устройств умного дома о чем с радостью спешу всем сообщить! На моем канале (TehnoZet-2 - подписывайтесь!) будет серия статей о "Умном доме" и протоколе ZigBee, Wi-Fi их интеграции с голосовым помощником, о использовании готовых устройств, и о своих - самодельных. Нужно сказать, "Умным домом" я занимаюсь уже не один год (ссылки на статьи в конце этой странички), даже можно сказать я "Диванный эксперт", ну или "домашний" это как угодно. Поэтому, думаю мои статьи будут интересны практикам которые строят свои собственные домашние сети и хотят сэкономить. Информация на "TehnoZet-2" как всегда отличаются от сухих статей в интернете направлением в практическую, реальную сферу. А так как я нищеброд, то речь в моих статьях всегда идет об экономии, я всегда хочу сделать как можно дешевле, иногда это идет в разрез здравому смыслу, но дорогой читатель может обойти те грабли на которые я уже наступил (иногда я делаю это сознательно). Но хватит размышлений! Давайте к ближе к делу и беспроводным протоколам! Это вводная статья которая тем не менее имеет практическое применение и рассказывает о реальном построении сетей и шлюзе и даже шлюзах, самых простых и дешевых и более дорогих. Итак...
Обновлено: 07.02.2024 (И это уже не первое обновление!)
P. S. Да, дорогие мои читатели статьи на своем канале я не забрасываю! И Вы можете увидеть плашку "обновлено" с датой. Это значит, что то было добавлено, исправлено и переработано, а статья, да и вообще мир вокруг стал лучше.
ZigBee - что это?
ZigBee — это беспроводной протокол, который использует маломощные радиосигналы для подключения устройств, обычно это устройства "Умного дома", но могут быть промышленные или медицинские устройства или например, устройства гостиничной сферы. Применений много, но мы будем говорить именно о "Умном доме".
Что значит само слово "Zigbee"?
Само слово "ZigBee" происходит от поведения (танец) медовых пчёл после возвращения их в улей. Сам протокол ZigBee регламентирован стандартом IEEE 802.15.4 на физическом уровне.
А что такое IEEE 802.15.4?
Начнем с начала, что такое IEEE? IEEE это такой институт, Institute of Electrical and Electronics Engineers или институт инженеров электротехники и электроники — некоммерческая инженерная ассоциация США, разрабатывающая стандарты по радиоэлектронике, электротехнике и аппаратному обеспечению вычислительных систем и сетей. Просто, для того что бы понимать спектр разрабатываемых стандартов институтом
Стандарты разработанные институтом:
- IEEE 754 — числа с плавающей запятой.
- IEEE 802 — семействo стандартов IEEE, касающихся локальных вычислительных сетей (LAN) и сетей MAN.
- IEEE 1003 — POSIX — Стандарт совместимости UNIX-подобных ОС.
- IEEE 1059 — Руководство по планированию верификации и подтверждения достоверности программного обеспечения.
- IEEE 1063 — Стандарт руководства пользователя для программного обеспечения.
- IEEE 1149 — Стандарт тестирование, программирование и локализация неисправностей печатных плат.
- IEEE 1284 — параллельный интерфейс.
- IEEE 1394 — FireWire (i-Link)
- IEEE 1667 — Стандартный протокол аутентификации при подключении съёмных устройств хранения данных.
- IEEE 1788 — интервальные вычисления на ЭВМ
- IEEE 1990 — Функциональный язык программирования Scheme.
Но в сегодняшнем контексте нас интересует именно IEEE 802. Стандарт имеет отдельные группы и расширения. Итак, расшифруем:
- IEEE — институт инженеров электротехники и электроники США.
- IEEE 802 — семействo стандартов IEEE, касающихся локальных вычислительных сетей, LAN.
- IEEE 802.15 — это рабочая группа стандарта беспроводных персональных сетей (WPAN). Ссылка на спецификацию (https://www.ieee802.org/15/pub/TG4.html)
- IEEE 802.15.4 — стандарт для беспроводных персональных сетей с низким уровнем мощности сигнала и скоростями до 480 Мбит/с.
О стандартах мы уже говорили в статье на канале: "Про форматы, стандарты, ширину и битрейты." Но вернемся к Zigbee. Ставить знак равенства между IEEE 802.15.4 и Zigbee не правильно! Они разные это хорошо и плохо, давайте разбираться в плюсах и минусах. Стандарт IEEE 802.15.4 является базой, уровнями описывающими:
- PHY - физический уровень;
- MAC - управление доступом к среде, физической адресацией или MAC-адресами.
Всем остальным ведает Zigbee, создан даже Альянс Zigbee (https://csa-iot.org/) который обеспечивает и публикует стандарты Zigbee, а также публикует профили приложений (программный уровень). Итак, на физический и канальных уровнях устройства совместимы по стандарту IEEE 802.15.4, а вот на программных уровнях могут быть не совместимы, что мы видим на практике и об этом будет ниже и в других статьях.
Хороший протокол Zigbee, просто замечательный, но! Как всегда есть одно но! Оборудование работающее по протоколу Zigbee не полностью совместимо между собой и иногда это делается намеренно самими производителями из самых крупных это, конечно Xiaomi (Aqara)!
Альянс Zigbee занимается не только "Умным домом", вот программные дополнения верхнего уровня:
- Домашняя автоматизация.
- Пульт дистанционного управления (RF4CE или RF для бытовой электроники)
- Система домашнего мониторинга распределением энергии (управление солнечными панелями и ветряками)
- Приложения здравоохранение для медицинского оборудования и фитнес-мониторинга
- Устройства ввода для клавиатур, мышей, сенсорных панелей, тачпадов и других устройств
- Light Link для контроля светодиодного освещения
- Розничные услуги для покупок
- Телекоммуникационные услуги
- Сетевые услуги, связанные с большими ячеистыми сетями
История ZigBee и последняя версия протокола
Сам альянс ZigBee стартовал в 2002 году. Спецификация Zigbee 1.0 появилась в 2004 году. На сегодняшний момент последняя версия Zigbee 3.0.
Топология сети
Особенность топологии Zigbee сетей это ячеистая (mesh) топология. О таких сетях уже была статья на канале: "Введение в WiFi Mesh (Меш), EasyMesh всемирное объединение?"
Разделение на классы устройств в сети Zigbee
Различают три различных типа устройств Zigbee.
- Координатор Zigbee (ZC) — устройство которое формирует пути дерева сети и может связываться с другими сетями, по сути это окно во внешний мир. В каждой сети есть один координатор Zigbee. В практическом применении это шлюз. Без шлюза сеть нее будет работать.
- Маршрутизатор Zigbee (ZR) — может выступать в качестве промежуточного маршрутизатора, передавая и принимая данные с других устройств. Обычно это не засыпающее устройство подключенное постоянно к питанию например лампочка. Маршрутизаторы и создают узлы ячеистой сети. По сути все устройства, которые не уходят в спящий режим, выполняют роль маршрутизаторов.
- Конечное устройство Zigbee (ZED) — это конечное устройство которое не поддерживает формирование ячеистой топологии, находится большую часть времени в спящем режиме. В практическом применении это датчики, датчик протечки, PIR датчик и так далее. Такие устройства питаются от батареек они обмениваются информацией с координатором, или с маршрутизатором, но не передают данные с других устройств. Это дешевые устройства.
Отражает эту топологию следующая диаграмма, суть в том что не все устройства могут формировать ячейки, невозможность связывания двух конечных устройств представлена на диаграмме.
А вот как рисует соединение конечных устройств через маршрутизатор самый дешевый шлюз, о котором будет ниже.
Далее эту топологию мы рассмотрим на примере и конечно начнем с шлюза или координатора.
Особенности Zigbee
Частота
Общение устройств происходит на частоте 2,4 ГГц
Zigbee работает в радиодиапазонах: 868 МГц в Европе, 915 МГц в США и в Австралии, и на 2,4 ГГц в большинстве стран в мире в том числе и у нас, в России (Еще в России доступны безлицензионное частоты: 433,05 МГц, 868,0 МГц)
Отступление о частоте
Экосистема "LifeControl" видимо раньше, а может и сейчас часть устройств работала (работает) на частоте 868,0 МГц. Ниже паспорт от лампочки LifeControl MCLH-02
Но не факт, что сама лампочка работает именно на этой частоте. У некоторых, судя по отзывам, она работает с стандартным шлюзом, а значит частота нормальная - 2,4 ГГц, но у меня она не хочет входит в режим сопряжения ни каким образом, даже через Touchlink. Но это я отвлекся, возвращаемся к стандартной частоте.
Нужно помнить на частоте 2,4 ГГц работает Wi-Fi и Bluetooth, а именно стандарты IEEE 802.11a, 802.11b, 802.11g, 802.11i, 802.11n Поэтому часть каналов может быть зашумлена, чаще сетью Wi-Fi 2,4 ГГц и это плохо.
Протокол Zigbee создает 16 каналов, каждый канал шириной диапазона в 5МГц.
У Zigbee каналов больше, и по нумерации они не совпадают с теми, что использует роутер Wi-Fi
Wi-Fi сеть работающая в диапазоне 2,4 ГГц, работает на трех каналах, которые не пересекаются между собой и обозначаются в настройках как 1, 6 и 11 каналы. Все это демонстрируется на графике.
Шлюз (координатор) Zigbee выбирает канал автоматически, в стандарте есть такое понятие, как Energy Detection с ее помощью выбирается канал, где меньше всего помех. И шлюз может менять частоту канала в зависимости от зашумленности, точный алгоритм смены канала я не знаю. Выбора канала при заходе через программу доступа к шлюзу нет. Но тем не менее устройство все делает само - функция plug-and-play. Это еще одно преимущество. Простота в использовании: ZigBee прост в использовании и поддерживает функцию plug-and-play.
- Расстояние передачи — от 10 до 75 метров. Максимальная скорость передачи данных составляет 250 кбит/с (может достигать 2 Мбит в секунду, согласно спецификации IEEE 802.15.4t-2017, но практически это не реализуется)
- В Zigbee нет IP адресации
- Особенность топологии Zigbee сетей это ячеистая (mesh) топология. О таких сетях уже была статья на канале: "Введение в WiFi Mesh (Меш), EasyMesh всемирное объединение?"
- Огромный плюсы Zigbee в том что устройства уходят в спящий режим, но могут активироваться, то есть переходить от спящего режима к активному, за 15 миллисекунд или меньше (это очень мало так для Bluetooth задержка может достигать трёх секунд)
- Как правило чипы Zigbee, являются объединёнными радио- и микроконтроллерами с размером Flash-памяти от 60 К до 128 К. Вот например на этой страничке "Supported Adapters" наиболее распестрённые и поддерживаемые адаптеры от ресурса Zigbee2mqtt.
Практика
На самом деле долгое время я скептически относился к устройствам Zigbee считая их излишни дорогими, а их протокол лишней сущностью. Отчасти я был прав, но в конце концов меня подкупило длительное время работы на батарейках, до 1,5-2 лет (но и это не совсем так) и самое главное - малое время задержки, а так же сравнительно простая интеграция с голосовыми помощниками, а голосовые помощники сейчас активно развиваются и востребованы потребителями. Но хватит лирики, перейдем к сути!
Сначала я купил вот такие устройства: шлюз и умное реле.
Затем были и другие устройства и об этом будет ниже и в серии статей на канале, но начнем мы с шлюза и с значков которые на коробке реле: "Tuya" и "Smart Life" это важно.
Шлюз
Начнем с шлюза без него наша сеть работать не будет, как написано выше шлюз это координатор Zigbee (ZC) - окно во внешний мир, обычных сетей (LAN и WAN, чаще и в данном случае, конечно это Wi-Fi) Шлюз я купил безымянный, вот такой: "Smart Gateway" или "Умный шлюз" от "Izba Tech". Покупал на Ozone вот тут, это один из самых дешевых (на момент покупки).
Вот другая сторона коробки с техническим данными
Из этого самое главное:
- нужен блок питания от 1A
- поддерживается Zigbee 3,0
- ну, а Wi-Fi 2,4 и Mesh это само самой разумеющиеся, но пишут что и Bluetooth поддерживает, да и это так я проверил на реле с Синезубом.
Инструкция, нужно скачать приложение
QR код ведет к приложению "Smart Life" (https://smartapp.smart321.com/smartlife/) на скачивание, оно есть и на Google Play, а на Rustore (https://www.rustore.ru/) нет.
Комплектация
Собственно комплектация
При внимательном рассмотрении увидим вот такой значок
Izba.tech - что это? Еще есть вот такая визитка
www.izba.tech ведет на сайт www.izbatech.taplink.ws это магазин который торгует всеми этим "умным барахлом" умными гаджетами. Что там хорошего? А там можно познакомится с ассортиментом, там есть инструкции и можно сходит на их Youtub канал. Но нас интересует шлюз, вот он (https://izbatech.taplink.ws/o/97be97/), видимо уже устарелая модель. К шлюзу добавляется множество умных устройств от Tuya. Но что такое Tuya?
Tuya
Tuya Inc. — китайская платформа поставщик услуг "Интернета вещей". А проще говоря это система "Умного дома". Tuya Smart — это глобальная платформа Интернета вещей, компания не производит продукты для Умного дома, но предоставляет платформу управления и интеграции для других производителей устройств Умного дома. Компания существует с 16 июня 2014 года, основана несколькими бывшими сотрудниками Alibaba. Штаб-квартиры компании присутствуют в Китае, Индии, Японии, США и Германии. Названа она не в честь дерева Туя, а в честь особого вида вулканов которые образуются при извержении лавы через лед вследствие чего появляется гора с плоской вершиной и крутыми склонами.
Приложение управления
Базовыми приложениями для этой экосистемы являются:
- Tuya Smart;
- Smart Life;
- DIGMA Smart Life
Первым конкурентом экосистемы от Tuya в нашем регионе является Mi Home от небезызвестной Xiaomi. Ну и конечно Яндекс с Алисой, но Алиса тут идет рядом, как дополнение, как голосовой помощник, хотя у Яндекса есть свои устройства на 100% совместимые а Алисой, но более дорогие. Были попытки, а некоторые продолжаются и сейчас разрабатывать свои экосистемы умных домов, так например в это направление ворвался "SBER" который не совместим или плохо совместим с другими экосистемами, видимо делается это намеренно, конкуренция в этой сфере сейчас высока. Или вот "Мегафон" со своей уже проданной и видимо уже почившей экосистемой "LifeControl" или вот уже упомянутый тут "Триколор" (статья на сайте: "Умная ZigBee лампа Триколор BDHM8E27W70-I1. Что такое GPPB?") и ещё много, много китайских производителей, "Moes", Aubess (У меня есть реле этого производителя, обзор и сравнение будут) и так далее.
Разборка
Как всегда давайте разберем шлюз и посмотрим что там внутри.
Вот надпись на задней крышке.
Нужно открутить четыре винта под резиновыми ножками, вот они.
И вот внутренности
Перевернем плату (да и я затер служебную информацию с серийными номерами, зачем не знаю, но они тут не нужны, в контексте данной статьи, а название модулей я оставил)
Видим надпись "JM-SMWGO1-MINI", но Гугл поиск ничего не находит. На плате два радио модуля:
Модуль WBRG1
Это маломощный встроенный модуль Wi-Fi+Bluetooth, разработанный Tuya. Содержит чипа RTL8721CSM. Вот ссылка на Datasheet от Tuya.
Модуль ZS3L
ZS3L — это модуль Zigbee, разработанный Tuya. Чип EFR32MG21A020F768IM32-B (как стик USB Sonoff Zigbee Dongle-E). Вот ссылка на Datasheet от Tuya, а вот на сам чип от SL. Как видим, да на самом деле, шлюз поддерживает Zigbee 3,0, Wi-Fi 2,4, Bluetooth.
Хочу сказать что этот шлюз внешне и по упаковке очень похож на вот такой "Шлюз Zigbee 3.0 Tuya" у него на задней крышки маркировка: "TYZG1"
Но такой же он внутри или нет я не знаю, у меня его нет.
А вот демонстрационная плата шлюза от Tuya очень похожа, ссылка на Zigbee Gateway. Снимок оттуда, самое интересное, что там подписаны гребенки контактов может кому пригодится и она как две капли воды похожа на плату ниже.
Правда там другой модуль Zigbee, но мне кажется они совместимы по контактам (это только мое предположение).
Добавлено от 14.01.2023
Затем я купил еще один дешевый шлюз, который похож на плату выше, в принципе на его покупку меня сподвигла только цена, всего 490 ₽, брал на Озоне, но там больше нет. Вот он "Умный хаб NY-GW-01"
Вот название на другой стороне: "NY-GW-01"
И конечно я его разобрал, вот плата как две капли воды похожа на ту что выше.
А вот чипы
Как видим чип EFR32MG13P732HG, cсылка на тех. документацию от SL: datasheet.pdf послабее чем EFR32MG21
Но наверное, это уже другая история... Хотя и на этом я не остановился и заказал (но он пока еще до меня не дошел) шлюз SLS, но это уже совсем другая история, подписывайтесь на канал TehnoZet-2 и я обязательно расскажу почему именно этот шлюз, что в нем хорошего и почему другие шлюзы плохие, не очень хорошие.
Обновлено 28.01.2022
Да и вот он шлюз SLS пока я с ним разбираюсь, но это устройство, не не так УСТРОЙСТВО! С большой буквы, оно не сравнимо с всеми теми что выше, но и уровень входа тут повыше.
И конечно, о нем будет отдельная статья на моем канале (TehnoZet-2 - подписывайтесь!)
О Smart Life
Работа с самим шлюзом проблемы не представляет, мы просто его подключаем к питанию устанавливаем программу, одну из трех. Я установил "Smart Life" ссылка на скачивание: https://smartapp.smart321.com/smartlife, но она есть и на Google Play.
На момент написания статьи (02.01.2024) версия программы 5.8.2
Сам шлюз находится на вкладке "Дом" вот тут
А вот тут происходит добавление новых устройств
Сопряжение
Для сопряжения нужно нажать кнопку на устройстве или сопрягать другими способами о них ниже. Вот например инструкция из "Умной лампы Триколор" (Статья на канале: "Умная ZigBee лампа Триколор BDHM8E27W70-I1. Что такое GPPB?")
Ниже это инструкция продублирована текстом.
Режим поиска / сброса устройства (чаще всего ламп)
- Вкрутите лампочку в светильник/люстру.
- Включите светильник/люстру. Подождите 5 секунд, а затем выключите и включите лампу вручную 5 раз с интервалом 1-2 секунды, последнее состояние лампы должно быть «включено».
- После этого лампа мигнет 3 раза, что означает её сброс/переход в режим поиска.
Другие варианты спаривания
Большинство MiJia устройств: нажмите и держите кнопку сброса на +/- 5 секунд (до тех пор пока голубой цвет начнет моргать). ВАЖНО: Отпускайте и нажимайте кнопку сброса каждую секунду — при этом обязательно должен моргать голубой свет (если не свет не моргнул, то нажмите кнопку еще раз не дожидаясь следующей секунды). Это будет держать устройство онлайн и заставлять не уходить в сон. Это делается для того чтобы устройство не ушло в сон до момента спаривания.
Для Aqara устройств всё проще: держите +/- 5 секунд кнопку сброса пока голубой цвет не поморгает 3 раза, после этого отпустите (голубой цвет моргнет еще раз) и ждите.
Для Aqara выключателей всё также просто: держите +/- 10 секунд кнопку пока голубой цвет сначала не начнет моргать, а потом закончит, после этого отпустите и ждите.
Touchlink — это функция Zigbee, которая позволяет устройствам, физически близким друг к другу, взаимодействовать друг с другом, не находясь в одной сети. Подробнее в статье: "Умная ZigBee лампа LifeControl MCLH-02, что с ней не так?"
Вроде все просто и проблем нет! И все же они могут возникнут далее, на нескольких этапах:
- сама программа "Smart Life" не видит устройств
- устройства не перекидываются в Алису.
Взаимодействие устройств, роутера Wi-Fi, шлюза ZegBee, конечных датчиков, исполнительных устройств и Алисы отражает вот такая диаграмма.
Стандартная цепочка будет выглядеть следующим образом.
Устройство (Например розетка) - Шлюз (Например "Tuya Smart Life" - Программа (Например "Smart Life") - Навык (Например "Smart Life") - Алиса
Все навыки доступны вот тут.
Как мы писали выше Smart Life это компания Tuya, а вот например Aqara это суббренд Xiaomi. Если Вы купите устройства Xiaomi (Aqara) ну например вот такую кнопку
Или вот такой датчик вибрации (разбития стекла) AQARA, который можно использовать совсем не как датчик.
А вот, кстати такой куб управления "Умным домом" (Aqara Cube, модель MFKZQ01LM) к сожалению не подхватывается Яндексом, но к этому мы еще вернемся в следующих статьях.
Так вот, такие датчики и кнопки от Aqara не увидятся шлюзом Tuya Smart Life
Но увидится шлюзом от Xiaomi (Aqara).
Но вот что интересно и полезно, устройства Tuya и устройства от Xiaomi (не все) подхватятся Яндекс станциями с ZigBee, например у меня самая дешевая (с ZigBee модулем) это Миди.
Но об этом боле подробно мы поговорим далее в серии статей, так как это большая тема. А на сегодня все, но как всегда...
Продолжение следует...
Пользуйтесь рубрикатором по каналу, там все по разделам: "Страничка путеводитель по каналу TehnoZet-2"
Статьи и видео моего блога
Тэги
#умныйдом
#zigbee
#алиса
#голосовойпомощник
#mesh
#меш
#шлюз
#Домотикз
#Domoticz