Для беспроводного управления освещением вот уже почти 20 лет широко применяется протокол Zigbee. Поначалу периодически выходили все новые и новые его варианты, но в 2019 г. организация, занимающаяся развитием протокола, объявила о том, что будет заниматься новым стандартом Matter, а затем вообще убрала слово Zigbee из своего названия. Пошли слухи, что Zigbee больше не будет развиваться. Но в этом году, неожиданно для многих, появилась новая версия протокола, которая позволяет при очень малых дополнительных затратах добавить к системе полноценный функционал «Интернета вещей».
При решении задач беспроводного управления освещением и некоторыми другими элементами «умного дома» приходится, как правило, использовать нелицензируемый диапазон 2,4 ГГц, отличающийся высоким уровнем помех. Кроме этого, внутри помещения радиосигнал может сталкиваться с самыми разными препятствиями, некоторые из которых трудно предугадать. Поэтому было предложено использовать для таких применений ячеистые (mesh) сети, узлы которых являются одновременно приемниками и ретрансляторами.
Система маршрутизации выбирает оптимальный маршрут для сигнала. Применительно к управлению освещением характерная для подобных решений переменная величина времени задержки не является серьезной проблемой.
Для разработки протокола, основанного на принципе mesh-сетей, в 2002 г. был создан альянс компаний, получивший название Zigbee Alliance. В результате работы этой организации в 2004 г. на свет появилась первая спецификация протокола Zigbee 1.0.
Строго говоря, Zigbee — это семейство протоколов, охватывающих, согласно модели OSI, уровни от канального до прикладного. Тот факт, что Zigbee регламентирует способ передачи данных на канальном уровне, является значительным преимуществом при-менительно к системам освещения. Для таких систем скорость не более 250 Кбит/с оказывается приемлемой, но зато в обмен мы имеем высокую устойчивость к действию помех и наличию препятствий. Это важно, поскольку светильники в интерьере могут находиться в труднодоступных местах.
Но в 2019 г. Zigbee Alliance объявил о том, что сосредотачивает свои усилия на разработке и продвижении нового стандарта Matter. При этом о планах дальнейшего развития Zigbee не сообщалось. А в 2021 г. организация сменила название на Connectivity Standards Alliance (CSA) — «Альянс стандартов подключений». В результате многие эксперты стали высказывать предположения, что протокол Zigbee больше не будет совершенствоваться. Поскольку, по некоторым данным, Zigbee — самый распространенный цифровой беспроводной протокол для систем «умного света» в мире, отказаться от него просто так нельзя. Тем не менее, отказ от совершенствования технологии мог означать, что протокол далее будет использоваться только в недорогих решениях начального уровня.
Неожиданно для скептиков CSA в январе 2023 г. представила технологию Zigbee Direct, а в апреле того же года опубликовала спецификацию новой версии протокола. Эта версия получила название Zigbee R23, главным ее усовершенствованием относительно предыдущих версий как раз является поддержка технологии Zigbee Direct. Давайте разберемся, что дает данная технология, как она ра-ботает и почему CSA, возможно, изменила стра-тегию своих действий?
Без интернет-маршрутизаторов и облачных сервисов
Современные системы «умного света» пред-полагают управление со смартфона или планшета. В системах на базе «Интернета вещей» такая возможность заложена изначально. Для Zigbee старых версий приходилось устанавливать дополнительный шлюз, сопрягающий Интернет с беспроводной сетью данного стандарта. Этот шлюз требует для своей работы организации внутренней компьютерной сети в доме, простейший вари-ант — установки Wi-Fi-роутера вместо Wi-Fi-точки доступа. Как правило, управление осуществляется через облачный сервис. Если доступ в Интернет отсутствует либо облачный сервис вам отключили, например, из-за санкций, возможно управление системой «умного света» только на уровне простейших функций.
Zigbee Direct позволяет включить самое обычное мобильное устройство в сеть Zigbee как один из ее узлов. Установив на смартфон или планшет специальное приложение, можно управлять системой «умного света» без установки маршрутизаторов и без использования облачных сервисов. Команды управления через ячеистую структуру будут транслироваться на все светильники системы.
В том случае, если мы имеем дело с уже установленной системой «умного света» на основе устройств, использующих старую версию Zigbee, достаточно добавить в нее только одно устройство, поддерживающее Zigbee Direct, чтобы получить доступ к новым функциям. Наверное, это самая впечатляющая особенность новой версии протокола.
Как это работает?
В новой версии протокола к уже известным типам устройств добавлены ZVD (Zigbee Virtual Device — виртуальное устройство Zigbee) и ZDD (Zigbee Direct Device — устройство, непосредственно реализующее функции Zigbee Direct). ZVD обычно реализуется программным способом, в виде приложения на мобильном устройстве. Но теоретически стандарт допускает реализацию данного типа устройств и аппаратным способом, например, в виде отдельного контроллера. Другой вопрос, что пока не ясно, зачем нужна такая возможность.
Для передачи данных между ZVD к ZDD используется технология Bluetooth LE (Low Energy). Эта технология поддерживается всеми мобильными устройствами с Bluetooth версии 4.1 и выше. То есть всеми более-менее современными мобильными устройствами.
Технология Zigbee Direct включает в себя три основные службы:
- Служба безопасности: установление безопасного соединения Bluetooth LE между ZVD и ZDD;
- Служба передачи обязанностей (Comission): позволяет ZVD управлять определенными действиями ZDD;
- Служба прямого туннелирования: позволяет ZVD отправлять и получать сетевые пакеты Zigbee в ZDD и обратно.
Важной проблемой, которая была решена при создании технологии Zigbee Direct, является то, что Zigbee и Bluetooth LE имеют собственные системы аутентификации пользователей. Пришлось разработать методику, обеспечивающую взаимодействие этих систем.
Возможны два варианта установки соединения между ZVD и ZDD:
- Open to be Provisioned (открыт для подготовки). Позволяет настроить соединение ZDD с сетью Zigbee на основе сервиса Comission. В данном режиме можно настраивать с мобильного устройства новый прибор с поддержкой Zigbee Direct, установленный в сеть.
- Open to Connect (открыт для соединения). Обеспечивается доступ авторизованных ZVD к сети Zigbee на основе сервиса прямого туннелирования. Позволяет управлять освещением и некоторыми другими элементами «умного дома» с приложения в мобильном устройстве. В данном режиме также можно открыть сеанс настройки прибора Zigbee Direct.
При изменении уровня авторизации в Zigbee (с «Администратор» на «Базовый» и обратно) открывается новый сеанс связи в Bluetooth LE, что обеспечивает надежную защиту информации.
С точки зрения пользователя это означает, что ему необходимо сначала авторизоваться в системе через администратора, после чего он может управлять освещением со своего мобильного устройства. При этом система надежно защищена от несанкционированного изменения настроек оборудования. Следует отметить, что если система предназначена для использования в быту, то роль администратора может выполнять и сам пользователь.
При правильном подходе к разработке интерфейса приложения, управление с мобильного устройства в Zigbee Direct для пользователя внешне ничем не будет отличаться от управления через облачный сервис.
Членами CSA по состоянию на 2023 г. являются российская компания Sber Devices, а также транснациональная компания с российскими корнями «Яндекс».
Zigbee Direct в России
Протокол Zigbee является открытым, чипы для него производятся в том числе и в Китае. Две крупнейшие российские IT-компании по-прежнему являются членами CSA (см. врезку). В условиях экономических санкций со стороны стран Запада эти обстоятельства являются важными преимуществами. Еще один плюс — отсутствие необходимости в использовании облачных сервисов.
Но пока, на момент написания статьи (август 2023 г.), единственным производителем чипов, реализующих технологию Zigbee Direct, является американская Silicon Labs. Об ее позиции по санкциям против России автору статьи ничего не известно, по крайней мере, публичных заявлений представители компании не делали. Тем не менее даже если с поставками продукции Silicon Labs возникнут проблемы, нет никаких технологических или организационных проблем, чтобы со временем такие чипы не освоили в производстве китайские компании.
Почему CSA, возможно, поменяла свою стратегию?
Новый вариант протокола Zigbee позволяет добавить новые функции, заменив всего один элемент системы освещения. Например, достаточно заменить всего одну «умную» лампу у себя дома на модель с поддержкой Zigbee Direct. Это не типично для современной индустрии — до недавнего времени производители стремились в процессе модернизации системы освещения заставить клиента менять сразу все оборудование. Не исключено, что и у некоторых членов CSA были такие мысли, раз на протяжении нескольких лет говорили только о развитии нового стандарта Matter, почти не упоминая про Zigbee.
Но сейчас ситуация изменилась. Последствия пандемии ковида для глобальной экономики привели к тому, что эпоха доступных кредитов закончилась. Поэтому более привлекательными сейчас выглядят решения, позволяющие хотя бы частично задействовать уже имеющееся оборудование. Где-то это делается административными мерами, как, например, запрет в Евросоюзе микросхем формфактора «капля», которые невозможно заменить при ремонте. А где-то производители сами идут навстречу клиентам, как это произошло в случае CSA. В любом случае, индустрии «умного света» теперь придется использовать новые методы борьбы за клиента.
