Технология zigbee в умном доме: компоненты, частота, каналы

Что за коробочка WB-MSW-ZIGBEE v.3

Отечественная компания Wiren Board с 2012 года занимается выпуском электроники для автоматизации, всевозможных датчиков и штук для умного дома. В арсенале присутствуют контроллеры для дома или офиса на Linux, всевозможные модули расширения, реле для управления электроникой, электрические счётчики, датчики и прочее.

Большая часть устройств разрабатываются для установки в распределительных щитах с креплением на DIN-рейку, а контроллеры и датчики предполагают проводное подключение. Такие средства автоматизации наиболее уместны на стадии ремонта с возможностью прокладки кабеля в любую точку дома или квартиры.

Одним из самых интересных и многофункциональных устройств Wiren Board является комбинированный датчик WB-MSW v.3 (над названием я бы ещё поработал). Собственная разработка и настоящая гордость компании. Один корпус разрабатывался около года с большим количеством образцов, заказом пресс-форм из Китая, печатью прототипов на 3D-принтере и литьём в силиконовые формы.

Предусмотрено все до мелочей. Толщина корпуса оперлась в самый “толстый” элемент СО2-сенсор, для удобства монтажа предусмотрен вырез под кабель-канал, чтобы скрыть неровный срез при таком способе подключения, плата отделена специальной защитой от монтажных отверстий, чтобы избежать случайного замыкания контактов при установке. Крышку удерживает единственная защёлка на торце. Случайно нажать её пальцем не получится, нужна тонкая отвёртка.

Внутри компактной коробочки размером 83×83×20 мм присутствуют:

1. Датчик температуры и влажности. В ранних версиях устройства устанавливались более дешёвые китайские датчики, но их показатели сильно разнились от партии к партии, а через пару лет некоторые устройства начинали сильно занижать показания.

В итоге разработчики перешли на цифровой комбинированный T+RH датчик с индивидуальной калибровкой. Сам чип спрятан между разными слоями печатной платы, чтобы максимально защитить чувствительный элемент от воды, пыли или неаккуратного установщика.

2. Датчик освещённости. Это не простой фотодиод, которым комплектуется большая часть аналогов, а продвинутый сенсор с фильтром, повторяющим спектр чувствительности человеческого глаза. Датчик имеет максимально приближенные к реальным показатели, а не относительные люксы при разном типе освещения.

3. Датчик движения. И здесь применяется не самый простой и банальный модуль. PIR-датчик D203S охватывает угол обзора 120 градусов и покрывает площадь на расстоянии до 10 метров.

Сенсор умеет не только определять наличие движения, но и учитывать его интенсивность. Так можно программно задавать нужные пороги срабатывания, отсекая, например, домашних животных или движущиеся от сквозняка предметы интерьера.

4. Датчик шума. Используется микрофон и фильтры коррекции, которые максимально приближены к восприятию звуков человеческим ухом. Здесь тоже есть как дискретная фиксация шума, так и определение его уровня для более тонкой программной настройки нужной автоматизации.

5. Датчик углекислого газа. Применяются высокоточные модули Winsen MH-Z19B. Инфракрасный сенсор просвечивает воздух в помещении и измеряет снижение интенсивности свечения. Получается довольно точно определить процент CO2 в помещении. Результат гораздо точнее аналогичных электрохимических датчиков.

6. Датчик VOC. Для измерения используется газовый сенсор Sensirion SGPC3. Он реагирует на наличие в воздухе органических газов и испарений, определяя его чистоту. Так можно заблаговременно узнать об ухудшении качества воздуха дома или в офисном помещении.

Практически все датчики являются модульными и не распаяны на плате (привет ребятам из Apple). Это позволяет выпускать разные модификации устройства с различным набором сенсоров на борту и при необходимости даже апгрейдить уже имеющиеся модели.

Согласитесь, что это солидный набор сенсоров для довольно компактной и лёгкой коробочки. Но на этом преимущества и фишки не заканчиваются.

Zigbee2MQTT vs ZHA: Adapters

You will need a Zigbee-compatible adapter for your setup. The Zigbee protocol isn’t the same as Wi-Fi or Bluetooth. ZHA supports both the ConBee and RaspBee adapters from dresden elektronik. There is also support for other easy-to-use adapters such as the ITEAD Sonoff ZBBridge and Digi XBee.

The easiest way of getting started with Zigbee2MQTT is by using the Texas Instruments CC2531. To flash the CC2531 you will also need a CC debugger and CC2531 downloader cable. As you might be able to tell, it isn’t quite as beginner-friendly as ZHA. The CC2531 is very much a tinkerer’s device and doesn’t even come with a case, just the bare PCB attached to a USB plug.

But the CC2531 isn’t the only option when using Zigbee2MQTT. There is now also support for the and , both of which come in a case and have an external antenna for an increased range. There is also experimental support for the ConBee II.

Winner: Tie

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

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.

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.

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.

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.

Описание технологии

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

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.

Как гаджет пробрасывается в HomeKit

Процесс добавления датчиков в умный дом

В разработке гаджета участвуют ребята из команды SprutHub, а значит устройство полностью совместимо с их модулем управления. Новый хаб находится на финальной стадии разработки и пока ещё не появился в продаже, сейчас все работает с самодельным хабом на основе “малинки” и стика ZigBee от Sprut.

Для активации режима сопряжения потребуется поднести любой магнит к задней поверхности устройства. После этого нажимаем волшебную кнопку поиска в приложении SprutHome и начинается магия. За несколько секунд все датчики и сенсоры залетают в приложение и “обживаются” в заданной комнате.

Оцените наглядность отображения датчиков в SprutHome (слева) и приложении Дом (справа).

Здесь в очередной раз проявляется продуманность и лаконичность интерфейса отечественной программы. Посмотрите, как наглядно и информативно отображается информация в SprutHome в сравнении с приложением Дом от Apple.

В приложении HomeKit можно сразу же включать предложенные варианты автоматизации или настраивать свои сценарии при помощи наглядного редактора команд и скриптов. Здесь в очередной раз убеждаюсь, что в Купертино разрабатывают систему управления умным домом на … по остаточному принципу.

Любой из датчиков может полноценно участвовать в процессе автоматизации

Взять, к примеру, настройку включения осветительного прибора кнопкой. Любое приложение для умного дома без проблем позволит задать на нажатие клавиши включение или отключение нужной лампочки или светильника. Но только не HomeKit.

Банальная кнопка воспринимается программистами из Apple либо включателем, либо выключателем. Следовательно, на нажатие можно задать или включение света, или его отключение. Интересно, так в Apple хотят, чтобы пользователи приобретали два выключателя к одной лампочке?

Выход из ситуации есть: нужно преобразовать автоматизацию в быструю команду, добавить условие и задать разные действия кнопки при каждом из возможных вариантов. Apple, вы серьёзно? Даже в приложении Mi Home от Xiaomi такая автоматизация настраивается в два счета одним действием без условий и быстрых команд.

Вот так “быстро” настраивается включение и выключение света кнопкой в HomeKit

При помощи нехитрых манипуляций можно подключить гаджет к любимому голосовому ассистенту.

Siri из HomeKit будет работать сразу же после подключения, а для интеграции с Алисой от Яндекса нужно сделать следующее:

1. Запустить приложения Яндекс (через него должен быть настроен голосовой ассистент Алиса).

2. Добавить новое устройство.

3. В поиске по производителю найти Sprut.Hub.

4. Авторизоваться в своей учётной записи Sprut.Hub.

5. Обновить перечень устройств.

Все датчики и сенсоры моментально “залетят” в приложение. Останется определить их в нужную комнату и можно запрашивать любой показатель умного дома через приложение или колонку с голосовым ассистентом.

Мифы и реальность

Несмотря на то, что с момента появления ZigBee прошло уже 5 лет, технология все еще находится на начальном этапе своего развития. С одной стороны, данную технологию поддерживают ведущие производители полупроводников, за прошедшие годы спецификация ZigBee была существенно переработана, появились публичные профили для решения достаточно важных и востребованных задач, среди которых домашняя автоматизация, управление потреблением энергии, автоматизация производства. С другой — на полках магазинов не видно ZigBee-устройств. Говорить о коммерческом успехе технологии пока рано. Число промышленных производителей конечных ZigBee-продуктов исчисляется десятками, мало и количество крупных инсталляций ZigBee-систем. Причин несколько — относительная дороговизна решения, высокая трудоемкость процесса разработки и, отчасти, существующие мифы и завышенные ожидания разработчиков и потребителей. Часто встречается заблуждение, что на базе ZigBee можно строить сети масштаба города, передавать звук (и даже видео!), создавать сети из десятков тысяч устройств и т. п. Для каждого постулата такого рода есть некое фактическое основание, тем не менее это ошибочные представления о возможностях технологии на данном этапе.

Можно ли построить ZigBee-сеть из десятков тысяч устройств?

В теории — да. Для сетевого адреса отводится 2 байта, что обеспечивает адресную емкость для 65 535 устройств. Но спецификация ZigBee определяет ряд других параметров (косвенно связанных с максимальным числом устройств в сети) таким образом, что реально можно говорить не более чем о нескольких сотнях устройств в одной сети. При числе устройств более 300 существенно возрастает служебный трафик и, соответственно, падает пропускная способность. Главные ограничивающие факторы для большого количества узлов — это затраты на разрешение возникающих конфликтов при случайном распределении адресов, снижение пропускной способности из-за растущей служебной активности, большие задержки при обнаружении устройств и прокладке маршрутов, ограничения ОЗУ для хранения больших таблиц маршрутизации.

Передача звука и видео

Скорость передачи данных в радиоканале в ZigBee составляет 250 кбит/с, но, несмотря на это, реальная скорость передачи полезных данных может быть меньше на порядок. Главная же проблема, возникающая при попытке передачи звука через ZigBee-сеть с ретрансляцией сообщений, — это возникающие задержки, которые неизбежны и непредсказуемы. Величина этих задержек достигает нескольких секунд, что делает передачу «живого» звука абсолютно нереальной, если мы говорим о mesh-сети. Только на нижнем уровне (802.15.4.) достижимы реальные скорости (до 115 кбит/с) , позволяющие передавать звуковой поток в цифровом виде.

Построение сетей масштаба города

Максимально разумное число ретрансляций пакета в сети ZigBee не должно превышать 10–30 хопов. С учетом того, что вне помещений максимальная разрешенная мощность составляет 10 мВт , одной ZigBee-сетью можно покрыть площадь только одного небольшого района.

Псевдоэкономия на «умном» освещении

Вам рассказывали родители, что выходя из комнаты надо выключать свет?

А вот нужно ли это сейчас, при использовании экономичных источниках света, давайте разберёмся. У меня в квартире светильники основного света: 2*70Вт (~7500лм) МГЛ, 1*150Вт (~14000лм) МГЛ.

Расчёт для Санкт-Петербурга (осень, зима, весна). Семья из трёх человек (например: двое постоянно дома). Свет будем использовать 10 часов в день, тариф дневной — 5р на 2021г.

Гостиная, лампа МГЛ 150Вт (по факту 160Вт) за 10 часов работы вы потратите 8 рублей (за месяц 240р)

Спальня, лампа МГЛ 70Вт (по факту 75Вт) за 10 часов работы вы потратите 3,75 рублей (за месяц 112р)

Кухня, лампа МГЛ 70Вт (по факту 75Вт) за 10 часов работы вы потратите 3,75 рублей (за месяц 112р)

Коридор, линейная лампа 28Вт за 10 часов работы вы потратите 1,4 рубля (за месяц 42р)

Дежурный свет в коридоре и ванне КЛЛ 8Вт/линейная лампа за сутки работы 2,3 рубля с двойным тарифом (за месяц 69р)

Траты на освещение в квартире в виде таблицы за месяц работы (по 10 часов в день)

коридор	кухня	спальня	гостиная
42 рубля	112 рублей	112 рублей	240 рублей

Как видим, особой экономии с постоянным включением/выключением света мы не получим, максимум это будет дискомфорт во время входа в темную комнату, с последующей яркой вспышкой и ослеплением от включившегося светильника. А для семьи из трёх человек сумма и вовсе небольшая, за постоянное качественное освещение.

Эксплуатационные расходы по обслуживанию светильников на 12 лет — раз в 4 года (~14000 часов) менять лампы: 1 лампа МГЛ стоит 1500р, линейная лампа 200р. Как видно, цена обслуживания светильников минимальна.

Правила по освещению

Были сделаны несколько триггеров, по которым включается освещение, чтобы совсем не думать про освещение, но в то же время, чтобы иметь его именно в тот момент, когда необходимо. Триггеры включают в себя:

1. Активацию по движению. Были автоматизированы все проходные зоны, такие как прихожая, кухня, санузел. 

Автоматизация сделана при помощи ZigBee датчика движения Xiaomi Mi Motion Sensor.

Вид на прихожую и дверь в ванную, за зеркалом виден электрический щиток

2. Активацию по открытию двери. Включение света в санузле при помощи накладного ZigBee датчика Xiaomi Mi Window and Door Sensor. Датчик просто наклеен на дверь и работает. Изначально задумывались о фрезеровке дверного проёма, но потом поняли, что это лишние затраты, потому что текущее положение и так не бросается в глаза. 

Внутри ванной

3. А вот тут необычный пункт — зависит насколько удобно вы устроились на рабочем месте в кресле. Этот пункт включает в себя китайский датчик давления под пятой точкой человека, который подаёт сигнал на включения света за рабочим столом. Настройка этой пары уже описана в статье Делаем «умное» Zigbee кресло за 15 долларов. Работает в паре с датчиком движения рабочей зоны ZigBee датчика движения Xiaomi Mi Motion Sensor.

Скриншот автоматизацииРабочий стол и кран за окном — неподалёку возводится вторая очередь ЖК

4. При отключении от Wi-Fi сети обоих телефонов хозяев квартиры и отсутствии движения на всех датчиках, свет погаснет автоматически во всей квартире через 10 минут. Здесь больной вопрос — ведь телефоны Apple не пингуются всё время, а у жены именно iOS. Решилось тем что, у роутера Huawei, которые ставит Ростелеком, есть интеграция с Home Assistant, благодаря которой можно узнать находится ли конкретное устройство прямо сейчас в локальной сети. При этом дополнительно проверяется заряд батареи устройств через приложение Home Assistant, чтобы избежать того момента, когда оба устройства разряжены.

5. Плавное пробуждение как у светового будильника от Philips. В зимнее время с утра заводится будильник через приложении Home Assistant и за полчаса до этого времени прикроватные бра (с установленными Lonsonho Tuya Smart Zigbee в подрозетниках, которые не требуют нейтрали) постепенно начинают увеличивать яркость свечения, таким образом создавая комфортные условия для пробуждения. А в летнее время года шторы защищают от излишнего света после 23 часов вечера и к утру, к времени установленного будильника они открываются, пропуская солнечный свет в комнату.

Спальня

Lonsonho Tuya Smart Zigbee в квадратном подрозетнике

Zigbee2MQTT vs ZHA: Device support

Services like Zigbee2MQTT and ZHA live and die by the number of Zigbee devices they fully support. If the device you’re trying to integrate with Home Assistant isn’t supported by either ZHA or Zigbee2MQTT, the choice between the two will have already been made for you. Before making your final decision and buying the appropriate hub or USB dongle, I’d suggest that you also take a look at the issues of each project on GitHub. You’ll often find that newer devices are already being worked on but aren’t yet included in the stable release.

Currently, Zigbee2MQTT supports a broader range of devices than ZHA, as can be seen on this website. While ZHA supports fewer obscure Zigbee devices it does cover the basics. Just about all the popular lights, motion sensors, and buttons from vendors such as Philips, IKEA, and Xiaomi are supported. There are also a few devices to be found that are only supported by ZHA and not Zigbee2MQTT. Despite that, Zigbee2MQTT is the overall winner of this round.

Philips Hue White and Color LED Smart Button…

Winner: Zigbee2MQTT

Что выбрать: Wi-Fi, Bluetooth, ZigBee или Z-Wave?

На рынке существуют десятки IOT технологий, но самыми популярными решениями являются Wi-Fi, Bluetooth, ZigBee и Z-Wave.

WiFi

очень популярная технология, она удобна и идеальна для голосовых помощников, систем видеонаблюдения, телевизоров, или в случае если у вас небольшое количество умных устройств. Но WiFi сильно энерго затратен и если умных устройств десятки, или сотни постоянно заряжать их проблематично. К тому же WiFi роутер не рассчитан на большое количество подключений. Конечно есть решения и на такой случай, но тогда цена развертывания сети вырастет в разы. WiFi имеет единую точку отказа — роутер.

Bluetooth LE

(Low Energy) не менее популярная технология с низким энергопотреблением, что позволяет более года не менять батарейку и высокой скоростью передачи 1-2 Мбит. Имеет функцию маячка (настраиваемое поведение устройств при приближении) и работает с устройствами напрямую. Из минусов работа в диапазоне 2,4 ГГц, и небольшой радиус действия в помещении с другими устройствами. Также большинство BLE устройств работают по принципу «точка-точка», что плохо подходит для создания продвинутых сценариев автоматизации. Но решением данной проблемы можно считать спецификацию Bluetooth mesh.

ZigBee

открытый стандарт с низким энергопотреблением конечных устройств (1-2 года), поддержкой ячеистой (mesh) топологии, высокой помехоустойчивостью, хорошей масштабируемостью (в теории до 65000 узлов) и большим проникновением на рынок. Из минусов: Zigbee работает в загружённом диапазоне 2,4 ГГц, что при сильных помехах может привести к снижению помехоустойчивости, и уменьшению радиуса действия. Каждый производитель создает отдельное приложение для поддержки только своих продуктов. Но как по мне самый большой минус это то, что устройства разных производителей не могут “общаться» между собой “из коробки”. Их можно объединить при использовании стороннего ПО, но отсутствие общих решений приводит к относительно высокому порогу вхождения. Альянс знает об этих проблемах и для устранения работает над DotDot и Connected Home over IP.

Z-Wave

— зарекомендовавший себя закрытый стандарт. Обладает высоким уровнем совместимости устройств, низким энергопотреблением, поддержкой ячеистой топологии, имеет стабильный сигнал в диапазоне 800–900 МГц, что позволяет лучше огибать препятствия (чем больше длина волны (ниже частота), тем лучше она преодолевает препятствия). Поддерживает до 232 устройств в одной сети и скорость до 100 кбит/с. Из недостатков стоит указать, что в разных странах для устройств малого радиуса действия выделены разные частоты. И устройства созданные для одной страны могут быть несовместимы для другой. Также Z-Wave несколько дороже ZigBee устройств.