El objetivo de construir un hogar inteligente es conectar todo en el hogar, especialmente para permitir que todos los dispositivos de hogar inteligente del Internet de las Cosas compartan información. Esta es la intención original del nacimiento de muchos protocolos del Internet de las Cosas, como Zigbee.
¿Qué es Zigbee?
Zigbee es una tecnología de red inalámbrica segura, de baja velocidad y bajo consumo de energía. Se considera ampliamente como una excelente alternativa a WiFi y Bluetooth. Es adecuada para dispositivos de bajo consumo que no requieren mucho ancho de banda, como los sensores de hogares inteligentes, lo que puede hacer que las aplicaciones de IoT sean más eficientes. Se utiliza ampliamente en el monitoreo y control remoto industrial y de hogares inteligentes.
Un ejemplo típico es que cuando tienes una bombilla habilitada para Zigbee y un interruptor de luz habilitado para Zigbee, deseas que el interruptor de luz controle la bombilla. Con Zigbee, incluso si los dos dispositivos provienen de diferentes fabricantes, no tienen barreras de comunicación porque utilizan el mismo lenguaje Zigbee.
Historia de Zigbee y origen del nombre
Zigbee fue desarrollado por la Zigbee Alliance, una organización sin fines de lucro fundada en 2002. La alianza incluye muchas empresas de tecnología bien conocidas, como Phillips, Mitsubishi Electric, Seiko Epson, Texas Instruments, etc. Zigbee fue creado para proporcionar un protocolo unificado, flexible y altamente compatible para hardware de IoT, ingenieros de desarrollo de aplicaciones y usuarios de IoT, de modo que diferentes hardware y software de IoT puedan conectarse de forma rápida y económica de manera inalámbrica. Zigbee es sencillo en cuanto a la configuración de uso, reduciendo la curva de aprendizaje de los usuarios.
La Alianza Zigbee fue oficialmente renombrada como la Alianza de Estándares de Conectividad el 11 de mayo de 2021. Ahora tiene más de 600 miembros, incluidas empresas tecnológicas como Apple, Amazon, Google, IKEA, Samsung, etc., y se compromete a promover Zigbee y el protocolo estándar Matter para el hogar inteligente de próxima generación.
Para entender Zigbee literalmente, primero podemos descomponer la palabra Zigbee. Zigbee está relacionado con las abejas, por lo que hay una palabra Abeja en su nombre. ¿Qué es Zig? También está relacionado con las abejas: cada vez que una abeja encuentra un nuevo grupo de flores, utilizará un método de comunicación especial llamado "Zig" para notificar a otros compañeros abeja sobre la ubicación del nuevo grupo de flores, y Zig es la red de comunicación de la abeja, por lo que el "Zig" en Zigbee se refiere al modo de red utilizado por la abeja. Zig + Abeja se convirtió en el nombre de Zigbee, una nueva generación de protocolo de comunicación inalámbrica.
Cómo funciona Zigbee
Red de malla Zigbee
La red de malla Zigbee se refiere a las conexiones entre nodos inalámbricos Zigbee que pueden comunicarse y compartir conexiones de red en una gran área. Piensa en los nodos como pequeños transmisores que funcionan de la misma manera que los enrutadores inalámbricos. La capacidad de Zigbee para soportar redes de malla significa que puede extender el rango de transmisión de datos y proporcionar una mejor estabilidad (incluso cuando un solo nodo conectado falla o no está funcionando).
Con Zigbee, podrías tener un nodo controlador maestro que controla los otros nodos conectados, el
Puerta de enlace Zigbee. Si un nodo falla y no puede comunicarse con un segundo nodo en la red de malla, el nodo maestro y el segundo nodo pueden comunicarse conectándose a un tercer nodo dentro del alcance. Cada nodo actúa como un repetidor, y todos los nodos cooperan en la distribución de datos - de ahí la red de malla. Zigbee admite hasta 65,000 nodos en una sola red.
Significa que puedes usar dispositivos o sensores de hogar inteligente lejos de tu hub sin perder conectividad. Los datos se transmiten de un nodo a otro, así que mientras tengas suficientes nodos, puedes comunicarte con dispositivos a través del hub de hogar inteligente.
Bandas de frecuencia Zigbee y licencias
Zigbee utiliza las capas física y MAC de IEEE 802.15.4. También opera en la banda ISM de 2.4 GHz sin licencia. Aunque 2.4 GHz se utiliza ampliamente en todo el mundo, los dispositivos en los Estados Unidos, Europa y China utilizan 915 MHz, 868 MHz y 784 MHz, respectivamente. Solo se selecciona un canal/banda para su uso en la red.
- Canal 0: 868 MHz (Europa)
- Canales 1-10: 915 MHz (Estados Unidos y Australia)
- Canales 11-26: 2.4 GHz (Mundial)
La banda de 2.4 GHz es la más utilizada porque no requiere licencia y está disponible en todo el mundo. También transmite datos a una velocidad de 250 kbps.
Rango de comunicación Zigbee
El rango de comunicación de Zigbee varía dependiendo de la potencia de salida de los dispositivos inteligentes y productos para el hogar inteligente, si el entorno está bloqueado y el protocolo Zigbee específico utilizado. Hablando en términos generales, el rango de cobertura de cada producto inteligente Zigbee puede alcanzar aproximadamente 100 metros en interiores y 400 metros al aire libre; el rango teórico máximo en condiciones ideales es de aproximadamente 1,600 metros, pero en la mayoría de los entornos de aplicación reales (es decir, en interiores), el rango de cobertura es de aproximadamente 10-30 metros.
Requisitos de energía Zigbee
Los productos inteligentes Zigbee generalmente operan dentro de un rango de voltaje de 2.1 - 3.6 V. Suponiendo un funcionamiento normal, el consumo de energía es aproximadamente de 20 - 50 mA. El consumo de energía de los productos inteligentes Zigbee también puede variar dependiendo del protocolo Zigbee, la banda de frecuencia utilizada o la distancia y la tasa de datos entre los productos inteligentes. Por ejemplo, un producto inteligente Zigbee que utiliza la banda de frecuencia de 2.4GHz consumirá más energía que un producto inteligente que utiliza la banda de frecuencia de 868 / 915 MHz.
Los productos inteligentes Zigbee están diseñados generalmente para ser de bajo consumo y pueden ser alimentados por pequeñas baterías u otras fuentes de energía domésticas comunes, con una potencia generalmente entre 3 mW y 600 mW.
Resumen de la Tecnología Zigbee
La siguiente tabla muestra un resumen de todos los detalles técnicos mencionados anteriormente.
Comparación entre Zigbee y WiFi, Bluetooth y Z-wave
Zigbee tiene algunas similitudes y diferencias clave con otros protocolos inalámbricos como WiFi, Bluetooth, Z-Wave y LoRaWAN. Como se muestra en la siguiente tabla:
Las tecnologías de comunicación inalámbrica como Zigbee, WiFi, Bluetooth y Z-Wave, cada una de las cuales tiene sus ventajas y limitaciones.
Desde la perspectiva del protocolo, la distancia de comunicación del WiFi es mucho menor que la del protocolo Zigbee. En términos generales, las paredes atenuarán seriamente las señales de WiFi, lo que no es adecuado para todo el sistema de hogar inteligente. El consumo de energía en espera del protocolo WiFi es alto, lo que no es adecuado para dispositivos alimentados por batería, como los interruptores de sensor. El estado de funcionamiento o la ejecución de comandos de los dispositivos del protocolo WiFi depende en gran medida del estado de la red. El dispositivo de hogar inteligente puede volverse inestable fácilmente si no puede recibir señales como un teléfono móvil.
El gateway IoT que utiliza el protocolo Zigbee puede aumentar considerablemente el número de dispositivos que puede soportar. El número de interruptores inteligentes, sensores y motores en un hogar puede alcanzar docenas, y el gateway Zigbee puede manejar fácilmente estos problemas.
Desde la perspectiva de la transmisión de datos, WiFi ejecuta comandos de control por un camino completamente diferente al de otros protocolos. Por ejemplo, en el escenario de iluminación con detección de personas, cuando el sensor detecta que alguien está pasando, genera datos y los sube al servidor en la nube, que luego envía un comando para encender la luz. El comando se transmite de forma inalámbrica al interruptor inteligente, enviando una señal para encender la luz.
Los datos generados se transfieren a través de la puerta de enlace Zigbee si se utiliza el protocolo Zigbee. Dado que la puerta de enlace tiene capacidades de computación en el borde y diseño lógico, todos los datos solo necesitan ser transmitidos a través de la puerta de enlace en casa para completar el comando de control.
A diferencia de ver videos en un teléfono móvil, los videos se pueden almacenar en caché y cargar. Las escenas de hogar inteligente deben responder de manera oportuna. Cuando las personas pasan, es imposible dejar que el sensor espere mucho tiempo para que el servidor en la nube procese los datos y envíe comandos. Si la red no es buena, el sensor seguirá esperando, lo que provocará que la respuesta del sensor se retrase o sea inestable, y la experiencia del usuario se volverá muy mala.
Por lo tanto, los hogares inteligentes requieren protocolos de baja latencia y alta estabilidad. Esta es la razón por la cual el protocolo Zigbee es superior al protocolo WiFi y por la cual se deben utilizar puertas de enlace Zigbee en los hogares inteligentes. Aunque Zigbee no es tan potente como WiFi y Bluetooth en lo que respecta a la tasa de transmisión de datos y la cobertura de señal, tiene un bajo consumo de energía y es más adecuado para dispositivos alimentados por batería. También es más abierto y más barato que Z-wave, por lo que los productos de hogares inteligentes prefieren utilizar Zigbee.
La siguiente figura muestra en detalle la clara comparación de estas tecnologías en términos de cobertura de señal, costo de uso, tasa de datos de comunicación y consumo de energía:
Zigbee tiene las siguientes ventajas.
Respuesta rápida
En general, solo se necesitan 15 ms para que Zigbee Mesh cambie del modo de suspensión al modo de trabajo y 30 ms para que un nodo acceda a la red. Zigbee Mesh sigue siendo la solución preferida para dispositivos de hogar inteligente que requieren una respuesta rápida. Por supuesto, con el desarrollo de Bluetooth Mesh, la velocidad de respuesta de Bluetooth Mesh también está mejorando constantemente.
Fuerte capacidad de anti-interferencia
Zigbee fue desarrollado originalmente para la producción industrial. El diseño de la capa física de RF de la tecnología Zigbee garantiza una fuerte capacidad de anti-interferencia y fiabilidad en la comunicación, por lo que su capacidad de anti-interferencia es más fuerte que la de Bluetooth y WiFi. Zigbee es más adecuado para su implementación en entornos con gran interferencia.
Seguro y confiable
El diseño es seguro y tiene múltiples mecanismos de seguridad, incluyendo cifrado inalámbrico AES-128-CCM, para cumplir con los requisitos de seguridad.
Bajo consumo de energía
Dos pilas AA ordinarias se pueden usar en modo de bajo consumo durante 6 a 24 meses.
¿Cuáles son las soluciones de aplicaciones inteligentes basadas en Zigbee?
Las redes de sensores basadas en la tecnología Zigbee se utilizan ampliamente y pueden ayudar a lograr mejor el objetivo de conectar todo. Las aplicaciones de la tecnología Zigbee incluyen hogares inteligentes, control industrial, lectura automática de medidores, monitoreo médico, aplicaciones de redes de sensores, aplicaciones de telecomunicaciones, sistemas de almacenamiento y logística, etc.
Hogar Inteligente
En términos generales, muchos dispositivos eléctricos y electrónicos están en el hogar, como luces, televisores, refrigeradores, lavadoras, computadoras, aires acondicionados, etc. También puede haber sensores de humo, alarmas, cámaras, etc. En el pasado, se podía lograr un control punto a punto, pero si se adopta la tecnología Zigbee, estos dispositivos electrónicos pueden conectarse para formar una red.
Puedes incluso conectarte a Internet a través de un hub Zigbee para el hogar inteligente. Así, las personas pueden verificar rápidamente sus hogares desde cualquier lugar sin cableado. Aplicar la tecnología de comunicación inalámbrica Zigbee a los dispositivos de hogar inteligente puede mejorar la conveniencia de la operación y reducir el costo familiar.
Además, la tecnología de comunicación inalámbrica Zigbee también puede realizar funciones prácticas de anti-interferencia de señales, creando conveniencia para las personas mientras reduce la interferencia de señales a otros usuarios.
Cuidado Inteligente de Ancianos
Zigbee también se puede utilizar ampliamente en el campo del cuidado inteligente de ancianos. Las soluciones de atención domiciliaria IoT permiten que los ancianos permanezcan en casa de forma independiente durante más tiempo. No solo puede detectar la trayectoria de vida de los ancianos, sino también proteger la seguridad de las personas mayores. El sistema utiliza sensores inalámbricos discretos en toda la casa para comprender los patrones de comportamiento diario de los adultos mayores y detectar cambios de comportamiento que puedan causar preocupación.
Luego envía un mensaje a los miembros de la familia o cuidadores para alertarlos. Los sistemas de cuidado inteligente para ancianos han sido probados con éxito en instalaciones de cuidado residencial durante muchos años y ahora están disponibles para la instalación en el hogar por parte de proveedores de servicios, minoristas e integradores de sistemas de hogares inteligentes.
Apartamento Inteligente
La inteligencia tiene como objetivo proporcionar a los inquilinos una residencia integrada en el estilo de vida, aumentar los alquileres de los inquilinos, ahorrar energía y recopilar valiosos datos de la población residente. Los apartamentos inteligentes pueden estar equipados con hubs de puerta de enlace Zigbee, control de acceso, cerraduras de puertas, termostatos, medidores inteligentes, sensores de inmersión en agua, sensores de movimiento humano, enchufes inteligentes, interruptores inteligentes y otros dispositivos de hardware inteligente.
Salud Inteligente
El monitoreo médico electrónico ha sido un punto caliente de investigación en los últimos años. Muchos sensores se colocan en el cuerpo humano para medir el pulso, la presión arterial, el estado de salud, etc. Monitores y alarmas también se colocan en las salas de hospital para verificar las condiciones físicas en cualquier momento. Una vez que ocurre un problema, se puede hacer una respuesta oportuna, como notificar al personal del hospital de guardia.
La tecnología Zigbee puede conectar estos sensores, monitores y alarmas para crear una red de monitoreo. Debido a que es una tecnología inalámbrica, no es necesario tener conexiones por cable entre los sensores, y la persona monitoreada puede moverse libremente. Aplicación de redes de sensores inteligentes
Las redes de sensores también han sido un punto caliente de investigación en los últimos años y tienen buenas perspectivas de aplicación en el seguimiento de carga, monitoreo de edificios, protección del medio ambiente, etc. Los nodos de bajo costo, el bajo consumo de energía, la creación automática de redes, el mantenimiento simple y la alta fiabilidad son los requisitos de las redes de sensores. Zigbee se ha convertido en una excelente opción técnica para las aplicaciones de redes de sensores debido a sus ventajas en la creación de redes y el bajo consumo de energía.
Sistema inteligente de almacenamiento y logística
Con la promoción de sistemas de almacenamiento y logística, la demanda de sistemas de transmisión de datos inalámbricos está en aumento. Plantea requisitos de alta eficiencia y bajo costo para la tecnología de comunicación inalámbrica. Zigbee es particularmente adecuado para sistemas de almacenamiento y logística debido a su seguridad, fiabilidad, enrutamiento multipath y otras características. Su práctica se refleja en:
Primero, el despacho de vehículos en el lugar. Dado que la conexión entre el vehículo y la consola es muy importante, y en almacenes, logística y otros lugares, los protocolos de comunicación inalámbrica tradicionales dificultan garantizar la distancia de transmisión, se puede utilizar la red Zigbee para resolver esta parte del problema.
En segundo lugar, la estructura de red de la tecnología de comunicación inalámbrica Zigbee en malla se puede aplicar al almacenamiento y la logística, confiando en el relé de datos, el enrutamiento dinámico y otros medios para garantizar la fiabilidad y la eficiencia de la comunicación de todo el sistema.
Finalmente, los vehículos en almacenamiento y logística siempre necesitan moverse continuamente, y los protocolos de comunicación inalámbrica tradicionales siempre muestran el problema de la flexibilidad insuficiente al encontrar la mejor ruta. Con su topología de red, la tecnología puede satisfacer las necesidades cambiantes de las rutas de transmisión de información y proporcionar de manera flexible rutas de transmisión ideales para garantizar la calidad de la comunicación.
Sistema de lectura de medidores inteligentes
El sensor convierte la lectura del medidor en una señal digital y envía la lectura directamente a la compañía de gas o agua a través de la red Zigbee. Usar Zigbee para lecturas de medidores también puede traer otros beneficios. Por ejemplo, la compañía de gas o agua puede enviar información directamente al usuario en conjunto con el uso de ahorro de energía. Puede reducir automáticamente la tasa de uso cuando encuentra que es demasiado rápida.
Dispositivos de hogar inteligente basados en Zigbee
El mercado de IoT tiene cada vez más tipos de productos, y la tecnología se está volviendo cada vez más madura. A medida que la tecnología Zigbee continúa mejorando, se convertirá en la tecnología inalámbrica digital más avanzada del mundo hoy en día. Las ventajas significativas de Zigbee, como el bajo consumo de energía, el bajo costo, la baja velocidad y la facilidad de uso, están destinadas a tener amplias perspectivas de aplicación.
Termostatos, medidores inteligentes, sensores de temperatura y humedad, sensores de presencia humana, sensores de brillo y sensores de CO2, enchufes inteligentes, actuadores con medidores de energía y potencia integrados: una amplia gama de dispositivos inalámbricos para proyectos de edificios inteligentes diseñados para maximizar la eficiencia energética.
Un gateway Zigbee es un gateway de IoT que conecta una red Zigbee y otras redes inalámbricas o cableadas, como WiFi o Ethernet. Los gateways de hub de puente Zigbee permiten que los dispositivos Zigbee en una red de malla Zigbee, como iluminación inteligente, termostatos y cámaras de seguridad, se comuniquen con dispositivos en otras redes y viceversa. Los usuarios pueden monitorear sus dispositivos Zigbee usando sus teléfonos inteligentes. Dentro de un gateway Zigbee, hay un coordinador Zigbee para gestionar la red Zigbee y otra interfaz de red para conectar la red Zigbee a otras redes, dependiendo principalmente de la elección del usuario.
Los enchufes habilitados para WiFi y Zigbee funcionan con asistentes de voz inteligentes para permitir el control por voz de cualquier enchufe Zigbee. Soporta múltiples funciones: control remoto, control de temporizador, encendido y apagado automático de lámparas y pequeños electrodomésticos.
Actualmente, hay muchos sensores Zigbee en el mercado, como sensores para la automatización del hogar y edificios inteligentes:
- Sensor de luz
- Detector de fugas de agua
- Sensor magnético de puerta
- Calefacción/alarma de gas
- Detector de humo
- sensor de movimiento PIR
- Sensor de temperatura y humedad
Los interruptores inteligentes ofrecen de hecho muchas características que mejoran la conveniencia, el confort y la eficiencia dentro de un hogar..Los interruptores inteligentes pueden controlar de forma remota luces, cortinas, calentadores de agua, puertas de jardín, puertas de garaje, sistemas de control de acceso y más. Hay muchos tipos de interruptores inteligentes, como
interruptor regulador inteligente,
interruptor de ventilador inteligente,
interruptor inteligente de caldera, interruptor de luz con sensor de movimiento inteligente、
ventilador inteligente y interruptor de luz, y más.
¿Cómo instalar y desplegar dispositivos de hogar inteligente Zigbee?
Supongamos que está agregando un producto Zigbee por primera vez. En ese caso, se recomienda consultar el manual para la instalación, ya que el proceso de instalación puede variar según la marca, el fabricante y el modelo. Sin embargo, la instalación de una red Zigbee generalmente implica los siguientes pasos:
1.Compre los productos necesarios para el hogar inteligente, incluidos dispositivos Zigbee como interruptores y controladores inteligentes, hubs o puertas de enlace Zigbee (si es necesario), y cualquier otro accesorio, como baterías requeridas para los dispositivos, etc.
2. Organizar y preparar el área de instalación, incluyendo elegir la ubicación de los productos del hogar inteligente y asegurarse de que tengan una línea de visión clara y sin obstrucciones con el hub o puerta de enlace Zigbee. Además, verificar si el producto inteligente está dentro de la cobertura del hub o puerta de enlace Zigbee.
3. Conecte el producto de hogar inteligente Zigbee a una fuente de alimentación o instale baterías, y luego instálelo de acuerdo con el manual del producto.
4. Emparejar el producto de hogar inteligente con la puerta de enlace Zigbee, generalmente a través de una aplicación para smartphone o interfaz web para conectar el producto de hogar inteligente al hub o puerta de enlace Zigbee.
5. Configura la red Zigbee, como el canal de red y el ID de red
6. Probar la red Zigbee, verificar y probar si todos los productos de hogar inteligente están funcionando correctamente y se pueden controlar a través del controlador.
Vale la pena señalar que los dispositivos Zigbee generalmente requieren un hub de puerta de enlace Zigbee para conectarse a Internet u otros dispositivos, y estos hubs o puertas de enlace requerirán conexiones de energía e Internet.
¿Cuál es la tendencia de desarrollo futuro del mercado de hogares inteligentes Zigbee?
El protocolo Zigbee ha estado presente durante muchos años y es una tecnología probada en el mercado. Zigbee ha sido ampliamente adoptado en diferentes industrias y campos en todo el mundo debido a sus características prometedoras. Muchas instituciones globales bien conocidas han investigado extensamente las tendencias globales y la cuota de mercado de Zigbee. Aquí, comparto algunos números convincentes y sus referencias para mostrar el valor de la tecnología Zigbee.
Verified Market Research estima que el tamaño del mercado de Zigbee fue de $3.5 mil millones en 2021 y se espera que alcance los $7.79 mil millones para 2030, con una tasa de crecimiento anual compuesta del 9.30% desde 2023 hasta 2030.
• Según los datos de Reportslinker, se espera que el mercado de Zigbee crezca a una tasa de crecimiento anual compuesta de más del 9.2% durante el período de pronóstico de 2020 a 2025.
• Market Research Future dijo que para 2030, se espera que el mercado de automatización Zigbee tenga un valor neto de $7.91 mil millones, con una tasa de crecimiento anual compuesta del 8.60%.
La creciente popularidad de los hogares inteligentes y los dispositivos conectados, el aumento de la inversión en ciudades inteligentes y la demanda de soluciones de comunicación de bajo costo y ahorro energético han impulsado el rápido crecimiento del mercado Zigbee.
¿Cuáles son los problemas comunes al usar Zigbee?
¿Se requiere una puerta de enlace Zigbee?
Los dispositivos Zigbee requieren una puerta de enlace Zigbee. Actualmente, los teléfonos móviles soportan el protocolo WiFi, por lo que se necesita una puerta de enlace Zigbee para convertir el protocolo WiFi al protocolo Zigbee, de modo que los teléfonos inteligentes puedan controlar los dispositivos Zigbee. Las puertas de enlace Zigbee también pueden mantener centralmente los dispositivos Zigbee y garantizar que estén seguros y funcionando correctamente.
¿Cómo tratar con la falta de respuesta o la respuesta retrasada de los dispositivos Zigbee?
Causa: Congestión de red, interferencia de señal o problemas de firmware del dispositivo.
Solución: Evite colocar objetos metálicos u otros objetos que interfieran con la señal entre dispositivos WiFi y Zigbee—actualice el firmware del dispositivo para asegurarse de que todos los dispositivos tengan versiones de firmware compatibles.
¿Qué hacer si el dispositivo Zigbee no se puede encontrar o reconocer?
Causa: El dispositivo Zigbee está demasiado lejos del centro de control o del dispositivo de relé, o hay demasiadas paredes entre ellos.
Solución: Agregar dispositivos de relé entre el dispositivo Zigbee y el centro de control puede retransmitir señales inalámbricas para dispositivos Zigbee que están demasiado lejos del centro de control para expandir la cobertura de la señal.
¿Cómo resolver el problema de la corta duración de la batería?
Causa: El dispositivo consume mucha energía y tiene una mala calidad de batería.
Solución: Verifique la configuración del dispositivo y reduzca las comunicaciones o informes de estado innecesarios y frecuentes. Utilice baterías de alta calidad y reemplace las baterías en el ciclo de tiempo recomendado.