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Por que as Casas Inteligentes Amam Zigbee: Um Olhar Mais Próximo sobre os Benefícios
创建于04.25
O objetivo de construir uma casa inteligente é conectar tudo na casa, especialmente para permitir que todos os dispositivos de casa inteligente da Internet das Coisas compartilhem informações. Esta é a intenção original do nascimento de muitos protocolos da Internet das Coisas, como Zigbee.
O que é Zigbee?
Zigbee é uma tecnologia de rede sem fio segura, de baixa velocidade e baixo consumo de energia. É amplamente considerada uma excelente alternativa ao WiFi e ao Bluetooth. É adequada para dispositivos de baixo consumo que não requerem muita largura de banda, como sensores de casa inteligente, que podem tornar as aplicações de IoT mais eficientes. É amplamente utilizada em monitoramento e controle remoto de casas inteligentes e industriais.
Um exemplo típico é que, quando você tem uma lâmpada habilitada para Zigbee e um interruptor de luz habilitado para Zigbee, você quer que o interruptor de luz controle a lâmpada. Com Zigbee, mesmo que os dois dispositivos sejam de fabricantes diferentes, eles não têm barreira de comunicação porque usam a mesma linguagem Zigbee.
História do Zigbee e origem do nome
Zigbee foi desenvolvido pela Zigbee Alliance, uma organização sem fins lucrativos fundada em 2002. A aliança inclui muitas empresas de tecnologia bem conhecidas, como Phillips, Mitsubishi Electric, Seiko Epson, Texas Instruments, etc. Zigbee foi criado para fornecer um protocolo unificado, flexível e altamente compatível para hardware de IoT, engenheiros de desenvolvimento de aplicativos e usuários de IoT, para que diferentes hardware e software de IoT possam se conectar sem fio de forma rápida e econômica. Zigbee é simples em relação às configurações de uso, reduzindo a curva de aprendizado dos usuários.
A Zigbee Alliance foi oficialmente renomeada como Connectivity Standards Alliance em 11 de maio de 2021. Agora possui mais de 600 membros, incluindo empresas de tecnologia como Apple, Amazon, Google, IKEA, Samsung, etc., e está comprometida em promover o Zigbee e o protocolo padrão Matter para casas inteligentes de próxima geração.
Para entender Zigbee literalmente, podemos primeiro simplesmente dividir a palavra Zigbee. Zigbee está relacionado a abelhas, então há uma palavra Bee em seu nome. O que é Zig? Também está relacionado a abelhas: toda vez que uma abelha encontra um novo grupo de flores, ela usará um método de comunicação especial chamado "Zig" para notificar outros companheiros abelhas sobre a localização do novo grupo de flores, e Zig é a rede de comunicação da abelha, então o "Zig" em Zigbee refere-se ao modo de rede usado pela abelha. Zig + Bee se tornou o nome de Zigbee, uma nova geração de protocolo de comunicação sem fio.
Como o Zigbee funciona
Dispositivos inteligentes com protocolo Zigbee podem formar automaticamente uma rede em malha, com cada dispositivo como um nó, e também podem formar uma rede de área parcial para conectar os dados de eletrodomésticos e dispositivos na casa inteligente e operá-los em coordenação.. Podem haver até 65.000 nós Zigbee, e cada dispositivo inteligente como um nó pode se comunicar entre si sem passar por um hub central. Quando um dos nós falha, os outros nós na rede mesh encontrarão um novo caminho dentro da rede para transmitir dados. Quanto mais nós houver, mais ampla será a rede mesh. As redes também têm diferentes formas, incluindo topologia em estrela, topologia em árvore e topologia em malha.
Rede Mesh Zigbee
A rede em malha Zigbee refere-se a conexões entre nós sem fio Zigbee que podem se comunicar e compartilhar conexões de rede em uma área ampla. Pense nos nós como pequenos transmissores que funcionam da mesma forma que roteadores sem fio. A capacidade do Zigbee de suportar redes em malha significa que pode estender o alcance da transmissão de dados e fornecer melhor estabilidade (mesmo quando um único nó conectado falha ou não está funcionando).
Com Zigbee, você pode ter um nó controlador mestre que controla os outros nós conectados, o
Gateway Zigbee. Se um nó falhar e não puder se comunicar com um segundo nó na rede mesh, o nó mestre e o segundo nó podem se comunicar conectando-se a um terceiro nó dentro do alcance. Cada nó atua como um repetidor, e todos os nós cooperam na distribuição de dados - daí a rede mesh. Zigbee suporta até 65.000 nós em uma única rede.
Isso significa que você pode usar dispositivos ou sensores de casa inteligente longe do seu hub sem perder a conectividade. Os dados são transmitidos de um nó para outro, então, desde que você tenha nós suficientes, pode se comunicar com dispositivos em todo o hub de casa inteligente.
Bandas de Frequência Zigbee e Licenças
Zigbee utiliza as camadas física e MAC do IEEE 802.15.4. Também opera na banda ISM de 2,4 GHz não licenciada. Embora 2,4 GHz seja amplamente utilizado em todo o mundo, dispositivos nos Estados Unidos, Europa e China utilizam 915 MHz, 868 MHz e 784 MHz, respectivamente. Apenas um canal/banda é selecionado para uso na rede.
- Canal 0: 868 MHz (Europa)
- Canais 1-10: 915 MHz (Estados Unidos e Austrália)
- Canais 11-26: 2,4 GHz (Mundial)
A banda de 2,4 GHz é a mais amplamente utilizada porque é não licenciada e disponível em todo o mundo. Ela também transmite dados a uma taxa de 250 kbps.
Faixa de comunicação Zigbee
O alcance de comunicação do Zigbee varia dependendo da potência de saída dos dispositivos inteligentes e produtos de casa inteligente, se o ambiente está bloqueado e o protocolo Zigbee específico utilizado. De modo geral, o alcance de cobertura de cada produto inteligente Zigbee pode atingir cerca de 100 metros em ambientes internos e 400 metros ao ar livre; o alcance teórico máximo em condições ideais é de cerca de 1.600 metros, mas na maioria dos ambientes de aplicação reais (ou seja, em ambientes internos), o alcance de cobertura é de cerca de 10-30 metros.
Requisitos de Energia Zigbee
Os produtos inteligentes Zigbee geralmente operam dentro de uma faixa de tensão de 2,1 - 3,6 V. Assumindo operação normal, o consumo de energia é aproximadamente 20 - 50 mA. O consumo de energia dos produtos inteligentes Zigbee também pode variar dependendo do protocolo Zigbee, da faixa de frequência utilizada ou da distância e taxa de dados entre os produtos inteligentes. Por exemplo, um produto inteligente Zigbee que utiliza a faixa de frequência de 2,4 GHz consumirá mais energia do que um produto inteligente que utiliza a faixa de frequência de 868 / 915 MHz.
Os produtos inteligentes Zigbee são geralmente projetados para serem de baixo consumo de energia e podem ser alimentados por pequenas baterias ou outras fontes de energia domésticas comuns, com potência geralmente entre 3 mW e 600 mW.
Resumo da Tecnologia Zigbee
A tabela a seguir mostra um resumo de todos os detalhes técnicos mencionados acima.
Comparação entre Zigbee e WiFi, Bluetooth e Z-wave
Zigbee tem algumas semelhanças e diferenças chave com outros protocolos sem fio, como WiFi, Bluetooth, Z-Wave e LoRaWAN. Como mostrado na tabela a seguir:
Tecnologias de comunicação sem fio, como Zigbee, WiFi, Bluetooth e Z-Wave, cada uma das quais possui suas vantagens e limitações.
Do ponto de vista do protocolo, a distância de comunicação do WiFi é muito menor do que a do protocolo Zigbee. De maneira geral, paredes atenuarão seriamente os sinais de WiFi, o que não é adequado para todo o sistema de casa inteligente. O consumo de energia em modo de espera do protocolo WiFi é alto, o que não é adequado para dispositivos alimentados por bateria, como interruptores de sensor. O estado de funcionamento ou a execução de comandos dos dispositivos do protocolo WiFi depende em grande parte do estado da rede. O dispositivo de casa inteligente pode facilmente se tornar instável se não conseguir receber sinais como um telefone móvel.
O gateway IoT que utiliza o protocolo Zigbee pode aumentar significativamente o número de dispositivos que pode suportar. O número de interruptores inteligentes, sensores e motores em uma casa pode chegar a dezenas, e o gateway Zigbee pode lidar facilmente com esses problemas.
Do ponto de vista da transmissão de dados, o WiFi executa comandos de controle em um caminho completamente diferente de outros protocolos. Por exemplo, no cenário de iluminação com detecção de presença, quando o sensor detecta que alguém está passando, ele gera dados e os envia para o servidor em nuvem, que então envia um comando para acender a luz. O comando é transmitido sem fio para o interruptor inteligente, enviando um sinal para acender a luz.
Os dados gerados são transferidos através do gateway Zigbee se o protocolo Zigbee for utilizado. Como o gateway possui capacidades de computação de borda e design lógico, todos os dados só precisam ser transmitidos através do gateway em casa para completar o comando de controle.
Ao contrário de assistir a vídeos em um telefone móvel, os vídeos podem ser armazenados em cache e carregados. As cenas de casa inteligente devem responder prontamente. Quando as pessoas passam, é impossível deixar o sensor esperar muito tempo para que o servidor em nuvem processe os dados e envie comandos. Se a rede não estiver boa, o sensor continuará esperando, o que fará com que a resposta do sensor seja atrasada ou instável, e a experiência do usuário se tornará muito ruim.
Portanto, casas inteligentes requerem protocolos de baixa latência e alta estabilidade. É por isso que o protocolo Zigbee é superior ao protocolo WiFi e por que gateways Zigbee devem ser usados em casas inteligentes. Embora o Zigbee não seja tão poderoso quanto o WiFi e o Bluetooth em relação à taxa de transmissão de dados e cobertura de sinal, ele tem baixo consumo de energia e é mais adequado para dispositivos alimentados por bateria. Também é mais aberto e mais barato do que o Z-wave, por isso os produtos de casas inteligentes gostam de usar Zigbee.
A figura a seguir mostra em detalhes a comparação clara dessas tecnologias em termos de cobertura de sinal, custo de uso, taxa de dados de comunicação e consumo de energia:
Zigbee tem as seguintes vantagens.
Resposta rápida
Geralmente, leva apenas 15ms para o Zigbee Mesh mudar do modo de espera para o modo de trabalho e 30ms para um nó acessar a rede. O Zigbee Mesh ainda é a solução preferida para dispositivos de casa inteligente que exigem resposta rápida. Claro, com o desenvolvimento do Bluetooth Mesh, a velocidade de resposta do Bluetooth Mesh também está constantemente melhorando.
Forte capacidade de anti-interferência
Zigbee foi originalmente desenvolvido para produção industrial. O design da camada física de RF da tecnologia Zigbee garante uma forte capacidade de anti-interferência e confiabilidade na comunicação, portanto, sua capacidade de anti-interferência é mais forte do que a do Bluetooth e do WiFi. Zigbee é mais adequado para implantação em ambientes com grande interferência.
Seguro e confiável
O design é seguro e possui múltiplos mecanismos de segurança, incluindo criptografia sem fio AES-128-CCM, para atender aos requisitos de segurança.
Baixo consumo de energia
Duas pilhas AA comuns podem ser usadas em modo de baixo consumo por 6 a 24 meses.
Quais são as soluções de aplicação inteligente baseadas em Zigbee?
Redes de sensores baseadas na tecnologia Zigbee são amplamente utilizadas e podem ajudar a alcançar melhor o objetivo de conectar tudo. As aplicações da tecnologia Zigbee incluem casas inteligentes, controle industrial, leitura automática de medidores, monitoramento médico, aplicações de redes de sensores, aplicações de telecomunicações, sistemas de armazenamento e logística, etc.
Casa Inteligente
De modo geral, muitos dispositivos elétricos e eletrônicos estão em casa, como luzes, TVs, refrigeradores, máquinas de lavar, computadores, ar-condicionados, etc. Também pode haver sensores de fumaça, alarmes, câmeras, etc. No passado, o controle ponto a ponto poderia ser alcançado, mas se a tecnologia Zigbee for adotada, esses dispositivos eletrônicos podem ser conectados para formar uma rede.
Você pode até se conectar à Internet através de um hub Zigbee para casa inteligente. Assim, as pessoas podem verificar rapidamente suas casas de qualquer lugar sem fiação. Aplicar a tecnologia de comunicação sem fio Zigbee a dispositivos de casa inteligente pode melhorar a conveniência da operação e reduzir o custo da família.
Além disso, a tecnologia de comunicação sem fio Zigbee também pode realizar funções práticas de anti-interferência de sinal, criando conveniência para as pessoas enquanto reduz a interferência de sinal para outros usuários.
Cuidado Inteligente para Idosos
Zigbee também pode ser amplamente utilizado no campo do cuidado inteligente de idosos. As soluções de cuidado domiciliar para idosos da IoT permitem que os idosos permaneçam em casa de forma independente por mais tempo. Ele pode não apenas detectar a trajetória de vida dos idosos, mas também proteger a segurança das pessoas mais velhas. O sistema utiliza sensores sem fio discretos em toda a casa para entender os padrões de comportamento diário dos idosos e detectar mudanças comportamentais que possam causar preocupação.
Em seguida, envia uma mensagem para membros da família ou cuidadores para alertá-los. Sistemas inteligentes de cuidado para idosos foram testados com sucesso em instituições de cuidados residenciais por muitos anos e agora estão disponíveis para instalação em casa por prestadores de serviços, varejistas e integradores de sistemas de casas inteligentes.
Apartamento Inteligente
Inteligência visa fornecer aos inquilinos uma residência integrada ao estilo de vida, aumentar os aluguéis dos inquilinos, economizar energia e coletar dados valiosos da população residente. Apartamentos inteligentes podem ser equipados com hubs de gateway Zigbee, controle de acesso, fechaduras de portas, termostatos, medidores inteligentes, sensores de imersão em água, sensores de movimento humano, tomadas inteligentes, interruptores inteligentes e outros dispositivos de hardware inteligente.
Saúde Inteligente
O monitoramento médico eletrônico tem sido um ponto focal de pesquisa nos últimos anos. Muitos sensores são colocados no corpo humano para medir pulso, pressão arterial, estado de saúde, etc. Monitores e alarmes também são colocados em enfermarias hospitalares para verificar as condições físicas a qualquer momento. Uma vez que um problema ocorre, uma resposta oportuna pode ser dada, como notificar a equipe do hospital de plantão.
A tecnologia Zigbee pode conectar esses sensores, monitores e alarmes para criar uma rede de monitoramento. Como é uma tecnologia sem fio, não há necessidade de conexões com fio entre os sensores, e a pessoa monitorada pode se mover livremente. Aplicação de redes de sensores inteligentes
As redes de sensores também se tornaram um ponto de pesquisa quente nos últimos anos e têm boas perspectivas de aplicação em rastreamento de carga, monitoramento de edifícios, proteção ambiental, etc. Nós de baixo custo, baixo consumo de energia, rede automática, manutenção simples e alta confiabilidade são os requisitos das redes de sensores. Zigbee se tornou uma excelente escolha técnica para aplicações de redes de sensores devido às suas vantagens em rede e baixo consumo de energia.
Sistema inteligente de armazenamento e logística
Com a promoção de sistemas de armazenamento e logística, a demanda por sistemas de transmissão de dados sem fio está aumentando. Isso impõe requisitos de alta eficiência e baixo custo para a tecnologia de comunicação sem fio. Zigbee é particularmente adequado para sistemas de armazenamento e logística com suas características de segurança, confiabilidade, roteamento multipath e outras. Sua prática se reflete em:
Primeiro, o despacho de veículos no local. Como a conexão entre o veículo e o console é muito importante, e em armazéns, logística e outros lugares, os protocolos de comunicação sem fio tradicionais dificultam a garantia da distância de transmissão, então a rede Zigbee pode ser usada para resolver essa parte do problema.
Em segundo lugar, a estrutura de rede da tecnologia de comunicação sem fio Zigbee em malha pode ser aplicada ao armazenamento e logística, dependendo de relé de dados, roteamento dinâmico e outros meios para garantir a confiabilidade e eficiência da comunicação de todo o sistema.
Finalmente, os veículos em armazenamento e logística sempre precisam se mover continuamente, e os protocolos de comunicação sem fio tradicionais sempre apresentam o problema da flexibilidade insuficiente ao encontrar o melhor caminho. Com sua topologia de rede, a tecnologia pode atender às necessidades em mudança dos caminhos de transmissão de informações e fornecer de forma flexível caminhos de transmissão ideais para garantir a qualidade da comunicação.
Sistema de leitura de medidores inteligentes
O sensor converte a leitura do medidor em um sinal digital e envia a leitura diretamente para a empresa de gás ou água via rede Zigbee. Usar Zigbee para leituras de medidores também pode trazer outros benefícios. Por exemplo, a empresa de gás ou água pode enviar algumas informações diretamente para o usuário em conjunto com o uso de economia de energia. Ele pode reduzir automaticamente a taxa de uso quando detecta que está muito rápida.
Dispositivos de casa inteligente baseados em Zigbee
O mercado de IoT tem cada vez mais tipos de produtos, e a tecnologia está se tornando cada vez mais madura. À medida que a tecnologia Zigbee continua a melhorar, ela se tornará a tecnologia sem fio digital mais avançada do mundo hoje. As vantagens significativas do Zigbee, como baixo consumo de energia, baixo custo, baixa velocidade e facilidade de uso, certamente terão amplas perspectivas de aplicação.
Termostatos, medidores inteligentes, sensores de temperatura e umidade, sensores de presença humana, sensores de luminosidade e sensores de CO2, tomadas inteligentes, atuadores com medidores de energia e potência integrados: uma ampla gama de dispositivos sem fio para projetos de edifícios inteligentes projetados para maximizar a eficiência energética.
Gateway Zigbee
Um gateway Zigbee é um gateway IoT que conecta uma rede Zigbee a outras redes sem fio ou com fio, como WiFi ou Ethernet. Os gateways de hub de ponte Zigbee permitem que dispositivos Zigbee em uma rede mesh Zigbee, como iluminação inteligente, termostatos e câmeras de segurança, se comuniquem com dispositivos em outras redes e vice-versa. Os usuários podem monitorar seus dispositivos Zigbee usando seus smartphones. Dentro de um gateway Zigbee, há um coordenador Zigbee para gerenciar a rede Zigbee e outra interface de rede para conectar a rede Zigbee a outras redes, dependendo principalmente da escolha do usuário.
Tomada Inteligente
Sistemas de tomadas habilitadas para WiFi e Zigbee funcionam com assistentes de voz inteligentes para permitir o controle por voz de qualquer tomada Zigbee. Suporta múltiplas funções: controle remoto, controle de timer, acionamento e desligamento automáticos de lâmpadas e pequenos eletrodomésticos.
Sensor Inteligente
Atualmente, existem muitos sensores Zigbee no mercado, como sensores para automação residencial e edifícios inteligentes:
- Sensor de luz
- Detector de vazamento de água
- Sensor magnético de porta
- Alarme de aquecimento/gás
- Detector de fumaça
- sensor de movimento PIR
- Sensor de temperatura e umidade
Smart Switch
Os interruptores inteligentes realmente oferecem muitos recursos que aumentam a conveniência, o conforto e a eficiência dentro de uma casa..Smart switches podem controlar remotamente luzes, cortinas, aquecedores de água, portas de jardim, portas de garagem, sistemas de controle de acesso e muito mais. Existem muitos tipos de smart switches, como
interruptor dimmer inteligente,
interruptor de ventilador inteligente,
interruptor inteligente de caldeira, interruptor de luz com sensor de movimento inteligente、
ventilador inteligente e interruptor de luz, e mais.
Como instalar e implantar dispositivos de casa inteligente Zigbee?
Suponha que você esteja adicionando um produto Zigbee pela primeira vez. Nesse caso, é recomendável consultar o manual de instalação, pois o processo de instalação pode variar dependendo da marca, fabricante e modelo. No entanto, a instalação de uma rede Zigbee geralmente envolve os seguintes passos:
1.Compre os produtos necessários para casa inteligente, incluindo dispositivos Zigbee, como interruptores e controladores inteligentes, hubs ou gateways Zigbee (se necessário) e quaisquer outros acessórios, como baterias necessárias para os dispositivos, etc.
2. Organize e prepare a área de instalação, incluindo a escolha da localização dos produtos de casa inteligente e garantindo que eles tenham uma linha de visão clara e desobstruída com o hub ou gateway Zigbee. Além disso, verifique se o produto inteligente está dentro da cobertura do hub ou gateway Zigbee.
3. Conecte o produto de casa inteligente Zigbee a uma fonte de energia ou instale baterias e, em seguida, instale-o de acordo com o manual do produto.
4.Pare o produto de casa inteligente com o gateway Zigbee, geralmente através de um aplicativo para smartphone ou interface web para conectar o produto de casa inteligente ao hub ou gateway Zigbee.
5.Configurar a rede Zigbee, como canal de rede e ID de rede
6.Teste a rede Zigbee, verifique e teste se todos os produtos de casa inteligente estão funcionando corretamente e podem ser controlados através do controlador
Vale a pena notar que dispositivos Zigbee geralmente requerem um hub gateway Zigbee para se conectar à Internet ou a outros dispositivos, e esses hubs ou gateways precisarão de energia e conexões de Internet.
Qual é a tendência de desenvolvimento futuro do mercado de casas inteligentes Zigbee?
O protocolo Zigbee existe há muitos anos e é uma tecnologia comprovada no mercado. O Zigbee foi amplamente adotado em diferentes indústrias e campos em todo o mundo devido às suas características promissoras. Muitas instituições globais bem conhecidas pesquisaram extensivamente as tendências globais do Zigbee e sua participação no mercado. Aqui, compartilho alguns números convincentes e suas referências para mostrar o valor da tecnologia Zigbee.
A Verified Market Research estima que o tamanho do mercado Zigbee era de $3,5 bilhões em 2021 e deve alcançar $7,79 bilhões até 2030, com uma taxa de crescimento anual composta de 9,30% de 2023 a 2030.
• De acordo com os dados da Reportslinker, espera-se que o mercado Zigbee cresça a uma taxa de crescimento anual composta de mais de 9,2% durante o período de previsão de 2020 a 2025.
• O Market Research Future disse que até 2030, o mercado de automação Zigbee deve ter um valor líquido de $7,91 bilhões, com uma taxa de crescimento anual composta de 8,60%.
A crescente popularidade das casas inteligentes e dispositivos conectados, o aumento do investimento em cidades inteligentes e a demanda por soluções de comunicação que economizam energia e de baixo custo impulsionaram o rápido crescimento do mercado Zigbee.
Quais são os problemas comuns ao usar Zigbee?
É necessário um gateway Zigbee?
Dispositivos Zigbee requerem um gateway Zigbee. Atualmente, os telefones móveis suportam o protocolo WiFi, portanto, um gateway Zigbee é necessário para converter o protocolo WiFi em protocolo Zigbee, para que smartphones possam controlar dispositivos Zigbee. Gateways Zigbee também podem manter centralmente dispositivos Zigbee e garantir que estejam seguros e funcionando corretamente.
Como lidar com resposta atrasada ou nenhuma resposta de dispositivos Zigbee?
Causa: Congestionamento de rede, interferência de sinal ou problemas de firmware do dispositivo.
Solução: Evite colocar objetos metálicos ou outros objetos que interfiram no sinal entre dispositivos WiFi e Zigbee—atualize o firmware do dispositivo para garantir que todos os dispositivos tenham versões de firmware compatíveis.
O que fazer se o dispositivo Zigbee não puder ser encontrado ou reconhecido?
Causa: O dispositivo Zigbee está muito longe do centro de controle ou do dispositivo de relé, ou há muitas paredes entre eles.
Solução: Adicionar dispositivos de relé entre o dispositivo Zigbee e o centro de controle pode retransmitir sinais sem fio para dispositivos Zigbee que estão muito longe do centro de controle, a fim de expandir a cobertura do sinal.
Como resolver o problema da curta duração da bateria?
Causa: O dispositivo consome muita energia e tem baixa qualidade de bateria.
Solução: Verifique as configurações do dispositivo e reduza comunicações ou relatórios de status desnecessários e frequentes. Use baterias de alta qualidade e substitua as baterias no ciclo de tempo recomendado.
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