• Новости
• Статьи
• Вопросы-ответы
• Видеозаписи
• Вопрос инженеру

Стандарт Matter

11 мая 2021 года альянс Zigbee (Zigbee  Alliance) объявил об изменении своего названия на Connectivity Standards Alliance  (CSA).

Новая организация расширила число стандартов, над которыми она продолжает работать с целью обеспечения еще большей совместимости устройств IoT.

Представлен новый протокол Matter   для взаимодействия устройств  класса "умный дом" .  Matter представляет собой развитие спецификации ZigBee Cluster Library, является стандартом взаимодействия уровня приложения и строится над уровнем стандартных IP-протоколов передачи данных. 

Технологию BLE  в стандарте Matter будут использовать устройства, выполняющие роль организаторов беспроводной сети.

Устройства, использующие беспроводные технологии без IP-адресации, такие как ZigBee, должны подключаться к сети Matter через шлюзы.

В число компаний, поддерживающих проект  Matter, входят Silicon Labs, Apple, Google, Amazon, Huawei и другие компании, проявляющие интерес к технологиям умного дома.

Важной особенностью нового стандарта является то,  что  реализация программного обеспечения для нового стандарта выполняется в виде  проекта с открытым кодом, который доступен на GitHub. Одним их активнейших участников этого проекта является Silicon Labs.

При этом  компания Silicon Labs сообщает, что поддержка нового стандарта Matter  в отладочной среде Simplicity Studio для совместной работы с протоколами сетевого уровня Thread и Wi-Fi  начнется в конце 2021 года. 

В конце 2021 года начнется сертификация устройств на соответствие стандарту Matter. 

Технология ZigBee

ZigBee^® – это открытый стандарт беспроводной связи для систем сбора данных и управления.  Технология ZigBee  позволяет создавать самоорганизующиеся и самовосстанавливающиеся беспроводные сети с автоматической ретрансляцией сообщений, с поддержкой батарейных и мобильных узлов.

В настоящее время технология ZigBee выходит за границы исследовательских лабораторий и начинает широко применяться на практике для создания беспроводных сетей датчиков, систем автоматизации зданий, устройств автоматического считывания показаний счетчиков, охранных систем, систем управления в промышленности.

Сети ZigBee при относительно небольших скоростях передачи данных обеспечивают гарантированную доставку пакетов и защиту передаваемой информации.

Стандарт ZigBee предусматривает частотные каналы в диапазонах 868 МГц, 915 МГц и 2,4 ГГц. Наибольшие скорости передачи данных и наивысшая помехоустойчивость достигаются в диапазоне 2,4 ГГц.  Поэтому большинство производителей микросхем выпускают приемопередатчики именно для этого диапазона, в котором предусмотрено 16 частотных каналов с шагом 5 МГц.

Скорость передачи данных вместе со служебной информацией в эфире  составляет 250 кбит/c . При этом средняя пропускная способность узла для полезных данных в зависимости от загруженности сети и количества ретрансляций может лежать в пределах  5 ... 40 кбит/с.

Расстояния между узлами сети  соcтавляют десятки метров при работе внутри помещения и сотни метров на открытом пространстве. За счет ретрансляций зона покрытия сети может значительно увеличиваться.

Топология

В основе сети ZigBee лежит ячеистая топология (mesh-топология).  В такой сети, каждое устройство может связываться с любым другим устройством как напрямую, так и через промежуточные узлы сети. Ячеистая топология предлагает альтернативные варианты выбора маршрута между узлами. Сообщения поступают от узла к узлу, пока не достигнут конечного получателя. Возможны различные пути прохождения сообщений, что повышает доступность сети в случае выхода из строя того или иного звена.

В сети ZigBee существует 4 типа узлов: координатор, роутер, спящее устройство и мобильное устройство.

Главное устройство в ZigBee-сети - это координатор. Координатор выполняет функции по формированию сети, а также является одновременно доверительным центром (trust-центром). Доверительный центр устанавливает политику безопасности и задает настройки во время подключения устройства к сети.

Спящие и мобильные устройства используют режимы пониженного энергопотребления. Как правило, это узлы с батарейным питанием. Обычно они выполняют роль датчиков или контроллеров каких-либо исполнительных устройств. Их количество диктуется потребностью конкретного приложения.

Роутеры осуществляют маршрутизацию пакетов по сети и должны быть готовы к передаче данных в любой момент времени. Поэтому эти узлы не используют режимов пониженного энергопотребления и имеют стационарное питание. Их количество в сети должно быть достаточным для обслуживания требуемого количества спящих и мобильных узлов. Максимальное количество  спящих или мобильных узлов, обслуживаемых одним роутером  - 32.

Альянс ZigBee^®, учрежденный  в 2002 году, представляет собой сообщество компаний (уже более 300), объединившихся с целью разработки  эффективных протоколов для беспроводной сети и обеспечения  совместимости  устройств различных производителей.

Спецификация ZigBee^® Pro Feature Set  была принята альянсом в октябре 2007 года. Она обладает следующими преимуществами по сравнению с предшествующей версией спецификации (ZigBee 2006):

• Новая  спецификация позволяет создавать сети с количеством узлов до нескольких тысяч. Это достигается благодаря стохастической адресации, новым механизмам маршрутизации Many-to-One и Source Routing, а также возможности выявления асимметричных связей в сети.
• Для обеспечения совместимости устройств различных производителей в спецификации ZigBee® PRO разработаны стандартные профили приложений и библиотека стандартных кластеров.
• Введен целый ряд новых механизмов, позволяющих сделать сеть ZigBee более защищенной и надежной.
• Значительно увеличен срок службы батарей конечных дочерних устройств за счет использования механизма, который позволяет родительским узлам представлять в сети дочерние устройства во время их сна.
• Предусмотрено автоматическое изменение частотного канала сети в случае возникновения помех.

Стек протоколов ZigBee

Спецификация ZigBee регламентирует стек протоколов  взаимодействия узлов сети, в котором протоколы верхних уровней используют сервисы, предоставляемые протоколами нижележащих уровней.

В качестве двух нижних уровней (физического и уровня доступа к среде MAC) используется стандарт IEEE 802.15.4. MAC-уровень в сети ZigBee реализует механизм CSMA/CA (прослушивания несущей и устранения коллизий), сетевой уровень NWK отвечает за маршрутизацию сообщений, а уровень поддержки приложений APS обеспечивает интерфейс с уровнем приложения.

Сектор ZDO (ZigBee® Device Object), связывающий три верхних уровня, отвечает за определение роли устройства в сети (будет оно являться координатором или конечным устройством), инициализацию и реакцию на запросы соединения и обнаружения, за установление надежного и безопасного соединения между устройствами сети.  Сектор SSP (Security Service Provider) осуществляет операции, связанные с обеспечением безопасности на сетевом уровне и на уровне поддержки приложения.

Совместимость устройств, профили, кластеры

Одна из основных идей разработки стандарта ZigBee состояла в том, чтобы обеспечить возможность совместной работы в одной беспроводной сети устройств различных производителей. Очевидно, что для обеспечения совместимости на уровне приложения устройствам ZigBee требуется некий стандартный язык общения. Для реализации этой задачи была разработана библиотека ZigBee-кластеров ZCL  (ZigBee Cluster Library).

Библиотека ZCL группирует кластеры по функциональному признаку: общего назначения, для работы с датчиками, для управления осветительными устройствами, вентиляцией и т.д. Использование стандартных кластеров для пересылки сообщений является обязательным требованием новой спецификации ZigBee PRO Feature Set.

Профилем называется совокупность настроек программного обеспечения узлов сети, обеспечивающая их совместную работу. Спецификация профиля определяет такие  параметры, как способы задания идентификационных параметров сети, режимы образования сети, способы защиты данных, используемый поднабор кластеров, который  включает кластеры из разных функциональных групп библиотеки ZCL.

В настоящее время альянсом ZigBee опубликованы  два  стандартных  профиля  приложения  Home Automation (октябрь 2007 г.)  и Smart Energy (май 2008 г.).

Профиль Home Automation дает возможность производителям беспроводных систем домашней автоматизации во всем мире разрабатывать совместимые устройства класса «умный дом». Он регламентирует работу таких устройств, как устройства управления осветительным оборудованием, системами кондиционирования, отопления, вентиляции и т.д.

Профиль Smart Energy позволяет обеспечить беспроводную связь между устройствами домашней  автоматизации и устройствами измерительной инфраструктуры коммунальной службы, занимающейся учетом энергоресурсов.

Таким образом владельцы домов и коммунальные компании могут объединить усилия для достижения наиболее эффективного и экономного потребления электроэнергии. Появляется возможность регулировать режимы энергопотребления, разгружая сеть в пиковые часы нагрузки.

Если при разработке беспроводной сети не требуется обеспечивать совместимость с устройствами других производителей, каждый разработчик может использовать свои  частные профили приложения.

При этом по-прежнему необходимо применять кластеры из стандартной библиотеки ZCL для того, чтобы сохранить совместимость со спецификацией ZigBee® PRO.

Профиль Light Link предназначен для реализации беспроводных систем управления осветительным оборудованием. Устройства на базе нового стандарта также просты в использование как обычные домашние регуляторы освещения. 

Энергосберегающие лампы, светодиодные светильники, датчики, таймеры и пульты управления, выполненные с использованием ZigBee Light Link, подключаются в единую сеть без применения каких-либо специальных координирующих устройств, что позволяет потребителям легко дополнять свои сети освещения новыми приборами. 

Как и все устройства, использующие стандарты ZigBee, световые приборы ZigBee Light Link могут управляться через компьютеры, планшеты и смартфоны подключенные к сети Интернет. Благодаря стандарту Light Link потребители получают множество преимуществ беспроводного управления освещением, а также возможностью комбинировать в одной системе устройства от разных производителей.

Протокол Green Power позволяет создавать автономные беспроводные устройства, получающие энергию путем сбора ее из возобновляемых источников (механических, тепловых, электромагнитных и т.п.) и таким образом не нуждающихся в регулярном обслуживании, проводах и батареях питания.

Сетевые устройства Green Power  получают энергию от солнца, температуры окружающей среды или механического воздействия (кинетической энергии). Например, энергии от нажатия обычного выключателя, им будет достаточно, чтобы сгенерировать и отправить простое сообщение по сети ZigBee. В список устройств, в которые  можно внедрить такую возможность, автоматически попадают световые диммеры, выключатели, датчики температуры и движения для жилого, коммерческого и промышленного применения.

Совместимость устройств Green Power с сетями ZigBee PRO обеспечивает все достоинства стандарта ZigBee, включая работу в разрешенном во всех странах радиодиапазоне 2,4 ГГц, устойчивость в зашумленной среде, надежное сетевое взаимодействие и защиту информации.

Технология Thread

Thread – это сетевая технология для построения беспроводных меш-сетей с поддержкой IP-технологии. Данная технология позволяет объединять устройства в единую инфраструктуру, которая имеет доступ в локальную/глобальную сеть. Через сеть LAN или интернет пользователь может управлять отдельными узлами, группами или же целой сетью.

Зачем нужна ещё одна беспроводная сетевая технология?

Технология Thread объединяет в себе преимущества сетей, поддерживающих IP-протокол (таких как Wi-Fi) с возможностью беспрепятственного доступа к сети интернет или IP-сети, и сетей с поддержкой ячеистой топологии с возможностью самовосстановления и ретрансляции сообщений,  а также поддержкой «спящих» узлов, которые должны работать от источника питания малой емкости.

Межсетевой протокол (IP) это основной протокол связи сети Интернет. Он предоставляет  основной механизм передачи datagram-сообщений по IP-сетям, а также возможности по их маршрутизации, что делает возможным межсетевое взаимодействие.

Сетевые технологии, которые не поддерживают межсетевой протокол (IP), для работы в IP-сетях должны преобразовывать сообщения на специальном шлюзе, чтобы иметь возможность взаимодействовать с внешними устройствами в IP-сети. Этот процесс подразумевает переупаковку данных из формата, принятого в конкретной сети в IP-datagram-сообщение. Это влечет за собой необходимость расшифровки передаваемого сообщения на шлюзе и последующего шифрования в IP-datagram-сообщение.

• Маршрутизация пакетов в IP-сеть при отсутствии поддержки IP-протокола (ZigBee, Bluetooth LE, ANT/ANT+)

С другой стороны, сетевые технологии, такие как Thread и Wi-Fi, которые имеют встроенную поддержку IP-протокола, могут  передавать данные без дополнительных накладных расходов.

• Маршрутизация пакетов в IP-сеть при наличии поддержки IP-протокола (Thread, Wi-Fi)

В сети Thread используются всего 2 типа устройств:

• Маршрутизатор (Router Eligible)
• Конечный узел (End Device)

Маршрутизатор это узел, который необходим для поддержания ячеистой топологии сети (поиск маршрута, ретрансляция сообщений и т.д.). Маршрутизатор, который организовывает сеть будет автоматически назначен Лидером данной сети и помимо стандартных задач будет выполнять  управление сетью:

• назначать узлы, которые будут участвовать в сети в качестве Маршрутизаторов
• выдавать адреса для подключаемых узлов, использую DHCPv6

Однако, вся информация, хранящаяся в лидерском узле дублируется в других маршрутизаторах. При возникновении неполадок, другие маршрутизаторы в сети в автономном режиме могут стать Лидерами, следуя правилу «одна сеть – один Лидер».

Устройства, которые при подключении к сети указали свой тип как Конечный узел, не поддерживают возможность осуществления каких-либо операций, связанных с маршрутизацией. Напротив, вся связь с внешним миром осуществляется через «родительские» узлы – маршрутизаторы. При использовании сменных источников питания, конечные узлы могут быть запрограммированы как «спящие» для продления срока службы от одного комплекта.

При потере родительского узла и после нескольких неудачных попыток восстановить с ним связь, конечные узлы в автономном режиме будут пытаться найти нового «родителя».

Взаимодействие с IP-сетями

Каждое устройство в сети Thread имеет собственный IPv6-адрес, с помощью которого оно может быть адресовано как внутри сети (Home Area Network), так и из вне, используя возможности Thread по маршрутизации IP-сообщений. Для этих целей используются специальные граничные роутеры (Border routers, функционально напоминающие Wi-Fi-роутеры), которые позволяют общаться устройствам Thread с внешним миром через интерфейсы Wi-Fi, Ethernet и т.д. У одной сети Thread может быть несколько таких роутеров.

Узлы в сети Thread используют префиксы, полученные от граничного шлюза (Border router), для формирования глобального IPv6-адреса либо сформированного префикса для формирования уникального локального адреса (ULA). Routing ID для узла выдается Лидером сети. Для обмена сообщениями в сети Thread используется протокол UDP. Совместно с UDP стек Thread использует CoAP-протокол (Constrained Application Protocol), который позволяет расширить возможности UDP. CoAP-протокол добавляет поддержку механизма повторных отправок и определяет порядок следования сообщений. Кроме этого он добавляет поддержку HTTP-методов GET, POST,  PUT и DELETE. Это позволяет, при использовании внешнего CoAP-to-HTTP-прокси, работать с устройствами Thread прямо из веб-браузера.

ZigBee Thread