Cos’è e come funziona lo ZigBee

Una delle tecnologie wireless più famose nel campo dell’Internet of Things e della domotica è senza dubbio lo ZigBee. Questa si scosta dalle altre grazie ai numerosi vantaggi che offre e, per questo, è sempre più utilizzata.

Questo “linguaggio”, in gergo tecnico “protocollo di comunicazione”, che alcuni dispositivi usano per scambiarsi informazioni, è molto diffuso nella domotica, per questo è importante capirlo.

Se ti interessa scoprire precisamente cos’è, come funziona e tanto altre informazioni utili, allora sei capitato nel posto giusto di internet. Senza perdere altro tempo, addentriamoci subito in questo digitale.

Che cos’è e a cosa serve lo ZigBee

La domotica permette di automatizzare e rendere più confortevole e sicura la vita in casa combinando tecnologie dell’informazione e della comunicazione, tuttavia, per farlo, i dispositivi connessi che ne fanno parte (IoT), devono poter comunicare tra loro.

Lo Zigbee è uno standard di comunicazione wireless a bassa potenza e alta affidabilità che consente ai dispositivi di comunicare tra loro a corto raggio, in modo semplice ed efficiente. Per questi motivi è diventato uno dei protocolli di comunicazione della domotica più utilizzati.

L’idea alla base di questa tecnologia è quella di creare una rete wireless a basso consumo energetico per dispositivi che non richiedono grandi quantità di dati, ma hanno bisogno di una connessione affidabile e stabile. Inoltre, lo Zigbee utilizza una topologia di rete a mesh, che consente ai dispositivi di comunicare tra loro in modo indiretto, attraverso una serie di dispositivi intermedi. Ciò significa che la rete è molto più robusta e affidabile rispetto ad altre tecnologie wireless.

Proprio per questo, a differenza di tecnologie come il Wi-Fi o il Bluetooth, lo Zigbee è stato progettato specificamente per la connettività dei dispositivi domestici intelligenti ed è quindi in grado di soddisfare le esigenze di basso consumo energetico, stabilità e affidabilità.

Questo protocollo di comunicazione è stato realizzato dalla ZigBee Alliance (Che ha recentemente cambiato il suo nome in Connectivity Standards Alliance), un’organizzazione composta da vari produttori di elettronica e aziende fondata nel 2002, che ha lo scopo di mantenere e sviluppare continuamente questo standard, assicurando che sia sempre all’avanguardia e in grado di soddisfare le esigenze del mercato.

Dati tecnici

Prima di procedere, è importante conoscere alcuni dati tecnici; ecco alcune delle principali caratteristiche del protocollo Zigbee:

• Frequenza di lavoro: Lo Zigbee opera nella banda ISM a 2,4 GHz;
• Standard: IEEE 802.15.4-2003 Low-Rate Wireless Personal Area Network (WPAN);
• Velocità di trasmissione: la velocità di trasmissione massima è di 250 kbps;
• Portata: la portata tipica è di circa 10-30 metri all’interno e fino a 100 metri all’aperto;
• Topologia di rete: Zigbee utilizza una topologia di rete a mesh, in cui i dispositivi possono comunicare indirettamente attraverso una serie di dispositivi intermedi;
• Consumo energetico: Lo Zigbee utilizza un protocollo a basso consumo energetico e assorbe circa 30mW;
• Sicurezza: Lo Zigbee supporta la crittografia a 128 bit AES per la sicurezza dei dati trasmessi;
• Affidabilità: Zigbee utilizza un meccanismo di ripetizione dei dati per migliorare l’affidabilità della comunicazione;
• Scalabilità: Zigbee supporta fino a 65.000 dispositivi in una singola rete;
• Applicazioni: lo Zigbee si adatta a più profili e applicazioni, come la domotica, la sicurezza, la gestione dell’energia, dell’edificio e tanto altro.

Adesso che conosci qualche dato tecnico, ti sarà utile capire le principali differenze che ci sono con le altre tecnologie di comunicazione sicuramente più famose: il Wi-Fi e il Bluetooth.

Confronto tra ZigBee, Wi-Fi e Bluetooth

Zigbee, Wi-Fi e Bluetooth sono tutti protocolli di comunicazione wireless, ma sono progettati per scopi diversi.

• Zigbee è stato progettato specificamente per la domotica e per questo motivo è spesso più adatto all’utilizzo in questo ambito rispetto a Wi-Fi e Bluetooth. Utilizza un protocollo a basso consumo energetico e una topologia di rete a mesh, che consente una maggiore copertura e affidabilità, anche in caso di guasti. Inoltre, grazie ai consumi veramente ridotti, un dispositivo a batterie che funziona tramite ZigBee, come ad esempio un sensore, può durare fino a 10 anni.
• Il Wi-Fi, è stato progettato per la connettività di computer e dispositivi mobili, utilizza una topologia di rete a stella e consente una maggiore velocità di trasferimento dati rispetto a Zigbee, ma richiede anche un consumo energetico maggiore.
• Il Bluetooth, è stato progettato per la connettività di dispositivi personali come telefoni cellulari, auricolari e altoparlanti. Utilizza anch’esso un protocollo a basso consumo energetico, ma ha una portata inferiore rispetto a Zigbee e Wi-Fi. È perfetto per i dispositivi che richiedono una comunicazione a corto raggio, come dispositivi indossabili e auricolari, ma meno adatto per i dispositivi intelligenti poiché non ha la stessa copertura e affidabilità dello Zigbee.

Ora che hai capito lo scopo di ciascuna di queste tecnologia, è il momento di sintetizzare i vantaggi e gli svantaggi di ognuna, facendo un confronto tra dati tecnici:

Possiamo notare come lo ZigBee, oltre che consumare poco, garantisce un numero altissimo di dispositivi collegabili. Potrebbe sembrare che la velocità di trasmissione dei dati sia bassa, ma non è così, infatti per le sue applicazioni nella domotica è più che sufficiente.

Come funziona lo ZigBee

Adesso che sai un po’ di dati tecnici e le differenze con le altre tecnologie Wireless, è il momento di parlare del funzionamento, soprattutto nell’ambito della domotica.

La rete dei dispositivi ZigBee è gestita da un coordinatore (ZC), estesa da un router (ZR) e formata dagli end device (ZED), che comunicano tra loro usando questa tecnologia, mentre gli utenti sono in grado di gestire le varie attività attraverso smartphone, PC o Tablet.

In questo modo, mentre i dispositivi della rete comunicano tra loro in modo efficace ed organizzato, le persone possono modulare comodamente le attività da app o software dedicati, come spiegherò tra poco.

Le tre tipologie di dispositivi ZigBee che ti ho accennato sono:

• ZigBee Coordinator (ZC): è il dispositivo che gestisce la rete Zigbee. È responsabile della formazione e della gestione della rete, nonché dell’assegnazione di indirizzi unici ai dispositivi nella rete. Inoltre, il coordinatore da lui dipende la gestione della sicurezza della rete e quella dei dati trasmessi tra i dispositivi;
• ZigBee Router (ZR): Servono a estendere la copertura della rete e a favorire lo scambio di dati tra i dispositivi che ne fanno parte, trovando il percorso migliore. Possono eseguire tutte le funzioni del coordinatore, tranne quella di formare la rete. Possono essere lampadine, prese smart, interruttori, o anche ripetitori puri;
• ZigBee End Device (ZED): sono i dispositivi finali nella rete Zigbee, come le luci, i termostati e sensori. Questi dispositivi sono progettati per utilizzare la minima potenza possibile, consumando energia solo quando trasmettono i dati. Inoltre sono in grado di comunicare e scambiare dati unicamente con il coordinatore o con i router nella rete, senza poter eseguire altre funzioni.

Una peculiarità della tecnologia ZigBee, che la rende particolarmente adatta all’utilizzo nella domotica, è l’utilizzo di un sistema di rete mesh.

Rete mesh dello ZigBee

Ogni dispositivo ZigBee può agire sia come nodo della rete (cioè un dispositivo che genera o riceve dati), che come router (cioè un dispositivo che inoltra i dati da un nodo all’altro). Questo significa che i dispositivi fungono da ripetitori, aumentando l’affidabilità della rete.

Un dispositivo Zigbee, quando vuole inviare un pacchetto di dati ad un altro, utilizza un algoritmo di routing per scegliere il percorso ottimale attraverso la rete. Esso tiene in considerazione diversi fattori come la potenza del segnale, la congestione della rete e la disponibilità dei router intermedi.

Una volta che il percorso è stato scelto, il pacchetto viene inoltrato da un router all’altro fino a raggiungere il dispositivo destinatario. Ogni router che riceve il pacchetto lo inoltra a sua volta verso il prossimo router del percorso, fino a fargli raggiungere la destinazione.

Se un router dovesse fallire, l’algoritmo di routing è in grado di trovare un nuovo percorso attraverso la rete, in modo da evitare il problema e far procedere il pacchetto di dati lungo il suo percorso.

Quando utilizzi il protocollo ZigBee per la tua domotica hai quindi una rete stabile e affidabile, anche in caso di fallimento di uno o più dispositivi, poiché il traffico di dati può essere automaticamente reindirizzato attraverso altri percorsi.

Inoltre, la rete mesh consente di estendere la copertura della rete senza la necessità di un punto di accesso centrale, rendendo la tecnologia ideale per la domotica domestica ad esempio, dove i dispositivi connessi aumentano con il tempo; fidati, te lo dico per esperienza.

Come funziona lo ZigBee nella domotica

Per capire meglio come i dispositivi operano in una rete ZigBee, vediamo insieme l’esempio del funzionamento di un sensore di movimento.

Il sensore di movimento, all’interno di una rete ZigBee assume il ruolo di End Device (ZED), poiché funziona a batteria e consuma energia solo quando trasmette dati.

Quando acquisisce delle informazioni, queste vengono inviate al Coordinator della rete (ZC), solitamente un hub, “saltando” tra i vari dispositivi, fino a che non lo raggiungono.

Quando riceve i dati, il Coordinator gli converte in un formato comprensibile dai dispositivi come computer e smartphone, poiché questi ultimi non sono in grado di “capire la lingua” dello Zigbee di default.

Applicazioni dello ZigBee

Lo standard Zigbee, grazie alla sua efficienza e versatilità è in grado di supportare una vasta gamma di applicazioni nell’automazione e nell’Internet delle cose (IoT). Alcune delle applicazioni più comuni per il protocollo Zigbee sono:

• Domotica: Lo Zigbee, come abbiamo visto, è perfetto per essere utilizzato nei sistemi di automazione della casa, come ad esempio nel controllo della temperatura, della sicurezza e di molte altre cose;
• Automazione degli edifici: Lo Zigbee è utilizzato per creare sistemi di automazione degli edifici, come ad esempio sistemi di illuminazione, ventilazione, sicurezza e gestione dell’energia;
• Reti di sensori: Lo Zigbee è utilizzato per creare reti di sensori wireless, utili, ad esempio, a monitorare fattori ambientali come la temperatura, l’umidità e la pressione;
• Reti di attuatori: Lo Zigbee è utilizzato anche per creare reti di attuatori wireless, utili, ad esempio, a controllare la velocità dei motori e la temperatura dei frigoriferi;
• Reti industriali: Lo Zigbee è utilizzato per creare reti industriali, ad esempio per il monitoraggio e il controllo di macchine e attrezzature, per la gestione della manutenzione e della sicurezza, e per la gestione della logistica dei materiali;.
• Reti di trasporti: Lo Zigbee è utilizzato per gestire alcune reti di trasporto, ad esempio per la gestione dei parcheggi;
• Reti della sanità: Lo Zigbee è utilizzato anche nei dispositivi della sanità, come quelli per il monitoraggio dei parametri vitali e per la gestione delle medicine.

Vantaggi e svantaggi dello ZigBee

Il protocollo di comunicazione ZigBee è stato progettato per l’IoT, per questo offre molti vantaggi, che convivono con qualche punto a sfavore.

Vantaggi:

• Basso consumo energetico: Lo Zigbee è stato progettato per essere utilizzato da dispositivi a bassa potenza, come, ad esempio dei sensori, e utilizza un protocollo di comunicazione a basso consumo energetico. Ciò consente anche ai dispositivi a batteria di funzionare per molto tempo;
• Affidabilità: Come abbiamo visto, la tecnologia a mesh (a maglie) utilizzata dallo Zigbee rende questa rete wireless affidabile e resiliente. In caso di fallimento di un dispositivo o di un collegamento, il traffico di dati può essere automaticamente reindirizzato attraverso altri percorsi, consentendo di mantenere la connessione della rete;
• Sicurezza: Zigbee supporta la sicurezza a livello di rete, con la possibilità di crittografare i dati trasmessi tra i dispositivi, rendendo la rete protetta contro gli attacchi esterni.
• Scalabilità: All’interno della rete ZigBee possono essere introdotti (o tolti) nuovi dispositivi in qualsiasi momento, che possono raggiungere anche numeri altissimi (fino a 65.000);
• Economicità: Lo ZigBee è privo di costi di adozione, inoltre i dispositivi che lo supportano costano in media quanto quelli che utilizzano altre tecnologie.

Svantaggi:

• Necessità di un Hub: Per gestire i dispositivi che utilizzano questa tecnologia, è necessario acquistare un Hub, dispoisitivo in grado di farli comunicare con i nostri smartphone, computer o assistenti vocali;
• Copertura limitata: La copertura di una rete Zigbee dipende dalla potenza e dalla densità dei dispositivi presenti nella rete, di conseguenza in alcune situazioni può rivelarsi limitata;
• Velocità di trasmissione: La velocità di trasmissione dei dati in una rete Zigbee è limitata rispetto ad altre tecnologie wireless, come ad esempio Wi-Fi o Bluetooth. Ciò può rendere Zigbee inadatto per alcune applicazioni che richiedono una elevata velocità di trasmissione dei dati, anche se, come ti ho accennato precedentemente, nella maggior parte dei casi non è un problema.

Conclusioni

Abbiamo capito che lo Zigbee è un’ottima scelta per creare una rete di dispositivi IoT affidabile e a basso consumo energetico

Con i molti vantaggi che ha e una vasta gamma di applicazioni, lo Zigbee sta diventando sempre di più una soluzione affidabile e conveniente per creare reti di dispositivi intelligenti. Con la crescente domanda di dispositivi connessi, lo Zigbee continuerà a giocare un ruolo importante nell’Internet delle cose e nell’automazione domestica.

Spero che questo articolo ti sia stato utile, alla prossima!