Nell’ambito dell’universo IoT (Internet of Things), il protocollo ZigBee rappresenta uno degli standard di comunicazione wireless più utilizzati in alternativa ai classici Wi-Fi e Bluetooth. Se entro il 2023 il mercato globale della connettività senza fili, secondo Markets and Markets, arriverà a valere 95,7 miliardi di dollari, più del 3,5%, pari a 3,4 miliardi di dollari (fonte: Market Research Future), sarà la quota riconducibile alle reti ZigBee. Ma le previsioni potrebbero vedere al rialzo l’adozione di questa tecnologia, complice i bassi consumi energetici che la rendono particolarmente ricercata nella domotica, e non solo.
La ZigBee Alliance, che ha definito le specifiche del protocollo IEEE 802.15.4 analogamente a quanto ha fatto la Wi-Fi Alliance per lo standard IEEE 802.11, elenca sul proprio sito molte più applicazioni, oltre a quelle di uso privato, nell’ambito delle smart city, dell’industria e delle utility. Vediamo come funziona e quali sono i suoi principali punti di forza e di debolezza.
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Che cosa sono e come funzionano le reti mesh
Anzitutto, a differenza di una rete Wi-Fi in cui il router è l’unico dispositivo a emettere il segnale, quella di ZigBee è una rete mesh che, come dice la parola stessa, si fonda su una “maglia” costituita da tanti nodi equivalenti (peers).
L’altro concetto, a cui il nome ZigBee rimanda esplicitamente, è quello della struttura ad alveare, in cui migliaia di api (bee) comunicano tra di loro con un modello a zig-zag. In pratica, ogni nodo è contemporaneamente ricevitore, trasmettitore e ripetitore. Tanto che, se uno ha dei problemi per esempio di tipo hardware, i nodi vicini si rivolgono ad altri per trasmettere il segnale. Con il vantaggio che la capillarità del segnale è tendenzialmente superiore a paragone di quella assicurata dal Wi-Fi tradizionale. E con l’ulteriore beneficio che le batterie integrate in ciascun peer, visto che appartengono ai sistemi embedded (cioè integrati e progettati appositamente per un determinato utilizzo), dovrebbero garantire per anni il corretto funzionamento del network.
Standard e banda su cui operano i dispositivi ZigBee
ZigBee, in virtù della sua struttura mesh, compensa la velocità inferiore di trasmissione rispetto al Wi-Fi poiché ogni nodo aumenta la portata del segnale e ottimizza il percorso tra hub e dispositivi. I nodi, poi, sono accomunati dallo stesso SSID (service set identifier), vale a dire dal nome che identifica la rete wireless, il che non obbliga a cambiare rete anche quando ci si connette a un nodo e non direttamente al router. I dispositivi ZigBee, inoltre, devono essere conformi alle norme dello standard IEEE 802.15.4-2003 Low-Rate Wireless Personal Area Network (WPAN) per operare sulle frequenze 2.4 GHz, 915 MHz e 868 MHz della banda ISM (Industrial, Scientific and Medical) “non licenziata”, che non prevede cioè autorizzazioni da parte di un’autorità governativa. Tenuto conto però del fatto che reti Wi-Fi e reti ZigBee sfruttano la banda 2.4 GHz, è bene sottolineare che, in presenza di numerosi device, soprattutto se collocati vicini tra di loro, si potrebbero generare interferenze o una riduzione delle prestazioni.
ZigBee e Z-Wave a confronto tra frequenza e interoperabilità
C’è un solo standard che al momento non comporta i problemi di interferenza suaccennati, ed è il protocollo Z-Wave che opera attorno ai 900 MHz e, fra l’altro, a motivo della bassa frequenza, è capace di attraversare ostacoli come le pareti più facilmente di quanto riescano a fare le tecnologie ad alta frequenza. Spesso, quando si parla di ZigBee, scatta la comparazione con Z-Wave.
La prima differenza riguarda il numero di dispostivi, che possono arrivare a un massimo di 232 nelle reti Z-Wave e a 65 mila in quelle ZigBee. La seconda ha a che fare con l’interoperabilità. Z-Wave, oltre a essere uno standard internazionale, è una tecnologia proprietaria. In quanto tale, ogni dispositivo Z-Wave funziona esclusivamente con controller o hub che riportano il medesimo marchio. Il gruppo di aziende che si riconoscono, invece, nella ZigBee Alliance rivendica l’importanza di poter offrire un ecosistema aperto proprio per rispondere meglio alle esigenze dei consumatori e delle aziende di oggi.
Il consumo energetico più basso dei sistemi ZigBee
Un elemento su cui ZigBee non teme raffronti, né con Z-Wave né con il Wi-Fi, è il risparmio energetico che lo caratterizza. A confronto delle altre architetture wireless, in cui i dispositivi smart devono essere costantemente alimentati, il protocollo ZigBee minimizza i tempi di attività del radiotrasmettitore. Poiché, infatti, supporta sia reti beacon enabled, in cui i nodi consumano energia solo quando vengono attivati, sia reti non-beacon enabled, con nodi sempre attivi, questa circostanza permette di abbassare il cosiddetto duty cycle.
L’intervallo di tempo fra l’attivazione e lo stato di inattivo è governato in maniera efficiente da nodi chiamati ZigBee Router che trasmettono a intervalli regolari dei beacon per confermare la loro presenza ad altri nodi. A fronte di alcuni dispositivi pronti a ricevere, solo alcuni trasmettono nel momento in cui subiscono uno stimolo. Per questa ragione end device quali sensori di movimento, serrature smart, interruttori wireless rappresentano alcuni degli ambiti in cui la tecnologia ZigBee sta trovando rapida diffusione.
Il futuro del protocollo e il progetto Connected Home over IP
A dare impulso a questa espansione un contributo importante si deve a ZigBee 3.0, l’ultima versione dello standard rilasciata nel 2015 che ha ampliato la gamma di dispositivi che possono funzionare insieme e interagire tra di loro. Alla fine del 2019, ZigBee Alliance ha annunciato la creazione di un gruppo di lavoro con le adesioni “eccellenti” di Amazon, Apple, Google unite nel comune scopo di sviluppare un nuovo standard di connettività royalty-free per aumentare la compatibilità tra i prodotti del mercato smart home. Del progetto, denominato Connected Home over IP, fanno parte anche altri membri dell’associazione quali Ikea, Legrand, NXP Semiconductors, Resideo, Samsung SmartThings, Schneider Electric, Signify (ex Philips Lighting), Silicon Labs, Somfy e Wulian. A distanza di 9 mesi dal suo lancio, recentemente ZigBee Alliance ha dichiarato di essere sulla buona strada per consegnare una prima bozza di specifica entro la fine del 2020. Se questa previsione fosse confermata, nel 2021 dovrebbe essere rilasciato uno standard per dispositivi ancora più sicuri e affidabili, in grado di rendere la casa sempre più “intelligente”.
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