Zigbeeワイヤレスメッシュネットワーキング

Zigbeeとは？

Zigbeeは、低コスト・低消費電力のワイヤレスIoTネットワーク特有のニーズに対応するため、オープンなグローバルスタンダードとして開発されたワイヤレステクノロジーです。 Zigbee規格は、IEEE 802.15.4のフィジカル無線通信仕様、ならびに、2.4GHz、900MHz、868MHzなどの無認可周波数帯で動作します。

ZigBeeスタックのベースとなる802.15.4仕様は、2003年に 米国電気電子技術者学会 (IEEE)から認可を取得しました。仕様は、ローコストおよびバッテリー駆動のデバイスを対象としたパケットベースの無線通信プロトコルです。プロトコルは、デバイスが各種のネットワークトポロジで通信するのを可能にし、数年間のバッテリー寿命を実現しています。

Zigbee 3.0プロトコル

Zigbeeプロトコルは、 Zigbee Alliance のメンバー企業によって作成・承認されました。Zigbee Alliance 会員は、300を超える主要半導体メーカー、テクノロジーファーム、OEM、サービス企業から構成されます。Zigbeeプロトコルは、セキュアで信頼性の高いワイヤレスネットワークアーキテクチャを特徴とした使いやすいワイヤレスデータソリューションを提供するよう設計されています。

Zigbeeの優位点

Zigbee 3.0プロトコルは、商用および工業アプリケーションで、一般的なノイズの多いRF環境下でのデータ通信を想定して設計されています。バージョン3.0は、既存のZigbee規格をベースに、市場特有のアプリケーションプロファイルを統一し、市場の指定や機能に関係なく、すべての機器を同じネットワークでワイヤレス接続できるようにしたものです。さらに、Zigbee 3.0の認証スキームにより、異なるメーカーの製品の相互運用性を確保します。Zigbee 3.0ネットワークをIPドメインに接続することで、インターネットを含むLANやWAN上のスマートフォンやタブレットなどのデバイスからの監視や制御が可能となり、真のInternet of Things(モノのインターネット)が実現します

ZigBeeプロトコルの主な機能：

• ポイント・ツー・ポイントやポイント・ツー・マルチポイント、メッシュといった複数のネットワークトポロジに対応
• 低い負荷サイクル……長いバッテリー寿命を提供
• ローレイテンシー
• ダイレクトシーケンススペクトラム拡散(DSSS)
• 1ネットワークあたり最大6万5000ノード
• セキュアなデータ接続を実現する128ビットAES暗号化
• 衝突回避、再試行、確認応答

Zigbee 3.0ソフトウェアスタックは、ネットワークにノードをコミッショニングするための一貫した動作を提供する「ベースデバイス」を組み込んでいます。近接コミッショニングの方法であるTouchlinkを含む、共通のコミッショニング方法のセットが提供されます。

Zigbee 3.0は、ネットワークのセキュリティを強化します。セキュリティには2つの方式があり、2種類のネットワークが生まれます。

• 一元的セキュリティ……この方式では、ネットワークを形成し、参加ノードへのネットワークおよびリンクのセキュリティ鍵の割り当てを管理するコーディネーター/トラストセンターを使用します。
• 分散型セキュリティ……コーディネータ／トラストセンターを持たず、ルータで形成されます。Zigbeeのルータノードであれば、参加するノードにネットワーク鍵を提供することができます。

ノードは、参加するネットワークで使用されているセキュリティ方式を採用します。Zigbee 3.0は、ワイヤレスネットワークの規模が拡大し複雑化していることに対応し、250ノードを超える大規模ローカルネットワークに対応します。また、Zigbeeはこれらのネットワークの動的な挙動（ネットワークにノードが出現、消滅、再出現する）を処理し、親を失った孤立ノードが別の親を経由してネットワークに再参加できるようにします。また、Zigbeeメッシュネットワークの自己回復機能により、内部ルーティングに影響を与えることなく、ノードをネットワークからドロップさせることができます。

Zigbee 3.0の下位互換性は、Zigbee Light Link 1.0またはHome Automation 1.2プロファイルで既に開発されたアプリケーションがZigbee 3.0に対応できることを意味しています。Smart Energyプロファイルも機能レベルではZigbee 3.0と互換性がありますが、Smart Energyには追加のセキュリティ要件があり、プロファイル内でのみ対応可能です。

ZigbeeのOTA（Over-The-Air）アップグレード機能は、デバイスの動作中にソフトウェアを更新するため、すでにフィールドに配備されているデバイスのアプリケーションをシームレスにZigbee 3.0に移行することが可能です。OTA アップグレードはオプション機能で、メーカーは Zigbee 製品でサポートすることが推奨されています。

メッシュネットワーク

Zigbeeプロトコルの重要なコンポーネントは、メッシュネットワークへの対応です。メッシュネットワークでは、ノードは他のノードと相互接続され、複数の経路で各ノードを接続します。ノード間の接続は、最新の内蔵メッシュルーティングテーブルによって動的にアップデート・最適化されます。

メッシュネットワークは分散型であり、各ノードはネットワーク上で自己検知が可能です。また、ノードがネットワークから離れると、メッシュトポロジにより、新しいネットワーク構造に基づいてルーティング経路を再構成できます。メッシュトポロジとアドホックルーティングの特性により、状況変化や単一ノードの障害に対してより高い安定性を提供します。

Zigbeeアプリケーション

Zigbeeは、低コスト、低消費電力のソリューションで、ワイヤレスネットワークの幅広い配備を可能にします。安価なバッテリーで何年も動作する能力を提供し、多くの監視・制御アプリケーションに利用されています。スマートエナジー/スマートグリッド、AMR（自動メーター検針）、照明制御、ビルオートメーションシステム、タンクモニタリング、HVAC制御、医療機器、フリートなどのアプリケーションは、Zigbeeテクノロジーが大きく進歩している分野の一部です。

Digi XBee 3 Zigbeeテクノロジー

DigiはZigbee Allianceのメンバーであり、Zigbeeプロトコルに基づくさまざまなネットワークソリューションを開発しています。Digi XBee 3は、多様なデバイスに接続するための機能を提供する実装しやすいソリューションの最新製品です。