再度脚光を浴びつつある無線通信規格 Zigbee とは？

Zigbeeは再度脚光を浴びつつある無線通信規格です。
Wi-FiやBluetoothと同様に2.4GHz ISMバンドを使用しており、製品の海外展開を視野にいれた場合に最適な通信方式の一つです。

スマートホーム（照明制御やスマートロックなど）やスマートメータなどの用途を中心に、欧米で広く普及しています。

FAQ：なぜ今、Zigbeeに注目が集まっているのですか？

Zigbee の仕様

Zigbeeの仕様は、Zigbee Allianceで策定しています。最新のZigbee仕様は Zigbee 3.0 です。

過去にZigbeeを検討したことがあるという方は、Zigbeeではプロファイルというものが定められていて、HA（Home Automation）やCBA（Commercial Building Automation）やHC（Health Care）やSE（Smart Energy）やZLL（Light Link）などの多くのプロファイルがあり、プロファイル間での相互接続性がない。と記憶してらっしゃるかもしれません。

最新仕様のZigbee 3.0では、SE以外のプロファイルが1つのプロファイルに統一されており、利便性がより高まっています。過去のプロファイル（例えばHA1.2のような）との互換性もしっかり保たれていますので、例えばHA1.2で構築したネットワークにZigbee3.0対応機器を導入しても接続できます。

Zigbee HA1.2対応のスマートホームハブを搭載したAmazon Echo Plusとも、スキルの設計をすることなく（つまり制御クラウドを準備する必要なく）繋がります。

FAQ：AIスピーカー「Amazon Echo Plus」はZigbeeに対応していますが、Silicon Labs社のZigbee製品も繋がりますか？

Zigbee のトップベンダ Silicon Labs社

このZigbeeの市場において、Silicon Labs社は トップベンダ で、Zigbee対応SoCや 対応モジュール を幅広く製品展開しています。中には日本の技適を取得したモジュールもあります。
もちろん、Zigbee 3.0に対応したプロトコルスタックも提供しています。

FAQ：Silicon Labs社のZigbee製品は市場実績がありますか？
FAQ：Zigbeeに対応したモジュールはありますか？

メッシュネットワークのメリットは？

ネットワークトポロジの種類

機器同士の通信を考えた場合に、ネットワークのトポロジは色々と種類がありますが、代表的なものとして、P2P（Peer to Peer: 1対1通信）、スター（Star: 1対N, 1対多）、メッシュ（mesh: 多対多）などがありますが、Zigbeeはメッシュネットワークが構成できる通信規格の代名詞となっています。
もちろんP2Pやスター型も構成できます。

堅牢なネットワークを構成

スター型と異なり、メッシュネットワークでは送信側と受信側との間に幾つもの経路が存在しています。送信側から受信側にどのような経路でデータを送るのが最適か？を判断しながら通信を行うため、Zigbeeではルーティングテーブルを作成し、それを元に効率的な通信を実現しています。同じメッシュネットワークでもBluetooth Mesh（SIG Mesh）はルーティングテーブルを持っておらず、スループットなどでZigbeeやThreadと違いが出る要因にもなっています。

また、通信経路上の機器が故障し、想定した経路で通信が行えなくなってしまった場合には、経路の修復を自動的に行います。このあたりが、Zigbeeが堅牢なネットワークを構成できる、と言われる所以でもあります。

拡張性に強いメッシュネットワーク

またメッシュネットワークは、一つのネットワークに多くの機器が参加することができるのも特長です。プロトコルや提供メーカーによって差はあるでしょうが、100～数100台の規模感です。Wi-Fiのようなスター型では、１つのアクセスポイントに接続可能な台数には限界がありますが、メッシュネットワークにはスケーラビリティの観点で優位性があります。

また送信側と受信側との間に距離があっても、中継デバイスを介して通信が行えますので、スター型と同じ面積を、より低い出力レベルでカバーすることも可能です。消費電力に優しい通信規格とも言えます。

シリコンラボ社のZigbeeソリューション

シリコンラボ社のZigbee事業は、Zigbee対応SoCのトップメーカーであったEmber社を買収したところからスタートし、その後Zigbee対応モジュールメーカーTelegesis社も傘下に加えています。このような経緯もあり、シリコンラボ社の製品には、シリコンラボ社製品、旧Ember社製品、旧Telegesis製品が含まれています。

ここでは、最新のEFR32MGxx、MGMxxxにフォーカスしてご紹介します。

EFR32MGファミリ（SoC）

EFR32MG（Mighty Gecko）ファミリは、コアにArm® Cortex ®-M4Fを搭載した無線マイコンです。MG1、MG12、MG13、MG14 と、2018/7時点で4ファミリが製品化されています。
SPI, I2C, UARTなどのシリアルインタフェース、ADC, DAC, コンパレータなどのアナログペリフェラル、暗号化・復号用のハードウェア・アクセラレータなど、ペリフェラルも豊富です。

それぞれのファミリに多くの品番が用意されていまして、いずれも2.4GHzのトランシーバを含んでいますが、中にはSub-GHzに対応したものもあります。Sub-GHzに対応したものは、1つのSoCにアンテナが2つ繋がります。

対応プロトコルについては、Zigbee/Threadだけを実装できるもの、Bluetoothも実装できるもの、Sub-GHzも実装できるもの、など機能/価格のバリエーションを用意しています。
また、マルチプロトコルにも対応していますので、1つのSoCにZigbeeとBluetoothの両方を実装するということも可能です。

FAQ：マルチプロトコル対応とは何ですか

開発環境、およびマルチプロトコルの挙動については、こちらをご参照ください。
ZigBee、Thread、BLEを同時評価できるワイヤレス・スターターキット SLWSTK6000B とは？

なお、SoCですので、無線の電波法認証はユーザー側で取得いただくことを想定しています。
電波法認証を自前で取ろうとすると、事前測定のための機材や、認証テストに要するコストが必要となりますので、スモールスタートにはSoCは向きません。そのようなユーザー様にはモジュールをお勧めします。

MGM1xxファミリ（モジュール）

MGM1xx（Mighty Gecko Module）ファミリは、EFR32MGを使ってモジュール化し、電波法認証（技適）を取得した上で提供している製品です。

難易度の高いアンテナ周りの設計が既に終わっていますので、SoCに比べるとハードウェア設計は容易です。ハード設計や認証にかかる期間を短縮できますので、Time to Marketの削減には非常に効果的です。

モジュールの実装については、データシートにガイドラインが用意されています。この点をしっかりと踏襲すれば、ある程度の無線性能が苦労なく得られる、というのもモジュールを使うメリットです。もちろん引いたレイアウトは、シリコンラボ社でレビューが可能です。

FAQ：回路・レイアウトのレビューをお願いできますか？

開発環境は、EFR32MGと同一のものを使用します。ラジオボード（無線マイコンが載った子基板）は、MGM1xxを搭載したものが用意されています。

Zigbee 機器の開発

Zigbee の基本仕様とSillicon Labs社の対応製品をご紹介しましたが、いかがでしたでしょうか？堅牢で拡張性に強いメッシュネットワークをお探しの場合は、是非Silicon Labs社のZigbee 対応製品をご検討ください。

なお、自力でZigbee 機器を開発するのは難しいかな？という方や、早く設計して早く市場に製品を投入したい、という方には、開発委託をお勧めしております。開発委託をご検討の際は、相談に乗りますので以下からお問い合わせください。

次回は、Zigbee機器開発の流れについて、ご紹介したいと思います。
[Silicon Labs/ワイヤレス講座] Zigbee 開発フロー編