Che cos'è Zigbee? Come funziona il protocollo mesh Zigbee

Zigbee è un protocollo wireless mesh a basso consumo per sensori, contatori e comandi. Funziona sullo standard radio IEEE 802.15.4, di solito a 2,4 GHz, e invia frame piccoli a 250 kbit/s. I dispositivi alimentati da rete fanno da router e ritrasmettono i frame dei vicini, così le letture saltano da un dispositivo all'altro fino a un unico coordinatore in un gateway, e la rete trova un nuovo percorso quando un router scompare. I dispositivi a batteria dormono quasi sempre e possono funzionare per anni. La Connectivity Standards Alliance (già Zigbee Alliance) cura la specifica, e Zigbee 3.0, ratificato alla fine del 2015, è la versione che porta la maggior parte dei dispositivi installati e attuali.

Zigbee in sintesi

Coordinatore, router e dispositivi finali

Una rete ha esattamente un coordinatore. Il numero di router decide quanto bene la mesh copre un edificio: ogni router aggiunge copertura e percorsi alternativi. Non dare per scontato che ogni dispositivo alimentato da rete sia un router; controlla il tipo di nodo nella scheda tecnica. I dispositivi finali non ritrasmettono mai, quindi un piano di sensori a batteria senza router vicini dipende dai router degli altri piani.

Come la mesh Zigbee instrada e si ripara

Quando un dispositivo ha bisogno di un percorso verso un altro, può diffondere una richiesta di route, e i router che la inoltrano creano una voce nella tabella di instradamento per il percorso migliore trovato. Poiché in una rete di sensori la maggior parte del traffico va al coordinatore, questo di solito annuncia route many-to-one: ogni router impara con un solo broadcast il prossimo salto verso il coordinatore, e il coordinatore risponde con il source routing.

L'autoriparazione significa che un collegamento interrotto avvia una nuova ricerca di route e il frame prende un'altra strada. Funziona solo dove esiste un altro percorso. Se un router viene spento, isolato per manutenzione o rimosso, i dispositivi finali che lo usavano come padre devono trovarne un altro a portata. Se non c'è, smettono di trasmettere finché il router non torna.

Ogni salto ritrasmette il frame sullo stesso canale. Una lettura che attraversa tre salti usa il canale tre volte, quindi una lunga catena di router lungo un corridoio satura il canale prima di una mesh piatta con più percorsi verso il gateway. Una regola pratica di progetto: posiziona i router in modo che ogni zona abbia almeno due router a un salto.

Zigbee 3.0, cluster e attributi

Prima di Zigbee 3.0 i dispositivi erano certificati per un profilo applicativo, come Home Automation o Smart Energy, e i profili non sempre funzionavano insieme. Zigbee 3.0 ha unito in uno solo i profili per la casa e per gli edifici, con regole comuni per ingresso in rete, sicurezza e ricerca dei dispositivi. I dispositivi sono certificati Zigbee 3.0 dal 2016, ed è la versione che porta la maggior parte dei dispositivi installati e attuali. Il 18 novembre 2025 la Connectivity Standards Alliance ha annunciato Zigbee 4.0 e Suzi, una variante sotto 1 GHz.

Ciò che un dispositivo può comunicare è definito dalla Zigbee Cluster Library (ZCL). Un cluster è un gruppo di attributi e comandi per una funzione, identificato da un numero:

Due dispositivi possono essere entrambi certificati Zigbee 3.0 e supportare cluster o attributi opzionali diversi. Una presa che comunica la potenza nel cluster Electrical Measurement ma nessun totale di energia nel cluster Metering non ti darà kWh senza un'integrazione nel gateway. Leggi l'elenco di cluster e attributi prima di scegliere un dispositivo, non solo il logo di certificazione. I valori sono interi scalati: il totale del cluster Metering ha un moltiplicatore e un divisore che convertono il conteggio grezzo in kWh.

I dispositivi inviano le letture tramite attribute reporting: il gateway configura per ogni attributo un intervallo minimo, un intervallo massimo e una variazione da segnalare, e il dispositivo trasmette quando il valore cambia di quella quantità o quando scade l'intervallo massimo. Questi tre numeri decidono quanto sono aggiornati i dati e quanto è occupato il canale.

Sicurezza e ingresso in rete Zigbee

Ogni frame di una rete Zigbee è cifrato e autenticato con AES-128 tramite la chiave di rete. Il trust center, di norma il coordinatore, consegna la chiave di rete a un nuovo dispositivo quando entra in rete, protetta da una link key.

I dispositivi più vecchi usavano una link key predefinita nota a tutti, quindi chiunque ascoltasse durante un ingresso in rete poteva ottenere la chiave di rete. Zigbee 3.0 aggiunge i codici di installazione: un codice stampato sul dispositivo da cui il trust center ricava una link key univoca, così la chiave di rete non viaggia mai protetta solo da una chiave nota a tutti. Usa i codici di installazione dove i dispositivi li supportano, apri la rete agli ingressi solo mentre aggiungi dispositivi e tieni un registro dei dispositivi entrati.

Zigbee e Wi-Fi a 2,4 GHz

I canali Zigbee da 11 a 26 sono distanziati di 5 MHz tra 2405 e 2480 MHz. I canali Wi-Fi 1, 6 e 11 coprono gran parte della banda, e i canali Zigbee 15, 20, 25 e 26 stanno negli spazi tra di essi. Un canale Zigbee che si sovrappone a un access point molto usato perde frame ai margini della mesh. Rileva i canali Wi-Fi in uso prima di scegliere il canale Zigbee, e di nuovo quando il sito aggiunge access point. Il confronto tra Zigbee e LoRaWAN riporta il piano dei canali completo e i guasti da tenere d'occhio.

Zigbee a confronto con altri protocolli wireless

Matter, il più recente standard per la casa intelligente, funziona su Thread e Wi-Fi, non su Zigbee; i dispositivi Zigbee raggiungono i sistemi Matter tramite un bridge. Per sensori distribuiti in un campus o sottoterra è più adatta una rete a lungo raggio come LoRaWAN, e molti siti usano entrambe.

Esempio pratico: coprire un locale tecnico e un piano uffici

Un edificio su due piani ha 40 circuiti da misurare in due quadri di distribuzione al primo piano, 12 sensori di temperatura sui 2.500 m² di uffici di quel piano e un gateway nel locale tecnico al piano terra. I monitor di energia nei due quadri sono router alimentati da rete. Secondo la media di EpiSensor, un dispositivo alimentato da rete copre circa 1.000 m² di superficie commerciale, quindi 2.500 m² richiedono tre router per una copertura singola e circa cinque, distribuiti in modo uniforme, perché ogni sensore abbia due possibili padri. I monitor nei due quadri ne forniscono due; tre prese o relè alimentati da rete, distribuiti nel resto del piano, forniscono gli altri. Un bilancio di collegamento per la porta in acciaio del quadro, con il calcolatore del bilancio di collegamento radio, mostra se serve un router fuori dal quadro perché i monitor all'interno raggiungano la mesh.

Zigbee con EpiSensor

Tutti i dispositivi wireless EpiSensor usano Zigbee. Il Gateway ZGW-20 è il coordinatore ed esegue Edge, che archivia ed elabora le letture in sito. Ogni dispositivo EpiSensor alimentato da rete, come il monitor elettrico ZEM, fa da router nella mesh; ciascuno arriva fino a 50 m al chiuso e 300 m all'aperto, e un Gateway gestisce fino a 250 dispositivi. I dispositivi Zigbee di altri costruttori entrano nella stessa rete, e l'elenco dei dispositivi Zigbee mostra come ciascuno si collega a Edge e quali cluster comunica.