ZigBeeとは？

広帯域センサーネットワークを実現する近距離無線規格

ZigBee概要

ZigBeeとは

ZigBee（読み方：じぐびー）は、省エネ、小型、安価が求められるIoT機器において、センサーネットワークの構築に適した近距離無線規格です。データ通信距離が短く、転送速度が遅く、データ転送容量も小さいですが、ライセンスフリーなので低コストであり、省電力なので電池駆動が可能で、電源起動が早いというメリットがあります。

ZigBee Alliance

2001年に設立されたZigBee Alliance（ZigBeeの標準化団体）は、もともとは家電向けに策定された通信規格である「ZigBee」を、現在ではさまざまな無線センサーのノード同士で構築されるワイヤレスネットワーク向けに、仕様作成および、規格運用を行っています。
国内の団体は、ZigBee SIGジャパンが主体となり、ZigBeeの促進活動を行っています。ZigBee標準化の特徴の1つとして、相互接続性を高めるために柔軟なプロファイルを規定しています。プロファイルとは、用途ごとに分類されたアプリケーション間の相互接続をスムーズにするための共通ルールです。Bluetoothなどの無線規格もプロファイルはありますが、標準化団体が定めたもの以外は認めないため、応用が困難となっています。

プロファイル

ZigBeeのプロファイルは、ZigBee Allianceが定めたPublic Profileのほかに、メーカーが開発公開したPublished Profile、メーカー独自運用のPrivate Profileの3種類が認定されています。たとえば、Public Profileとして定義されているHome Automation Profileがありますが、メーカーが製造者固有プロファイルの認定を受けることで、Private Profileとして新たに割り当てた番号を使えるようになります。ただし、Private Profileはメーカーが独自に策定し、公開の義務もないため、ZigBee AllianceがPrivate Profile用のネットワーク適合テスト仕様を策定し、Public Profile準拠製品と共存確認を行っています。

近距離無線規格

無線通信ネットワークの技術は、距離によって下図のように分類されます。中心を人間とすると、人間の周辺機器をネットワークする範囲として10m～20m前後をカバーするものを、無線PAN（Personal Area Network）といいます。一般的には、無線PANなどの通信距離が数10m前後の近距離無線通信技術を指しており、その主な技術として、ZigBeeやBluetooth、無線LANなどがあります。

各技術の比較

種類	ZigBee	Bluetooth	無線LAN	電子タグ（パッシプタグ）
規格	IEEE802.15.4	IEEE802.15.1	IEEE802.11b ⁄ a ⁄ g	ISO ⁄ IEC15693X ISO ⁄ IEC18000
周波数	2.4GHz	2.4GHz	2.4GHz 5GHz	135kHz 13.56MHz 2.45GHz
到達距離	10m～75m程度	10m～100m程度	100m～300m程度	密着～数m程度
伝送速度	250kbps	1Mbps	11Mbps 54Mbps	－
消費電力	60mW以下	120mW以下	3W程度	0
小型／軽量	小型／軽量	小型／軽量	小型	超小型
価格	安価	安価	安価	安価
接続数	約65,000個	最大7個	最大32個	－リーダーとの接続のみ

IEEE802.15.4

ZigBeeの基本的な電気的仕様は、IEEE802.15.4として規格化されています。論理層以上の機器間の通信プロトコルはZigBeeアライアンス（ZigBee Alliance）が仕様を策定します。もともとは、ZigBee以前に家電ネットワーク向けの通信規格として検討されていたHomeRF Liteの技術を転用しています。

デバイスタイプ

ZigBeeで使われるデバイスは、物理デバイスと論理デバイスがあります。

物理デバイス

IEEE802.15.4の規定に従い、全機能を備えたFFD（Full-Function Device）とコストダウンなどを目的に機能を制限したRFD（Reduced-Function Device）の2つに分けられます。ルータ機能を搭載するFFDは、ZigBeeネットワークの重要な位置づけとなります。一方、ルータ機能をもたないRFDは、エンドポイント端末用として親となるFFDとのみ通信を行います。

物理デバイスタイプ	FFD	RFD
ルータ機能	○	×
コーディネータ	○	×
ルータ	○	×
エンドポイント	○	○

論理デバイス

ネットワーク内では、ZigBeeコーディネータ（ZC）、ZigBeeルータ（ZR）、ZigBeeエンドポイント（ZED）の3つの役割に分けられます。コーディネータは必ずネットワーク内に1台のみ存在し、ネットワークを立ち上げる機能を持ちます。ルータはネットワーク内に複数台存在でき、データ転送機能によって次々とノードにデータを渡していくマルチホップネットワークを実現します。これらは物理デバイスのFFDであることが条件となります。

論理デバイスタイプ	ZigBeeコーディネータ	ZigBeeルータ	ZigBeeエンドポイント
ネットワーク立ち上げ	○	×	×
ルータ機能	○	○	×
ピーコン発行	○	○	×
管理範囲	すべてのノード	自身の子ノード	自身

ネットワークトポロジー

ZigBeeには、スター型、ツリー型、メッシュ型の3つのネットワーク方式があります。他の無線ネットワークにはない特徴として、メッシュネットワークを構築できることが挙げられます。
スター型は、中心にZigBeeコーディネータ（ZigBeeルータ）があり、その周囲にZigBeeエンドポイントを配置することで、通信は1ホップのみのシンプルなネットワークとなります。通信が必要なときだけ起動するエンドポイントは、省電力なネットワークを構成できます。
ツリー型は、スター型のノードに親子関係を持たせ、親が子のアドレスをアサインします。ツリーの深さと子デバイス数から重複なくアドレスが生成できるため、ネットワーク全体の情報を持つ必要がなくなり、メモリ消費量を増やさず大規模ネットワークが構成できます。
メッシュ型は、すべてのノードにルータ機能を持つFFDを配置し、アドレスが「乱数」で割り当てられ、動的な通信経路が形成されます。これにより、ノード全てが相互接続機能を持ち、広範囲に接続が可能となり、通信障害が発生しても容易に迂回経路を確保できます。ただし、ノードの省電力化が困難となり、消費電力が大きくなります。