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Zigbee란 무엇인가?
무선 메쉬 네트워킹을 활용한 프로토콜과 응용

지그비(Zigbee) 프로토콜은 사물인터넷(IoT)의 독특한 요구 사항을 해결하기 위해 특별히 개발되었습니다. 이 프로토콜은 배터리로 작동하는 장치가 전력을 절약해야 하는 상황을 고려하여 설계되었으며, 동시에 장치 간의 저비용으로 높은 신뢰성과 효율적인 무선 통신을 제공하도록 만들어졌습니다.

 


Zigbee란 무엇인가?
지그비 기술(Zigbee technology)란 낮은 비용과 저전력을 요구하는 무선 IoT 데이터 네트워크의 고유한 요구를 충족하기 위해 개발된 글로벌 표준 무선 기술입니다. 이는 배터리로 작동하는 장치와 센서 네트워크의 무선 통신,모니터링 및 제어를 지원하도록 설계되었습니다. Zigbee는 IEEE 802.15.4 규격을 기반으로 작동하며, 스마트 홈 자동화, 의료 데이터 수집, 산업 제어 시스템 등 다양한 분야에서 널리 사용됩니다.

 

Zigbee의 역사
저전력 무선 메쉬 네트워킹의 아이디어는 1990년대에 등장했습니다. 그러나 Zigbee Alliance가 IEEE 802.15.4의 승인을 기반으로 Zigbee 프로토콜 초안을 작성한 것은 2000년대 초반이었습니다. 2006년, Zigbee 2006은 2004년의 스택 구조에서 클러스터 라이브러리를 포함하도록 개편되었습니다. 2007년에는 에너지 분야의 기능이 추가된 Zigbee Pro가 도입되었습니다. 2021년, Zigbee Alliance는 기술 초점의 확장을 반영하기 위해 Connectivity Standards Alliance로 이름을 변경했습니다.


IoT에서의 Zigbee의 역할
Zigbee 사양은 저비용과 배터리로 작동하는 장치 및 제품을 위한 패킷 기반 프로토콜로 설계되었습니다. Zigbee IoT 프로토콜은 매우 낮은 소비 전력으로 다양한 네트워크 토폴로지에서 장치 간 데이터를 원활하게 통신할 수 있도록 합니다. Zigbee를 사용하여 다양한 제조업체의 장치들이 호환성 있게 통신할 수 있습니다.

Zigbee Alliance (현재 Connectivity Standards Alliance)
Zigbee Alliance는 Zigbee 통신 프로토콜을 사용하는 IoT 장치를 위한 표준을 만들기 위해 특별히 설립되었습니다. Zigbee Alliance의 목표는 모든 장치가 안전하게 통신할 수 있도록 보편적이고 오픈된 표준을 개발, 발전, 홍보하는 것입니다. 현재 이 조직은 Connectivity Standards Alliance로 알려져 있으며, 5,000개 이상의 Zigbee 인증 제품과 600명의 회원을 보유하고 있습니다.




 
Zigbee 프로토콜
지그비 프로토콜은 저전력 무선 IoT 네트워크가 안전하고 신뢰할 수 있는 통신을 할 수 있도록 표준화한 Zigbee Alliance에 의해 개발된 표준 무선 규격입니다.

- Zigbee Standard: Zigbee Alliance는 IEEE 802.15.4 표준을 기반으로 네트워크 계층, 보안 계층 및 애플리케이션 프레임워크를 추가하여 Zigbee 표준을 개발했습니다.
- Zigbee 3.0: Zigbee Pro 규격은 하위 장치 관리, 보안 강화 및 새로운 네트워크 토폴로지 옵션과 같은 새로운 기능을 추가합니다. 

Zigbee 장치는 원활하게 메쉬 네트워크를 형성하여 중앙 노드를 통해 효율적인 데이터 백홀을 제공하며, 게이트웨이를 통해 원격 인터넷 액세스를 지원합니다. Zigbee 앱을 사용하면 어디에서나 스마트 장치를 제어할 수 있습니다. Zigbee는 IEEE 802.15.4 표준에 정의된 물리 계층 및 MAC(매체 접근 제어) 하위 계층을 기반으로 합니다.
Zigbee 네트워크 계층은 네트워크 구조, 라우팅 및 보안을 관리합니다. 애플리케이션 계층에는 애플리케이션 지원 하위 계층, Zigbee 장치 객체 및 사용자 정의 애플리케이션이 포함됩니다.

Zigbee 3.0 프로토콜의 장점
Zigbee 네트워크의 표준화는 모든 제품과 서비스가 함께 작동하도록 보장합니다. 이 표준은 테스트, 인증, 브랜딩, 마케팅을 결합하여 상호 운용 가능한 제품과 솔루션의 개발 및 판매를 지원합니다. 최신 Zigbee 프로토콜인 Zigbee Pro 2023은 보안 기능을 강화하고 2.4GHz 대역을 넘어 유럽의 800MHz 대역과 북미 및 호주의 900MHz 대역을 지원하여 신호 강도와 범위를 확장했습니다.

Zigbee의 주요 특징:

- 유연성(Flexibility): Point-to-point, Point-to-multipoint 및 메쉬 네트워크와 같은 다양한 네트워크 토폴로지를 지원.
- 낮은 듀티 사이클(Low-duty cycle): 긴 배터리 수명을 제공.
- 낮은 지연(Low latency): 최소한의 지연으로 센서 데이터를 쉽게 전송.
- 확장성(Scalability): 네트워크당 최대 65,000 노드까지 지원하는 직접 시퀀스 확산 스펙트럼(DSSS)을 포함.
- 견고성(Robustness): 충돌 방지, 재시도 및 확인 기능을 포함.
- 저전력 소비(Low power consumption): 전력 절약 모드("슬립 모드")를 통해 저가 배터리로 몇 년간 작동 가능.
- 낮은 데이터 속도(Low data rate): 최대 250kbit/s의 데이터 속도로 간헐적인 센서 및 장치 데이터 전송에 적합.
- 보안(Security): 128비트 AES 암호화 및 다양한 추가 보안 기술을 사용. 

Zigbee 무선 보안
Zigbee 사양의 암호화는 128비트 키와 AES 암호화 표준을 사용합니다. 암호화, 무결성 및 인증은 애플리케이션, 네트워크 및 MAC 계층에서 적용되어 각 계층에서 프레임을 보호합니다. Zigbee Pro 2023은 장치 등록 및 작동 중 네트워크를 보호하기 위한 강화된 보안 기능을 제공합니다.

프로토콜 호환성
설계상 Zigbee는 상호 운용성을 보장하기 위해 하위 및 상위 버전과의 호환성을 지원합니다. 호환 가능한 장치로는 Samsung SmartThings, Amazon Echo Plus 및 Echo Show, Belkin WeMo, Philips Hue, Yale 스마트 잠금장치 등이 있으며, 이들 제조업체는 제품이 새로운 기능을 지원하도록 보장합니다.

OTA(Over-the-Air) 소프트웨어 업그레이드 기능
Zigbee의 OTA 소프트웨어 업그레이드 기능은 단일 장치를 사용해 네트워크의 모든 장치 펌웨어를 업데이트할 수 있는 강력한 방법입니다. 제조업체는 이 기능을 통해 고객이 항상 최신 버전과 가장 안전한 버전을 사용하며, 펌웨어를 개선하고 제품에 새로운 기능을 추가하도록 보장할 수 있습니다.


Zigbee의 일반적인 무선 응용 분야

낮은 지연 시간과 다수의 장치를 지원하는 Zigbee는 홈 자동화, 산업 제어 및 센서 네트워크에 적합합니다. 또한, 라이선스 비용이나 로열티가 없기 때문에 제조업체가 저비용으로 구축할 수 있습니다. 아래는 주요 사용 사례입니다:

친환경 기술 응용(Green tech applications): Zigbee 메쉬는 태양광 및 풍력 발전소, 전기차 충전 네트워크와 같은 친환경 기술 응용에 이상적인 선택입니다.

스마트 홈(Smart home): 스마트 홈에서 Zigbee 네트워크는 조명, 도어락, 연기 감지기, 선풍기, 가전제품 등을 제어할 수 있습니다. 사실, Amazon Echo Plus, Samsung SmartThings, Signify(구 Philips Lighting)와 같은 대형 스마트 홈 에코시스템 제공업체 대부분이 Zigbee를 사용합니다. 전 세계적으로 스마트 홈 및 건물에서 수억 대의 Zigbee 제품이 사용되고 있습니다.

스마트 에너지(Smart energy): Zigbee Pro 2023 사양으로 제작된 Zigbee 장치는 이제 동일한 네트워크를 통해 스마트 에너지 장치와 연결하여 이러한 장치의 제어 및 사용을 개선할 수 있습니다.

의료(Medical): 의료 환경에서는 환자가 센서를 착용해 심박수, 혈압, 혈당 수치와 같은 생체 신호를 수집하고 무선으로 병원에 전송할 수 있습니다.

산업 자동화(Industrial automation): 건물 내부에서 Zigbee는 조명 제어, HVAC(난방, 환기 및 공조), 보안 및 출입 통제 시스템을 자동화하는 데 사용될 수 있습니다.

Zigbee 장치의 예시

Zigbee는 전구, 콘센트, 플러그, 모션 센서와 같은 IoT 장치에서부터 스마트 에너지, 전기차 충전, 산업 건물 제어까지 네트워크를 통해 상호 통신하는 다양한 장치에서 사용되는 무선 프로토콜입니다. Zigbee를 사용하는 대규모 생태계 제품의 예시는 다음과 같습니다:

- Samsung SmartThings: Samsung SmartThings의 콘센트, 모션 센서, 다목적 센서 및 Arrival 센서는 Zigbee 칩을 탑재해 정보를 송수신할 수 있습니다.
- Philips Hue 스마트 장치: Hue Bridge는 Zigbee를 사용하여 Wi-Fi 네트워크에 연결되며, 사용자는 인터넷 연결이 가능한 곳 어디서든 Philips Hue 앱을 통해 스마트 조명을 제어할 수 있습니다.
- IKEA: TRÅDFRI 게이트웨이는 Zigbee를 사용하여 IKEA 스마트 제품을 앱과 리모컨을 통해 관리합니다.
- Amazon Echo: Amazon Echo Show와 Echo Plus에는 내장 스마트 홈 허브가 있어 Zigbee 스마트 장치(예: 전구, 도어락, 벽 스위치, 센서 및 플러그)를 제어할 수 있습니다.
- FLO 전기차 충전소: FLO는 Digi XBee® Zigbee 모듈과 산업용 게이트웨이를 사용하여 전기차 충전 네트워크를 구축합니다.
- Suntrac® by P4Q 태양광 추적: P4Q Electronics는 Digi XBee Zigbee 모듈을 Suntrac 태양광 추적 기술에 통합하여 태양광 패널의 위치를 조정하고 전 세계 태양광 패널 필드를 원격으로 모니터링할 수 있도록 지원합니다.
- Sicom의 CityMesh® 스마트 가로등: 이 확장 가능한 스마트 시티 네트워크는 Digi XBee Zigbee 모듈을 통합하여 수천 개의 가로등과 교통 신호등을 보다 정밀하게 제어하며, 환경적으로 더 좋은 영향에 기여합니다 

Zigbee 메쉬 네트워킹

Zigbee 메쉬 토폴로지는 장치 간의 다중 연결을 허용하여 네트워크의 중복성과 견고성을 제공합니다. 메쉬 네트워크는 분산화되어 각 노드가 네트워크에서 자체적으로 경로를 탐색할 수 있습니다. 하나의 노드가 네트워크를 떠나면 기존 노드들은 새 네트워크 구조에 따라 라우팅 경로가 재구성됩니다. 메쉬 토폴로지와 애드혹 라우팅은 단일 노드의 오류나 가변적인 네트워크 조건에서도 더 나은 안정성을 제공합니다. 간단히 말해, 메쉬는 가장 유연한 토폴로지로, 자체 복구(Self-healing) 기능을 지원하여 연결 실패 시 자동으로 네트워크를 재구성할 수 있습니다.

포인트 투 포인트(Point-To-Point)

포인트 투 포인트 토폴로지는 두 노드만 있는 네트워크입니다. 이 토폴로지는 포인트 투 멀티포인트보다 단순하지만 IoT 응용 프로그램에서 일반적으로 사용되지는 않습니다. 이 토폴로지에서 두 Zigbee 장치는 서로 직접 통신합니다. 포인트 투 멀티포인트보다 단순하지만 IoT 응용에서의 활용성은 제한적입니다.

포인트 투 멀티포인트(Point-To-Multi-Point)

포인트 투 멀티포인트 또는 스타 네트워크는 중앙 허브를 사용하여 여러 앤드 노드와 통신하는 토폴로지입니다. 이 토폴로지에서는 각각의 Zigbee 장치가 Zigbee 장치 그룹과 통신합니다.

Zigbee 사양

Digi XBee 모듈, 게이트웨이 및 도구

Digi는 Zigbee 무선 주파수(RF) 모듈과 IoT 장치의 무선 연결을 신속히 배포하고 확장할 수 있도록 설계된 사용하기 쉬운 개발 키트를 제공합니다. Digi의 Zigbee 기반 프로토콜은 다양한 Digi XBee® RF 모듈에 통합되어 있습니다. Digi XBee는 Zigbee 표준을 기반으로 사전 인증된 프로그래머블 무선 모듈, 게이트웨이, 개발 도구 및 소프트웨어를 포함한 완전한 시스템을 제공합니다.

Digi XBee RF 모듈

임베디드 무선 IoT 연결 응용 프로그램의 다양한 요구를 지원하기 위해 Digi XBee RF 모듈은 다양한 프로토콜과 폼 팩터로 제공됩니다. 이 모듈은 저전력 응용 프로그램을 지원하며, 외부 Zigbee 마이크로컨트롤러(Zigbee MCU)가 필요 없도록 설계되었습니다. XBee Zigbee RF 모듈은 배포가 쉽고 사전 인증을 받았으며, Digi XCTU®, Digi XBee Mobile App, Digi Remote Manager®(Digi RM)를 사용하여 구성할 수 있습니다.

Digi XBee 게이트웨이

IoT 환경에서 게이트웨이는 Zigbee와 같은 무선 프로토콜을 셀룰러 네트워크로 변환합니다. 이 게이트웨이는 엔터프라이즈 LAN과 인터넷을 연결하여 다양한 네트워크 프로토콜을 IP 또는 셀룰러 네트워크로 연결합니다. 게이트웨이는 또한 데이터를 집계하고, 변환하며, 네트워크를 통해 전송하기 전에 암호화할 수 있습니다.

Digi XCTU 구성 소프트웨어

Digi XCTU는 Digi XBee RF 모듈을 설정, 구성 및 평가해야 하는 개발자를 위해 설계된 무료 멀티 플랫폼 그래픽 인터페이스 응용 프로그램입니다. XCTU는 설정이 간단하며 Windows, Linux, MacOS를 포함한 다양한 플랫폼을 지원합니다.

더 많은 Zigbee 제품 및 리소스 탐색

Zigbee 프로토콜은 IoT 장치를 위한 가장 강력하고, 안전하며, 저비용의 연결 표준 방식입니다. 스마트 홈 및 상업용 건물 자동화부터 에너지 관리, 심지어 건강 모니터링 장치까지 다양한 응용 분야에서 사용되며, Zigbee는 새로운 시장 요구를 충족하기 위해 지속적으로 발전하고 있습니다.

여기서 Digi가 도움을 줄 수 있습니다. Digi는 Connectivity Standards Alliance의 회원으로, Zigbee 프로토콜을 기반으로 한 확장 가능한 임베디드 솔루션을 개발했습니다. Digi 솔루션은 강력한 연결 표준을 기반으로 다양한 장치 및 네트워크를 연결할 수 있는 기능을 제공합니다. XBee 및 Zigbee에 대해 더 알아보기 위해 더 많은 Zigbee 제품 및 리소스를 탐색해 보세요.

	Zigbee RF Modules	View
	Digi XBee RR Zigbee RF Module	View
	Digi XBee 3 Zigbee 3 RF Module	View
	Digi XBee Gateways	View
	Digi XBee Tools	View
	Digi XCTU	View
	Digi XBee Studio	View

Zigbee 기술 FAQ

Zigbee는 어떤 주파수에서 작동하나요?
Zigbee는 전 세계적으로 2.4GHz 주파수 대역에서 작동합니다. 유럽에서는 868MHz 대역, 중국에서는 784MHz 대역을 사용하는 일부 Zigbee 장치도 있습니다.

Zigbee의 통신 거리는 얼마나 되나요?
저전력 소비로 인해 전송 거리는 약 10~100m로, 출력 전력과 환경 조건에 따라 달라질 수 있습니다. 하지만 Zigbee는 메쉬 네트워크를 통해 데이터를 전달하여 더 먼 거리를 지원할 수 있습니다. 네트워크 내 각 노드는 데이터 중계기 역할을 하여 더 먼 노드로 데이터를 전송합니다.

Zigbee 허브란 무엇인가요?
허브, 코디네이터, 게이트웨이는 실질적으로 상호 교환 가능한 용어입니다. Zigbee 장치는 Zigbee 허브(코디네이터 또는 게이트웨이)를 통해 상호 통신합니다. 이 허브는 셀룰러, Wi-Fi 또는 이더넷 연결을 통해 인터넷에 연결됩니다. 예를 들어, Digi XBee 게이트웨이는 이러한 역할을 합니다. 허브는 네트워크 내 모든 Zigbee 장치를 연결 및 제어합니다.

Zigbee는 어떻게 작동하나요?
Zigbee 프로토콜은 저비용 배터리 장치와 제품의 연결성을 표준화합니다. Zigbee 장치가 데이터를 전송하려면 먼저 채널이 비어 있는지 확인하기 위해 충돌 회피(CSMA/CA)를 사용합니다. 채널이 비어 있으면 데이터를 전송하며, 채널이 사용 중이면 대기(backoff) 기간을 설정한 후 다시 시도합니다. 이 프로토콜은 배터리 구동 장치의 전력 소비를 줄여 교체 없이 장시간 사용할 수 있도록 설계되었습니다.

Zigbee와 DigiMesh의 차이점은 무엇인가요?
Zigbee 메쉬와 DigiMesh는 각각 우수한 기능과 특징을 제공하며 다양한 시나리오에서 활용됩니다. 더 자세한 내용은 화이트 페이퍼를 참조하세요. 이 문서에는 두 메쉬 네트워킹 방식의 비교가 포함되어 있습니다.

Zigbee와 Bluetooth 중 무엇이 더 나은가요?
Bluetooth는 저비용, 저전력 무선 연결을 위한 단거리 무선 표준으로, 스마트 홈 가전, 스마트폰, 키보드, 컴퓨터 마우스, 프린터, 무선 헤드셋 등에서 유용합니다. Zigbee와 Bluetooth 무선 프로토콜은 IoT 응용에서 로컬 통신을 위해 효과적으로 작동하며, 각각 다른 IoT 사용 사례에 적합합니다. 가장 좋은 점은 두 프로토콜이 함께 작동하여 유연한 응용 프로그램을 제공할 수 있다는 점입니다. 예를 들어, Digi XBee 3 Zigbee 모듈은 Bluetooth를 단거리 설정 및 문제 해결용으로, Zigbee를 메쉬 네트워킹 프로토콜로 사용할 수 있습니다.

Zigbee 메쉬 네트워크를 어떻게 구축하나요?
Zigbee 메쉬 네트워크는 코디네이터, 라우터, 엔드 노드로 구성됩니다. 링크되어 있는 문서에서 더 자세히 확인할 수 있습니다. 코디네이터가 네트워크를 생성한 후, 다른 노드들이 네트워크에 합류할 수 있습니다. Digi XCTU는 메쉬 네트워크를 설계, 테스트 및 배포하는 데 필요한 도구를 제공합니다.

-  Digi XBee를 활용한 Zigbee 무선 네트워크 구축 방법 보기
- 사용 사례에 맞는 적절한 XBee 모듈 선택