Zigbee란? 프로토콜, 메쉬 네트워크, Digi XBee
Zigbee는 배터리로 작동하는 IoT 장치가 적은 전력으로 신뢰성 있게 통신하도록 만든 IEEE 802.15.4 기반의 글로벌 표준 무선 기술입니다.
지그비(Zigbee)는 낮은 비용과 저전력을 요구하는 무선 IoT 데이터 네트워크의 고유한 요구를 충족하기 위해 개발된 글로벌 표준 무선 기술입니다. 배터리로 작동하는 장치와 센서 네트워크의 무선 통신, 모니터링, 제어를 지원하도록 설계됐고, IEEE 802.15.4 규격을 기반으로 작동합니다.
스마트 홈 자동화, 의료 데이터 수집, 산업 제어 시스템 등 여러 분야에서 널리 쓰입니다. 이 글은 프로토콜의 구조와 특징, 네트워크 토폴로지, 활용 사례, Digi XBee 모듈과 도구를 정리합니다.
배경
Zigbee는 2000년대 초반 IEEE 802.15.4를 바탕으로 만들어졌습니다
저전력 무선 메쉬 네트워킹의 아이디어는 1990년대에 등장했습니다. Zigbee Alliance가 IEEE 802.15.4의 승인을 바탕으로 Zigbee 프로토콜 초안을 작성한 것은 2000년대 초반입니다.
| 연도 | 내용 |
|---|---|
| 1990년대 | 저전력 무선 메쉬 네트워킹 아이디어 등장 |
| 2000년대 초반 | Zigbee Alliance가 IEEE 802.15.4 승인을 바탕으로 프로토콜 초안 작성 |
| 2006년 | Zigbee 2006이 2004년 스택 구조에서 클러스터 라이브러리를 포함하도록 개편 |
| 2007년 | 에너지 분야 기능을 더한 Zigbee Pro 도입 |
| 2021년 | Zigbee Alliance가 기술 초점의 확장을 반영해 Connectivity Standards Alliance로 이름 변경 |
Zigbee는 제조사가 달라도 호환되는 표준입니다
Zigbee 사양은 저비용 배터리 장치와 제품을 위한 패킷 기반 프로토콜입니다. 매우 낮은 소비 전력으로 여러 네트워크 토폴로지에서 장치 간 데이터를 원활하게 주고받으며, 서로 다른 제조업체의 장치가 호환되게 통신하도록 합니다.
Zigbee Alliance(현재 Connectivity Standards Alliance)는 Zigbee 통신 프로토콜을 쓰는 IoT 장치의 표준을 만들기 위해 설립됐습니다. 모든 장치가 안전하게 통신하도록 보편적이고 오픈된 표준을 개발, 발전, 홍보하는 것이 목표이며, 현재 5,000개 이상의 Zigbee 인증 제품과 600명의 회원을 보유하고 있습니다.
프로토콜
Zigbee 표준은 IEEE 802.15.4 위에 계층을 더했습니다
Zigbee 프로토콜은 저전력 무선 IoT 네트워크가 안전하고 신뢰할 수 있는 통신을 하도록 Zigbee Alliance가 표준화한 무선 규격입니다.
- Zigbee Standard: Zigbee Alliance가 IEEE 802.15.4 표준에 네트워크 계층, 보안 계층, 애플리케이션 프레임워크를 더해 개발했습니다.
- Zigbee 3.0: Zigbee Pro 규격이 하위 장치 관리, 보안 강화, 새로운 네트워크 토폴로지 옵션 같은 기능을 더합니다.
Zigbee 장치는 메쉬 네트워크를 이뤄 중앙 노드로 데이터 백홀을 효율적으로 처리하고, 게이트웨이로 원격 인터넷 접속을 지원합니다. Zigbee 앱으로 어디서나 스마트 장치를 제어할 수 있습니다. 물리 계층과 MAC(매체 접근 제어) 하위 계층은 IEEE 802.15.4 표준에 정의된 것을 따릅니다.
Zigbee 네트워크 계층은 네트워크 구조, 라우팅, 보안을 관리합니다. 애플리케이션 계층에는 애플리케이션 지원 하위 계층, Zigbee 장치 객체, 사용자 정의 애플리케이션이 들어 있습니다.
Zigbee Pro 2023은 보안과 주파수 범위를 넓혔습니다
Zigbee 네트워크의 표준화는 모든 제품과 서비스가 함께 작동하도록 보장합니다. 이 표준은 테스트, 인증, 브랜딩, 마케팅을 결합해 상호 운용 가능한 제품과 솔루션의 개발과 판매를 지원합니다.
최신 Zigbee 프로토콜인 Zigbee Pro 2023은 보안 기능을 강화하고, 2.4GHz 대역을 넘어 유럽의 800MHz 대역과 북미 및 호주의 900MHz 대역을 지원해 신호 강도와 범위를 넓혔습니다.
주요 특징
Zigbee의 주요 특징은 여덟 가지입니다
| 특징 | 내용 |
|---|---|
| 유연성(Flexibility) | Point-to-point, Point-to-multipoint, 메쉬 네트워크 등 여러 토폴로지 지원 |
| 낮은 듀티 사이클(Low-duty cycle) | 긴 배터리 수명 |
| 낮은 지연(Low latency) | 최소한의 지연으로 센서 데이터 전송 |
| 확장성(Scalability) | 직접 시퀀스 확산 스펙트럼(DSSS)을 포함해 네트워크당 최대 65,000 노드 지원 |
| 견고성(Robustness) | 충돌 방지, 재시도, 확인 기능 포함 |
| 저전력 소비(Low power consumption) | 전력 절약 모드('슬립 모드')로 저가 배터리로 몇 년간 작동 가능 |
| 낮은 데이터 속도(Low data rate) | 최대 250kbit/s로 간헐적인 센서 및 장치 데이터 전송에 적합 |
| 보안(Security) | 128비트 AES 암호화와 여러 추가 보안 기술 사용 |
128비트 AES로 계층마다 프레임을 보호합니다
Zigbee 사양의 암호화는 128비트 키와 AES 암호화 표준을 씁니다. 암호화, 무결성, 인증은 애플리케이션, 네트워크, MAC 계층에서 적용돼 각 계층에서 프레임을 보호합니다. Zigbee Pro 2023은 장치 등록과 작동 중 네트워크를 보호하는 강화된 보안 기능을 갖췄습니다.
상·하위 버전과 호환되고 OTA 업그레이드를 지원합니다
Zigbee는 설계상 상호 운용성을 위해 하위 및 상위 버전과의 호환성을 지원합니다. 호환 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.
Zigbee의 OTA(Over-the-Air) 소프트웨어 업그레이드 기능은 단일 장치로 네트워크 안의 모든 장치 펌웨어를 업데이트하는 방법입니다. 제조업체는 이 기능으로 고객이 항상 최신 버전과 가장 안전한 버전을 쓰게 하고, 펌웨어를 개선하며 제품에 새로운 기능을 추가할 수 있습니다.
전송 전에 채널이 비어 있는지 확인합니다
Zigbee 장치는 데이터를 보내기 전에 충돌 회피(CSMA/CA)로 채널이 비어 있는지 확인합니다. 채널이 비어 있으면 전송하고, 사용 중이면 대기(backoff) 기간을 정한 뒤 다시 시도합니다. 이런 방식으로 배터리 구동 장치의 전력 소비를 줄여 교체 없이 오래 쓸 수 있도록 설계됐습니다.
Zigbee 메쉬와 DigiMesh의 비교는 Digi의 화이트 페이퍼에 정리돼 있습니다. 사용 사례에 맞는 XBee 모듈은 XBee 모듈 선택 도구에서 고를 수 있고, 메쉬 네트워크의 장치 유형(코디네이터, 라우터, 엔드 노드)은 장치 유형 문서에서 확인합니다.
활용 분야
Zigbee는 홈 자동화, 산업 제어, 센서 네트워크에 적합합니다
Zigbee는 낮은 지연 시간과 다수 장치를 지원하므로 홈 자동화, 산업 제어, 센서 네트워크에 맞습니다. 라이선스 비용이나 로열티가 없어 제조업체가 저비용으로 구축할 수 있습니다. 주요 사용 사례는 다음과 같습니다.
- 친환경 기술(Green tech): Zigbee 메쉬는 태양광 및 풍력 발전소, 전기차 충전 네트워크 같은 친환경 기술 응용에 알맞습니다.
- 스마트 홈(Smart home): 조명, 도어락, 연기 감지기, 선풍기, 가전제품 등을 제어합니다. Amazon Echo Plus, Samsung SmartThings, Signify(구 Philips Lighting) 같은 대형 스마트 홈 에코시스템 제공업체 대부분이 Zigbee를 쓰며, 전 세계 스마트 홈과 건물에서 수억 대의 Zigbee 제품이 사용되고 있습니다.
- 스마트 에너지(Smart energy): Zigbee Pro 2023 사양의 장치는 같은 네트워크로 스마트 에너지 장치와 연결해 제어와 사용을 개선할 수 있습니다.
- 의료(Medical): 환자가 센서를 착용해 심박수, 혈압, 혈당 수치 같은 생체 신호를 수집하고 무선으로 병원에 전송합니다.
- 산업 자동화(Industrial automation): 건물 안에서 조명 제어, HVAC(난방, 환기 및 공조), 보안 및 출입 통제 시스템을 자동화하는 데 쓰입니다.
Zigbee 장치는 전구부터 전기차 충전까지 다양합니다
Zigbee는 전구, 콘센트, 플러그, 모션 센서 같은 IoT 장치부터 스마트 에너지, 전기차 충전, 산업 건물 제어까지 네트워크로 서로 통신하는 여러 장치에 쓰이는 무선 프로토콜입니다. 대표적인 생태계 제품 사례는 다음과 같습니다.
- Samsung SmartThings: 콘센트, 모션 센서, 다목적 센서, Arrival 센서가 Zigbee 칩을 탑재해 정보를 송수신합니다.
- Philips Hue 스마트 장치: Hue Bridge가 Zigbee로 Wi-Fi 네트워크에 연결되며, 인터넷에 연결된 곳이면 어디서든 Philips Hue 앱으로 스마트 조명을 제어합니다.
- IKEA: TRÅDFRI 게이트웨이가 Zigbee로 IKEA 스마트 제품을 앱과 리모컨으로 관리합니다.
- Amazon Echo: Echo Show와 Echo Plus에 내장된 스마트 홈 허브가 Zigbee 스마트 장치(전구, 도어락, 벽 스위치, 센서, 플러그)를 제어합니다.
- FLO 전기차 충전소: Digi XBee® Zigbee 모듈과 산업용 게이트웨이로 전기차 충전 네트워크를 구축합니다.
- Suntrac® by P4Q 태양광 추적: P4Q Electronics가 Digi XBee Zigbee 모듈을 Suntrac 태양광 추적 기술에 통합해 태양광 패널의 위치를 조정하고 전 세계 태양광 패널 필드를 원격으로 모니터링합니다.
- Sicom의 CityMesh® 스마트 가로등: 확장 가능한 스마트 시티 네트워크로, Digi XBee Zigbee 모듈을 통합해 수천 개의 가로등과 교통 신호등을 더 정밀하게 제어하며 환경에도 더 좋은 영향을 줍니다.
토폴로지
Zigbee 토폴로지는 세 가지 유형입니다
네트워크 토폴로지는 링크와 노드의 배열 및 상호 연결 방식을 정합니다. Zigbee의 토폴로지는 포인트 투 포인트(점 대 점), 포인트 투 멀티포인트(점 대 다점), 메쉬의 세 가지로 나뉘며, 각각 메시지 라우팅 방식과 장치 간 연결 방식을 결정합니다.
영상 보기 Zigbee 네트워크 토폴로지를 설명하는 영상입니다.
| 토폴로지 | 특징 |
|---|---|
| 메쉬 | 장치 간 다중 연결로 중복성과 견고성을 제공합니다. 분산형이라 각 노드가 스스로 경로를 찾고, 노드가 하나 빠지면 라우팅 경로가 재구성됩니다. 자체 복구(Self-healing)로 연결 실패 시 네트워크를 자동 재구성하는, 가장 유연한 토폴로지입니다. |
| 포인트 투 포인트 | 노드가 두 개뿐인 네트워크로, 두 Zigbee 장치가 직접 통신합니다. 포인트 투 멀티포인트보다 단순하지만 IoT 응용에서는 활용성이 제한적입니다. |
| 포인트 투 멀티포인트(스타) | 중앙 허브가 여러 엔드 노드와 통신하는 구조로, 각 Zigbee 장치가 장치 그룹과 통신합니다. |
메쉬 토폴로지와 애드혹 라우팅은 단일 노드의 오류나 변동하는 네트워크 조건에서도 더 나은 안정성을 제공합니다.
사양
Zigbee 사양은 Pro, RF4CE, IP로 나뉩니다
| 사양 | 내용 |
|---|---|
| Zigbee Pro | Zigbee Pro 2023 사양은 보안 기능을 강화하고 2.4GHz 대역을 넘어 유럽의 800MHz 대역과 북미 및 호주의 900MHz 대역을 지원해 신호 강도와 범위를 확장했습니다. |
| Zigbee RF4CE | 소비자 전자기기를 위한 간단하고 견고한 저비용 무선 주파수 표준 통신 프로토콜입니다. 주요 응용 분야는 TV, 스테레오, 셋톱박스용 리모컨입니다. |
| Zigbee IP | 완전한 무선 메쉬 네트워킹을 위한 최초의 IPv6 기반 오픈 표준입니다. 여러 저전력 장치를 단일 제어 네트워크로 연결하고 IP 기반 네트워크와 통합합니다. |
Digi XBee
Digi XBee는 Zigbee 모듈, 게이트웨이, 도구를 갖춥니다
Digi는 Zigbee 무선 주파수(RF) 모듈과, IoT 장치의 무선 연결을 빠르게 배포하고 확장하도록 설계한 개발 키트를 공급합니다. Digi의 Zigbee 기반 프로토콜은 여러 Digi XBee® RF 모듈에 통합돼 있습니다. Digi XBee는 Zigbee 표준을 기반으로 사전 인증된 프로그래머블 무선 모듈, 게이트웨이, 개발 도구, 소프트웨어를 포함한 시스템을 이룹니다.
- Digi XBee RF 모듈: 여러 프로토콜과 폼 팩터로 나오며 저전력 응용을 지원합니다. 외부 Zigbee 마이크로컨트롤러(MCU)가 필요 없도록 설계됐고, 배포가 쉬우며 사전 인증을 받았습니다. Digi XCTU®, Digi XBee Mobile App, Digi Remote Manager®(Digi RM)로 구성합니다.
- Digi XBee 게이트웨이: Zigbee 같은 무선 프로토콜을 셀룰러 네트워크로 변환합니다. 엔터프라이즈 LAN과 인터넷을 연결해 여러 네트워크 프로토콜을 IP 또는 셀룰러 네트워크로 잇고, 데이터를 집계, 변환하며 전송 전에 암호화할 수 있습니다.
- Digi XCTU 구성 소프트웨어: Digi XBee RF 모듈을 설정, 구성, 평가해야 하는 개발자를 위한 무료 멀티 플랫폼 그래픽 인터페이스 응용 프로그램입니다. 설정이 간단하고 Windows, Linux, MacOS를 지원합니다.
Digi는 Connectivity Standards Alliance의 회원으로, Zigbee 프로토콜을 기반으로 한 확장 가능한 임베디드 제품을 개발했습니다. Digi XBee RR Zigbee RF 모듈, Digi XBee 3 Zigbee 3 RF 모듈, 게이트웨이, 도구, Digi XCTU, Digi XBee Studio를 Zigbee 제품 라인으로 안내합니다.
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자주 묻는 질문
Zigbee는 어떤 주파수에서 작동합니까?
전 세계적으로 2.4GHz 대역에서 작동합니다. 유럽에서는 868MHz 대역, 중국에서는 784MHz 대역을 쓰는 일부 Zigbee 장치도 있습니다.
Zigbee의 통신 거리는 얼마입니까?
전송 거리는 약 10~100m이며 출력 전력과 환경 조건에 따라 달라집니다. 메쉬 네트워크에서는 각 노드가 데이터 중계기 역할을 해 더 먼 노드까지 전달할 수 있습니다.
Zigbee 허브란 무엇입니까?
허브, 코디네이터, 게이트웨이는 실질적으로 같은 뜻으로 쓰이는 용어이며, 네트워크 안의 모든 Zigbee 장치를 연결하고 제어합니다. 허브는 셀룰러, Wi-Fi, 이더넷으로 인터넷에 연결되며 Digi XBee 게이트웨이가 이런 역할을 합니다.
Zigbee 메쉬 네트워크는 어떻게 구축합니까?
코디네이터, 라우터, 엔드 노드로 구성합니다. 코디네이터가 네트워크를 만들면 다른 노드가 합류하며, Digi XCTU로 메쉬 네트워크를 설계, 테스트, 배포할 수 있습니다.
Zigbee와 Bluetooth는 함께 쓸 수 있습니까?
네, 함께 쓸 수 있습니다. 두 프로토콜은 IoT의 로컬 통신에 효과적이며 사용 사례가 다릅니다. 예를 들어 Digi XBee 3 Zigbee 모듈은 Bluetooth를 단거리 설정과 문제 해결에, Zigbee를 메쉬 네트워킹에 사용합니다.
Zigbee 무선 네트워크 구성, (주)테솔 엔지니어가 안내합니다
연결할 장치와 통신 환경을 알려 주시면 Digi XBee 모듈과 설정 도구 선택을 함께 검토해 드립니다. 대표번호 031-713-5988
기술 상담 신청참고 자료
- Digi International (Zigbee 관련 자료)
- Connectivity Standards Alliance (구 Zigbee Alliance)
- IEEE 802.15.4
