Come funziona Zigbee?

Zigbee è uno standard per reti mesh wireless a basso consumo usato, secondo il conteggio della Connectivity Standards Alliance, da più di un miliardo di lampadine, interruttori, sensori, serrature e termostati intelligenti. Se un dispositivo per la smart home funziona con una batteria a bottone e parla con un hub invece che direttamente con il Wi-Fi, ci sono buone probabilità che sia Zigbee. È anche molto usato nell’illuminazione commerciale, nell’automazione degli edifici e nella misura dei consumi per le utility.

Lo standard esiste da due decenni ed è passato attraverso diverse revisioni, motivo per cui i dispositivi più vecchi e quelli più recenti non sempre vanno d’accordo. Questa guida spiega i livelli che compongono Zigbee, i ruoli dei dispositivi in una mesh, come il livello applicativo permette a un interruttore di un fornitore di controllare la lampadina di un altro, come funzionano sicurezza e commissioning, e come si confronta con Thread, lo standard più recente costruito sulla stessa radio.

Quale radio usa Zigbee?

I livelli fisico e di accesso al mezzo di Zigbee sono IEEE 802.15.4, uno standard per reti personali a bassa velocità e basso consumo. L’installazione più comune usa la banda a 2,4 GHz, disponibile in tutto il mondo, che offre sedici canali a una velocità lorda di 250 kbit/s. Esistono varianti sub-GHz per regioni specifiche e per l’uso da parte delle utility. Il frame 802.15.4 è piccolo, con un massimo di 127 byte intestazioni comprese come definito nello standard, il che mantiene le trasmissioni brevi ed economiche.

La banda a 2,4 GHz è condivisa con Wi-Fi e Bluetooth. I canali Zigbee si sovrappongono a quelli Wi-Fi, e una rete Wi-Fi molto trafficata sulla stessa frequenza degrada una mesh Zigbee. Scegliere un canale Zigbee che cada tra i canali Wi-Fi locali è un passo standard dell’installazione.

Quali sono i ruoli nella mesh?

Una rete Zigbee prevede tre ruoli per i dispositivi.

Il coordinatore forma la rete, sceglie il canale e l’identificativo di rete e agisce come Trust Center che gestisce le chiavi di sicurezza. Ce n’è esattamente uno per rete, e in una smart home è l’hub.

I router sono dispositivi alimentati dalla rete elettrica che inoltrano il traffico degli altri e permettono ai nuovi dispositivi di unirsi alla rete attraverso di loro. Ogni lampadina, presa intelligente e interruttore cablato è normalmente un router. Aggiungere router estende la copertura e aggiunge percorsi ridondanti.

I dispositivi finali (end device) non instradano. Di solito sono a batteria, dormono la maggior parte del tempo e dipendono da un router genitore che bufferizza i messaggi a loro destinati finché non si risvegliano e lo interrogano. Un sensore per porte o un termostato a batteria è un dispositivo finale.

L’instradamento usa un algoritmo distance-vector su richiesta: quando un dispositivo deve raggiungerne un altro, scopre un percorso e lo memorizza, e la mesh si ripara intorno ai nodi guasti riscoprendo i percorsi. Gli indirizzi del livello di rete sono a 16 bit, assegnati all’ingresso nella rete, con gli indirizzi IEEE a 64 bit come identificativi permanenti.

La conseguenza pratica è che una rete Zigbee ha bisogno di abbastanza router alimentati dalla rete elettrica per sostenere i dispositivi a batteria; una casa con venti sensori e solo un hub sarà inaffidabile.

Come funziona il livello applicativo?

La parte di Zigbee che rende possibile l’interoperabilità è la Zigbee Cluster Library (ZCL). Un cluster è un insieme standardizzato di attributi e comandi per una funzione. Il cluster On/Off ha un attributo per lo stato corrente e i comandi on, off e toggle. Il cluster Level Control gestisce la regolazione della luminosità. Temperature Measurement, Occupancy Sensing, Door Lock e Color Control sono altri esempi. Un dispositivo espone uno o più endpoint, ciascuno dei quali implementa un insieme di cluster come server (che detiene lo stato) o come client (che invia i comandi).

Un interruttore collega (binding) il proprio client On/Off al server On/Off di una lampadina, dopodiché premere l’interruttore invia un comando toggle direttamente alla lampadina, senza l’hub nel percorso. I gruppi permettono a un comando di raggiungere molte lampadine insieme, ed è per questo che l’illuminazione Zigbee risponde ai cambi di scena simultaneamente invece che con un’onda visibile.

Le versioni precedenti dello standard avevano profili applicativi separati (Home Automation, Light Link, Smart Energy) che definivano quali cluster usasse un tipo di dispositivo, e i dispositivi di profili diversi spesso non riuscivano a interoperare. Zigbee 3.0, ratificato nel dicembre 2015 con i primi prodotti certificati nel 2016, ha unificato i profili in un’unica specifica con un comportamento di commissioning obbligatorio, ed è per questo che i dispositivi certificati Zigbee 3.0 funzionano in genere con qualsiasi hub Zigbee 3.0. Le revisioni successive costruiscono su questa base: Zigbee PRO 2023 ha aggiunto funzioni di sicurezza, e Zigbee 4.0, annunciato nel novembre 2025, aggiunge le bande sub-GHz e resta retrocompatibile con Zigbee 3.0.

Zigbee Green Power estende tutto questo ai dispositivi senza batteria, come gli interruttori alimentati dall’energia della pressione del tasto.

Come funzionano sicurezza e commissioning?

Tutto il traffico Zigbee è cifrato con AES-128 usando una chiave di rete condivisa da ogni dispositivo della rete. I dispositivi ricevono la chiave di rete quando si uniscono, cifrata con una chiave di collegamento (link key). In passato la link key era spesso un valore predefinito ben noto, il che significava che chiunque fosse in ascolto al momento dell’ingresso poteva catturare la chiave di rete. Zigbee 3.0 ha risolto il problema con gli install code: un codice specifico del dispositivo stampato sul prodotto o sulla confezione, che l’installatore inserisce nell’hub e da cui viene derivata una link key univoca, così la chiave di rete non viene mai esposta. I dispositivi possono anche stabilire link key univoche con il Trust Center dopo l’ingresso.

L’ingresso si avvia mettendo l’hub in una finestra di permit-join e accendendo o resettando il dispositivo. Zigbee 3.0 ha standardizzato i passaggi, così un dispositivo cerca sui canali, trova una rete aperta e si unisce senza trucchi specifici del fornitore.

Dove si usa Zigbee?

Illuminazione e sensori per la smart home restano la categoria più grande, compresi gli ecosistemi dei principali fornitori di lampadine e hub e gli hub open source costruiti su Home Assistant con un coordinatore USB. L’illuminazione intelligente commerciale in uffici e magazzini usa Zigbee per il controllo di gruppo e la copertura mesh. I contatori intelligenti (smart meter) delle utility in alcuni paesi usano Zigbee Smart Energy per parlare con i display domestici.

Come si confronta Zigbee con Thread?

Thread usa la stessa radio 802.15.4 e una mesh simile, quindi i due vengono confrontati spesso. Le differenze stanno nei livelli superiori. Thread trasporta IPv6 nativo tramite 6LoWPAN, quindi ogni dispositivo Thread è un endpoint IP raggiungibile dal resto della rete attraverso un border router, e una rete può essere servita da un numero qualsiasi di border router. Zigbee ha un proprio livello di rete e un unico coordinatore, e raggiungere un dispositivo Zigbee da internet passa sempre per la traduzione software dell’hub.

Thread non definisce alcun livello applicativo; lo fornisce Matter. Zigbee ne definisce uno proprio, la ZCL, da cui il modello dei dati di Matter è stato in parte derivato. La Connectivity Standards Alliance, in precedenza Zigbee Alliance, mantiene sia Zigbee sia Matter, e molti hub fanno da bridge tra i dispositivi Zigbee e Matter.

Per i nuovi dispositivi consumer, Thread più Matter è la direzione verso cui vanno gli investimenti dell’ecosistema. Per le installazioni esistenti, i sistemi di illuminazione con strumenti ZCL consolidati e i mercati in cui certificazione e catene di fornitura Zigbee sono mature, Zigbee resta una scelta solida con una base installata molto più ampia. La guida a Thread tratta l’altro lato di questo confronto.

Quando usare Zigbee?

Scegli Zigbee per sensori a batteria e attuatori alimentati dalla rete elettrica all’interno di un edificio dove un hub è accettabile, dove vuoi un’interoperabilità collaudata grazie a Zigbee 3.0 e dove conta il controllo dell’illuminazione con indirizzamento di gruppo. Evitalo per i dispositivi che hanno bisogno di molta banda, per i siti senza abbastanza router alimentati dalla rete elettrica, negli ambienti con forti interferenze a 2,4 GHz e per le installazioni all’aperto o su grandi aree, dove LoRaWAN o il cellulare sono più adatti.

Per continuare

• Thread spiegato tratta la mesh basata su IP costruita sulla stessa radio.
• Matter spiegato descrive il livello applicativo che fa da ponte tra i due.
• La smart home spiegata colloca Zigbee tra gli ecosistemi domestici.
• Panoramica della connettività IoT confronta tutte le opzioni radio.

Argomenti: Zigbee, mesh, smart home, IEEE 802.15.4, protocolli