Cómo desplegar una red Zigbee estable en Home Assistant

Tras llevar varios años trasteando con algunos dispositivos domóticos, finalmente me decidí a incorporar algunas automatizaciones mediante diferentes sensores: apertura, movimiento, presencia, fugas de agua, etcétera.

El problema que se me planteó, por la estructura de mi piso (rectangular y muy alargado), era como transmitir la señal de mi controlador Zigbee ubicado en un extremo al otro. Y que llegara con la suficiente calidad de modo que todo funcionara de forma estable y correcta.

Despliegue de la red Zigbee

Cuando nos referimos a una red Zigbee, estamos hablando de una topología en malla. Donde cada elemento que reciba alimentación constante, hace a su vez de repetidor habilitando rutas alternativas de forma automáticas ofreciendo una alta fiabilidad y escalabilidad.

La forma más sencilla y económica de llevar acabo éste despliegue es mediante enchufes Zigbee. Obviamente hay otras:

• Interruptores con cable neutro
• Cámaras de vigilancia
• Alarmas
• Algún tipo de luz que permanezca siempre encendida
• Dongle Zigbee en modo repetidor
• O cualquier otro tipo de dispositivos siempre y cuando reciban alimentación constante

Pero como digo, lo más sencillo, rápido y económico es utilizar enchufes, de pared o exteriores.

Empiezan los problemas

Tomando como punto de partida (muy aproximado) una distribución de vivienda como la mostrada en la imagen (Raspberry Pi + Dongle Sonoff en un extremo) procedí a ir añadiendo de forma progresiva, enchufes en todas las habitaciones.

La idea principal era extender la cobertura hasta el sensor e interruptor ubicados en la entrada de la vivienda. Lo cual se consiguió relativamente fácil.

El problema, es que no siempre que se abría la puerta, se activaba el interruptor destinado a encender la luz. Y cuando lo hacía, no temporizaba según lo programado en la automatización.

Afortunadamente, Z2MQTT permite desplegar un plano de la red Zigbee donde observar las rutas que se han ido creando entre los distintos dispositivos y la calidad de las mismas (LQI). En mi caso, todo era un completo desastre.

La importancia del LQI

En una red Zigbee, la calidad de la misma se puede definir mediante el parámetro LQI (Link Quality Indicator). Donde se mide la calidad del enlace inalámbrico indicando qué tan bien se reciben los paquetes de datos entre dispositivos. Es un valor entero de 0 a 255, donde 255 representa una conexión perfecta (tasa de error nula) y valores bajos (por debajo de 40-100) señalan problemas como pérdidas de paquetes o retransmisiones frecuentes. LQI no es solo intensidad de señal (RSSI), sino una métrica compuesta que considera relación señal-ruido (SNR) y tasa de errores de paquetes. En Zigbee2MQTT o ZHA, se reporta por enlace (dispositivo a su «padre» o router), y en mapas de red puede mostrar valores dobles (LQI recibido/enviado).

En el caso que nos ocupa, tras varios meses de uso, el mejor valor obtenido rondaba los 70 puntos. Estando la mayoría de dispositivos por debajo de 60. Tras varias consultas en foros y chats, ése era el factor determinante en el mal funcionamiento del combo sensor + interruptor.

No todos los enchufes son iguales

Ésto, que ahora me resulta obvio, no lo fue tanto a la hora de empezar su adquisición. Mi única guía consistía en que fueran compatibles con mi controlador domótico: Z2MQTT (Zigbee To MQTT). A partir de ahí, me limite a comprar los más económicos: los que se basan en el chipset de la empresa Tuya.

Tras una nueva tanda de consultas, la diferencia de precio a favor de los enchufes Tuya no era casual: montaban, con mucha diferencia, uno de los peores radios Zigbee. No sólo en términos de potencia, sino que además era de los que menos conexiones simultáneas permitía.

Cuando la marca y el precio importan

Aquí la comparativa de precios:

Como puede observarse rápidamente, hay una relación directa entre el precio y la calidad de los radios.

Estabilizando la red Zigbee

Pese a que la solución parece evidente: reemplazar enchufes Tuya por los SONOFF S60 o el INSPELNING de Ikea; puede haber otras menos obvias, pero mas simples o mejores a futuro.

Retomando el concepto de red Zigbee: lo importante es que haya diversos dispositivos que habiliten conexiones estables y redundantes (no es necesario que todos hagan) de forma que en los elementos que han de interactuar en automatizaciones, se consigan valores LQI siempre superiores a 100 e idealmente > 150 puntos. Y puestos ha realizar una inversión, tener muy presente la posibilidad de querer expandir nuestra red.

Nuevamente en mi caso, se me plantearon dos opciones:

1. Estabilizar la red actual.
2. Estabilizar y escalar para futuras ampliaciones.

En el primer supuesto, bastaba con reemplazar dos enchufes concretos, los que producían el «cuello de botella», por modelos de Sonoff o Ikea.

Para el segundo, sustituir el Dongle Zigbee de Sonoff por uno de SMLIGHT y reaprovecharlo para crear un Router Zigbee «flasheandolo» como tal (proceso de 5 minutos y muy bien documentado) y conectarlo simplemente a un puerto USB de cualquier cargador. No hace falta cambiar ningún enchufe dado que la potencia de emisión aumenta de forma exagera.

El coste la primera: entre 20 y 30€. Sobre los 50€ para la segunda.

Aquí radica la importancia de consultar y asesorarse previamente: por diferencias de precios razonables, podemos pasar de «simplemente» subsanar un problema, a hacerlo y además evitar gastos futuros.

Cuando todo falla

De entre las posibles distribuciones de un piso o vivienda, la mía particular entra de pleno en lo que se conoce como «Infierno de Radio»:

• Ubicada en un gran bloque con docenas de redes WiFi (la mayoría emitiendo a máxima potencia).
• Planta rectangular muy alargada con el emisor en un extremo y clientes en el opuesto.
• Paredes maestras, de tabique y pladur por medio. Desniveles en el techo por trasteros.
• Imposibilidad de definir una zona intermedia donde instalar radios.

Sirva como ejemplo que para la red WiFi, hubo que instalar un tubo para pasar cable Ethernet como backhaul entre nodos. Solución posible aunque extremadamente compleja de implementar en redes Zigbee.

En mi caso, opté por la decisión más rápida: instalar enchufes de calidad Sonoff e Ikea. En la primera imagen, podemos observar la red original, con conexiones directas al coordinador desde dispositivos muy alejados de él. En la segunda, y tras emparejar todo de nuevo, se puede ver una mejora importante: las conexiones se llevan a cabo entre nodos más cercanos:

Pese a ello, se continúan perdiendo comunicaciones entre algunos dispositivos y el coordinador:

Las causas son varias:

• Dispositivos Tuya: Firmware no implementa routing table query; afecta al mapa de red pero no a la conectividad.
• Malla saturada: Bajo LQI provoca timeouts en varios dispositivos.
• Si bien el primero no supone un fallo crítico, el segundo sí puede llegar a serlo.
• De entrada, es posible «forzar» a un dispositivo que se empareje con otro concreto; en la práctica, Zigbee puede recalcular rutas y cambiarlas si ve mejores vecinos o condiciones de radio distintas.

Por todo ello, mis opciones se reducen a dos:

1. Cambiar el coordinador Sonoff por uno de mayor alcance como el SMLIGHT y aprovechar su puerto PoE para ubicarlo lo más centrado posible; y flashear el primero para usarlo como repetidor.
2. Mantener dos redes Zigbee separadas (Home Assistant y Echo 4) e integrarlas mediante Home Assistant Cloud o Homeway. En éste caso, sólo el Echo 4 tendrá acceso a todos los dispositivos.

Conclusiones

Pendiente aún de tomar una decisión definitiva, éstas son mis sugerencias:

1. La topología/distribución de tú vivienda lo condiciona todo. Un entorno saturado de redes WiFi influye muy negativamente.
2. Añade los dispositivos de forma ordenada y jerárquica desde el controlador en adelante.
3. Empareja el dispositivo siempre desde su ubicación definitiva. Si por comodidad, lo haces cerca del coordinador u otro que ya esté funcionando, tomará a éste como enlace.
4. Un error muy común es comprar varios sensores de batería (puertas, temperatura, movimiento) cuando dichos sensores no repiten la señal. Dispón de varios elementos que puedan actuar como router Zigbee de calidad.
5. No toda tú red Zigbee requiere repetidores (routers) de máxima calidad. Sólo son necesarios en ubicaciones concretas, de ahí la necesidad de un buen análisis previo a cualquier adquisición.
6. Evita dispositivos muy baratos (Tuya, Moes, AES o cualquiera que utilice radios ZTU y TS011F). Como hemos visto en la comparativa, un enchufe de 4€ en AliExpress puede parecer un chollo, pero si su radio es débil o su gestión de rutas es limitada o inexistente, acabarás comprando uno de marca (10-15€) para solucionar los fallos; gasta esos 6€ de diferencia desde el principio. Incluso dentro del mismo fabricante, hay enormes diferencias de calidad en función de cada serie.​ Siempre trata de averiguar el modelo del radio Zigbee.
7. Si utilizamos enchufes, a efectos prácticos es preferible usar de superficie (sobresalen 4-5 cm de la pared). Ya que en los empotrados el radio Zigbee tiene que luchar contra la propia caja de mecanismos y el muro. Si la pared es de ladrillo o tiene azulejos (baño/cocina), la señal se ve todavía más atenuada.
8. Evital el USB 3.0​. Si usas una Raspberry Pi 4, el puerto USB 3.0 (el azul) genera interferencias que minimizan el LQI de tu red Zigbee.​ Conecta siempre tu coordinador (pincho USB) a un puerto USB 2.0 y usa un cable alargador (de unos 20-50 cm). Alejar el coordinador de la Raspberry es la mejora gratuita más potente que puedes hacer.​
9. Menos es más (Automatizaciones Limpias). ​No dupliques lógica. Si una luz se enciende al abrir la puerta, asegúrate de que esa acción esté en una sola automatización con un modo de ejecución correcto (restart).​ Una red estable no solo depende del hardware, sino de no saturar el tráfico con comandos contradictorios.​
10. Una señal muy potente en tu radio WiFi de 2,4 GHz y el utilizar un mismo canal, interfieren en tu radio Zigbee (comparten dicha banda). No hay Apps Android para comprobar potencias o saturaciones Zigbee (requiere hardware 802.15.4 no estándar en smartphones); pero puedes utilizar aplicaciones como WiFi Analyzer para detectar canales Zigbee ocupados por WiFi y beacons coordinators (paquetes de radio periódicos que envía el coordinador para anunciar su presencia). Mostrará los beacons como SSIDs raros o gráficos de espectro (canal 11/15/25).
11. NO hay dos redes Zigbee iguales. Lo que funciona para una persona, aunque la situación parezca similar, no tiene porqué hacerlo contigo. En cualquier sistema de radio hay intangibles más allá de distancias, ubicaciones y potencias.
12. Paciencia.