ZigBee
Was ist ZigBee und welche Geräte sind kompatibel?
Was ist ZigBee?
Laptops, Smartphones und Smart-Home-Geräte nutzen zur drahtlosen Kommunikation unterschiedliche Funkstandards. Sie unterscheiden sich bezüglich des verwendeten Frequenzbereichs, der Bandbreite, der Netzwerktopologie und der Art, Nachrichten zu übertragen.
Wie funktioniert ZigBee?
Alle Funkprotokolle bestehen nach dem OSI-Modell aus mehreren Schichten. Diese Regeln die verschiedenen Aufgaben der Kommunikation. Darunter fallen die physikalische Signalübertragung, die Verschlüsselung, die Vermeidung von Datenstaus und die Darstellung in den verschiedenen Apps. Nutzer interagieren nur mit der oberen Schicht, während die unteren im Hintergrund arbeiten.
In den ersten zwei Schichten verwendet ZigBee wie Bluetooth den IEEE Standard 802.15.4, der das ISM-Band (Industrial, Scientific und Medical Band) im Frequenzbereich von 2,4 GHz nutzt. Die 16 Kanäle haben eine Breite von 2 MHz. Ein Merkmal dieses Standards sind lange Pausen bei der Datenübertragung. Damit kann jeder Netzwerkknoten in eine Art Ruhemodus gehen, was im Vergleich zu anderen Standards viel Energie spart. Eine in einem ZigBee betriebenen Sensor eingebaute Knopfbatterie reicht mitunter mehrere Jahre.
Wie funktioniert ein ZigBee-Netzwerk?
Ein ZigBee-Netzwerk besteht aus einem Koordinator, Routern und Endgeräten. Router tauschen untereinander Datenpakete aus. Der Koordinator ist ein Router, der zusätzlich das Netzwerk aktiviert. Endgeräte kommunizieren nur mit ihrem Router. Sie sind die meiste Zeit im Ruhemodus und benötigen daher sehr wenig Energie. An festgelegten Intervallen verbinden sie sich mit dem Router und schauen, ob er Nachrichten für sie hat.
ZigBee-Netzwerke nutzen die Stern-, die Baum- oder die Mesh-Topologie. Die Stern-Topologie sieht einen Koordinator/Router und mehrere Endgeräte vor. Letztere können nicht direkt miteinander kommunizieren, sondern nur über den Koordinator. Fällt dieser zentrale Knoten aus, ist kein Datenaustausch mehr möglich.
In der Baum-Topologie gibt es einen Koordinator, wenige Router und Endgeräte. Jedes Endgerät (Kind) kommuniziert mit dem jeweiligen Router (Elternteil), die Router mit dem Koordinator in einer Baumstruktur.
In der Mesh-Topologie sind die Router zusätzlich untereinander vernetzt. Das ermöglicht viele alternative Pfade, um Daten von einem Knoten A zu einem Knoten B zu transportieren. Aus diesem Grund nutzen die meisten ZigBee betriebenen Smart-Home-Systeme Mesh-Netzwerke. Bis zu 65.000 Knoten sind erlaubt. Anderseits benötigen Router mehr Energie als einfache Endgeräte. Das mindert die Lebensdauer der Batterien.
Die Spezifikation beschreibt ein Framework für Funknetze. ZigBee baut auf dem Standard IEEE 802.15.4 auf und erweitert dessen Funktionalität insbesondere um die Möglichkeit des Routings und des sicheren Schlüsselaustausches. Im IEEE-802.15.4-Standard sind die PHY-Schicht und die MAC-Schicht definiert. ZigBee erweitert diesen Protokollstapel um die Schichten NWK und APL. Wobei zu beachten ist, dass es sich bei ZigBee um ein Framework handelt und eine Anwendung in die APL-Schicht eingebettet wird.
Die Einsatzmöglichkeiten von ZigBee sind vielfältig, zum Beispiel in der Gebäude-Automation, im medizinischen Bereich, für Steuerungsanlagen und für alle Arten von Sensormessungen.
Die ZigBee-Spezifikation stellt dem Entwickler drei verschiedene Gerätearten (ZigBee Devices) zur Verfügung. Mit diesen Geräten wird ein ZigBee Wireless Personal Area Network (WPAN) aufgebaut. Man unterscheidet drei Rollen, die ein ZigBee-Gerät erfüllen kann:
Endgerät (ZigBee End Device, ZED)[
Geräte wie zum Beispiel Steuerungs- oder Sensormodule werden meist mit Batterien betrieben. Diese können als ZigBee-Endgeräte implementiert werden und benötigen nur einen Teil der Funktionen der ZigBee-Spezifikation. Sie nehmen nicht am Routing im Netzwerk teil und können in einen Schlafmodus gehen. Sie melden sich an einem Router ihrer Wahl an und treten so dem ZigBee-Netzwerk bei. Sie können ausschließlich mit dem Router kommunizieren, über den sie dem Netzwerk beigetreten sind. Werden Daten an ein solches Endgerät geschickt und dieses befindet sich im Schlafmodus, speichert der Router diese Pakete, bis das Endgerät sie abruft.
Router (ZigBee-Router, ZR)[
ZigBee-Router nehmen am Routing der Pakete durch das Netzwerk teil. Sie benötigen einen größeren Funktionsumfang und damit auch etwas mehr Hardwareressourcen. ZigBee-Router treten einem Netzwerk bei, indem sie sich an einem im Netzwerk befindlichen Router anmelden. Das Routing im Netzwerk erfolgt entweder entlang eines sich so bildenden Baumes (Stackprofil ZigBee) oder durch dynamisches Routing als Meshnetzwerk (Stackprofil ZigBee PRO). Tritt ein Funkmodul über einen Router dem Netzwerk bei, vergibt dieser diesem eine 16-Bit-Kurzadresse (engl. short address). Bei Meshnetzwerken erfolgt dies zufällig. Auftretende Adresskonflikte müssen erkannt und dann behoben werden.
Koordinator (ZigBee coordinator, ZC)[
Was ist eine ZigBee Bridge?
Die Bridge fungiert als Brücke zwischen den ZigBee Smart-Home-Geräten und der Steuerungs-App auf dem Smartphone beziehungsweise der Cloud. Je nach Hersteller heißt die Bridge auch Hub oder Gateway. Manchmal können Bridges auch ZigBee-Geräte anderer Hersteller steuern.
Wie weit reicht ZigBee?
Die Reichweite von ZigBee-Smart-Home-Produkten beträgt 10 bis 15 Meter. Allerdings lässt sie sich in Mesh-Netzwerken erhöhen. Die einzelnen Geräte bilden Netzwerkknoten, die als Repeater fungieren und das Signal verstärken. Damit sind laut Signify (Philips Hue) Reichweiten von bis zu 100 Metern möglich.
Was ist ZigBee 3.0?
Jenseits des Hauptprotokolls ZigBee gab es in der Vergangenheit unterschiedliche Spezifikationen.
ZigBee Pro (2007) bot gegenüber dem Standard-ZigBee-Protokoll eine verbesserte Smart Home Sicherheit und mehr Topologie-Optionen. Green Power nutzte wie der Funkstandard EnOcean das Prinzip des Energy Harvesting, das energieautarke Sensoren ermöglicht. RF4CE (Radio Frequency for Consumer Electronics) diente der Fernsteuerung von Elektrogeräten mit Fernbedienungen. ZigBee IP regelte die Kommunikation zwischen einem lokalen Netzwerk und dem Internet. Jede Spezifikation bestand je nach Einsatzgebiet (Gebäudeautomation, Beleuchtung, Gesundheitssektor) wiederum aus mehreren Modulen.
Wegen der verschiedenen Spezifikationen waren ZigBee-Smart-Home-Geräte oft nicht untereinander kompatibel. 2015 kündigte die ZigBee Allianz den neuen Funkstandard ZigBee 3.0, der ZigBee Pro, Green Power, IP und RF4CE vereinigt. Er soll die Interoperabilität unter den Smart-Home-Geräten erhöhen und ist abwärtskompatibel.
Wie gewährleistet ZigBee die Datensicherheit?
ZigBee nutzt eine symmetrische AES-Verschlüsselung mit einer Schlüssellänge von 128 Bit, um Daten zu übertragen.
Was sind die Unterschiede zwischen ZigBee und anderen Funkstandards?
- WLAN: Der herkömmliche WLAN-Standard WiFi 5 überträgt Daten mehr als tausendmal schneller als ZigBee, verbraucht aber auch viel Strom. Das ist bei der Videoübertragung einer smarten Überwachungskamera wegen der hohen Datenmenge notwendig. Ein batteriebetriebener Thermostat, der lediglich die Temperatur sendet, benötigt dagegen keine so große Bandbreite und profitiert von einem sparsameren Funkstandard wie ZigBee.
- Bluetooth: Es bietet ebenfalls eine höhere Datenübertragungsrate als ZigBee, allerdings mit einer geringeren Reichweite. Aus diesem Grund dominiert Bluetooth vor allem bei drahtlosen Kopfhörern und Wearables, die Signale in einem Umkreis von wenigen Metern senden. Bei Sensoren in verschiedenen Räumen hat ZigBee ganz klar die Nase vorne.
- Z-Wave: Es ist im Smart-Home-Bereich der Hauptkonkurrent von ZigBee. Das energiearme Protokoll kommt ebenfalls bei vielen Sensoren und Leuchtmitteln zum Einsatz, bietet eine hohe Kompatibilität und wie ZigBee eine hohe Reichweite dank Mesh-Netzwerken. Allerdings besitzt das US-Unternehmen Silicon Labs die Rechte für die Technologie. Anders als ZigBee handelt es sich bei Z-Wave also nicht um einen Open Source Standard. Dadurch können Hersteller das Protokoll nicht anpassen.
- EnOcean: Kommt ausschließlich bei ultra-energiearmen Sensoren zum Einsatz, die durch Temperaturunterschiede und Bewegungen Strom generieren und damit ohne Batterien und externe Stromquellen auskommen. Auch ZigBee 3.0 unterstützt mit der Spezifikation Green Power diese Funktion. Insgesamt ist EnOcean weniger verbreitet als ZigBee.
Was sind die Vor- und Nachteile von ZigBee?
Vorteile von ZigBee
- Geringer Energieverbrauch: Sensoren und andere Smart-Home-Geräte kommen jahrelang mit ihren Batterien aus.
- Hohe Kompatibilität: Die ZigBee Allianz zählt mehrere hundert Mitglieder, darunter Hersteller wie Osram, Ikea, Belkin und Signify. Ab ZigBee 3.0 lassen sich Smart-Home-Produkte verschiedener Hersteller leichter vernetzen.
- Open Source Code: Der ZigBee-Code steht jedem zur Verfügung. Herstellern steht damit frei, zusätzliche Funktionen in ihre Produkte zu implementieren.
- Hohe Reichweite: In Mesh-Netzwerken verhalten sich die Knoten als Repeater. In großen Häusern und Wohnungen verbessert sich damit die Reichweite im Vergleich zu WLAN signifikant.
Nachteile von ZigBee
- Kompatibilität unter ZigBee-Geräten: Der Open Source Code war vor allem in der Vergangenheit unter dem Aspekt der Kompatibilität von Nachteil. Da jeder Hersteller zusätzliche Spezifikationen implementierte, sind ältere ZigBee-Geräte unterschiedlicher Marken nicht zwingend miteinander kompatibel. Seit der Einführung von ZigBee 3.0 ist der Standard jedoch einheitlicher geworden.
- Kompatibilität mit anderen Funkstandards: Wer ZigBee-Smart-Home-Produkte mit WLAN- oder Bluetooth-Geräten vernetzen will, benötigt ein Gateway. Da viele Smart-Home-Systeme wie HomeKit oder Google Home auf WLAN setzen, müssen Nutzer die Kosten für einen Gateway einplanen.
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