ZigBee: Anwendungen im smart home und IoT, Reichweite, Sensoren, Schwächen, Vorteile

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ZigBee: Anwendungen im smart home und IoT, Reichweite, Sensoren, Schwächen, Vorteile

ZigBee ist ein Low Energy Funkprotokoll für Smart Home. Es ist ein offener globaler Standard für Drahtlostechnologie, der entwickelt wurde, um digitale Funksignale mit geringem Stromverbrauch für persönliche Netzwerke zu verwenden. Haushaltsgeräte mit integriertem ZigBee helfen Menschen beim Erstellen von Smart Homes.
Auch in der Industrie gewinnt ZigBee Bedeutung. Als energiesparendes und kostengünstiges Funkprotokoll nutzt die Industrie es vor allem für die Automatisierung und Überwachung von Prozessen. ZigBee ermöglicht die drahtlose Vernetzung von Sensoren, Aktoren und Steuergeräten, wodurch Effizienz und Flexibilität in Produktions- und Logistikanwendungen gesteigert werden. Besonders in IoT- und Smart-Factory-Umgebungen punktet ZigBee durch seine Zuverlässigkeit und Skalierbarkeit.

DefinitionFrequenz-TabelleReichweitenZigBee ProtokollZigBee ProfileZigBee light link (ZLL)ZigBee Green PowerZigBee Home AutomationVorteileSchwächen

Definition: Hauptmerkmale, Eigenschaften und Reichweite von ZigBee

ZigBee ist ein Framework für Funknetze und baut auf dem leistungsstarken und dennoch leichtgewichtigen IEEE 802.15.4-Standard auf, der im Mai 2003 nach dreijähriger Standardarbeit von Personen aus Unternehmen wie Invensys, Honeywell, Philips, Mitsubishi, Motorola und vielen anderen ratifiziert wurde. Es ist ein einfaches Paketdatenprotokoll mit Funktionen, die speziell für flexible, langlebige, verteilte Sensor- und Steuerungssysteme und -netzwerke entwickelt wurden. IEEE 802.15.4 spezifiziert drei verschiedene Frequenzbänder mit insgesamt 27 HF-Kanälen.

Im IEEE-802.15.4-Standard sind die MAC-Schicht (Sicherung) und die PHY-Schicht (Bitübertragung) definiert. Dieser Protokollstapel wird von ZigBee um die Schichten APL (Anwendung) und NWK (Security) erweitert. Es ist zu berücksichtigen, dass es sich bei ZigBee um ein Rahmenwerk für die Softwareentwicklung und Programmierung handelt. Anwendungen werden in die APL-Schicht eingebettet.

ZigBee sendet Signale auf einer sehr niedrigen Frequenz von 2,4 GHz, was bedeutet, dass es andere Verbindungen wie WLAN, Bluetooth oder Telefonnetzwerke nicht stört. Diese niedrige Frequenz trägt auch dazu bei, den Stromverbrauch der Produkte auf einem Minimum zu halten.

Fun Fact: Woher stammt der Begriff ZIGBEE?
Der Begriff Zigbee stammt aus der Welt der drahtlosen Kommunikation und bezieht sich auf das einfache Verhalten von Honigbienen, die durch spezielle Bewegungen – sogenannte "Zig-Zag"-Tänze – miteinander kommunizieren, um Informationen über Nahrungsquellen zu teilen.
Diese Analogie wurde gewählt, um die Effizienz, Zuverlässigkeit und Einfachheit des Zigbee-Protokolls zu symbolisieren, das für die Kommunikation in drahtlosen Netzwerken verwendet wird. Besonders in der Hausautomation und bei IoT-Anwendungen ermöglicht Zigbee eine energieeffiziente, sichere und dezentrale Datenübertragung zwischen verschiedenen Geräten.

Zigbee Frequenz (Tabelle)

In vielen Teilen der Welt nutzen Wi-Fi-, Bluetooth Low Energy (BLE)- und IEEE 802.15.4 ZigBee-Technologien gemeinsam eine breite Palette an unregulierten 2,4 GHz-Frequenzspektren. Um die Bandbreite zu erhöhen und Überlastungen bei Verbindungsgeschwindigkeiten zu vermeiden, nutzen viele Wi-Fi Systeme der neueren Generation auch 5GHz Frequenzen. Die USA sowie Deutschland haben kürzlich ein 6GHz Spektrum freigegeben um noch mehr Kapazität bereitzustellen; es ist wahrscheinlich, dass andere Länder dem Beispiel folgen und dieses Spektrum als globaler Standard etabliert wird.

Frequenzbereich ZigBee, WiFi, Bluetooth
Technologie Liz. Spektrum Frequenz Max. Reichweite Max. Durchsatz Typ. Latenz [ms] Strom-Aufnahme PHY-Standard Verwendung, Anwendungsbeispiele
Wi-Fi 6E Nein 2,4 GHz, 5 GHz, 6 GHz 30–50 Meter 10 Gbit/s 1–20 Hoch 802.11ax Webzugang
Bluetooth LE Nein 2,4 GHz 10–400 Meter 1–2 Mbit/s 6 Niedrig Verschiedene IoT, IIoT, Sensoren, Mensch-Maschine-Schnittstellen
Zigbee Nein 2,4 GHz; Sub GHz 100–1000 Meter 250 kBit/s; 10–100 kBit/s 100 Niedrig 802.15.4 IoT, IIoT, Beleuchtung, Smart Home, Smart Metering, Steuerung & Überwachung
Quelle: Eigene Recherche, ein Auszug

ZigBee Reichweite

Die Reichweite von ZigBee-Geräten liegt normalerweise zwischen 10 und 100 Metern, je nach den Umgebungsbedingungen. Die Reichweite wird durch die Eigenschaften der Funkfrequenz, der Art der Antenne, den Sendeleistungslevel und den Wänden oder anderen Hindernissen, die das Signal blockieren, beeinflusst. Während die Reichweite in Innenräumen zwischen 10 und 20 Metern liegt, ist im Freien eine Reichweite von 75 bis 300 Metern möglich.

Reichweite eines ZigBee-Knotens

Die typische Reichweite eines einzelnen ZigBee-Knotens beträgt ca. 10 Meter. Für umfangreichere Anwendungen können mehrere Knoten miteinander verbunden werden und so ein Mesh-Netzwerk erstellen. Mit einem Mesh-Netzwerk können die Knoten Daten über mehrere Knoten weiterleiten, was die Reichweite des Netzwerks erhöht. Die typische ZigBee-Reichweite eines Mesh-Netzwerks beträgt mehrere Kilometer, je nachdem, wie viele Knoten im Netzwerk vorhanden sind.

Einfluss der Antennen auf die Reichweite

Außerdem kann die Reichweite durch die Verwendung von Hochleistungsantennen und -sendeleistungen erhöht werden. Ein ZigBee-Netzwerk kann auch in verschiedenen Umgebungen wie im Freien, in Gebäuden und in unterirdischen Tunneln eingesetzt werden. Der Einsatz von ZigBee-Netzwerken in Umgebungen mit schwachem Funkfeld kann jedoch zu einer geringeren Reichweite führen.

Die meisten Zigbee-Antennen basieren auf Dipolantennen und sind mit einer Frequenz von 2,4 GHz ausgelegt. Richtantennen bieten normalerweise eine größere Reichweite als Dipole, aber sie sind auch schwieriger zu konfigurieren und zu installieren. Richtantennen erfordern auch, dass sie in Richtung des gewünschten Ziels ausgerichtet werden, was die Reichweite noch weiter erhöhen kann. Einige Hersteller bieten auch spezialisierte Antennen an, die für eine lange Reichweite ausgelegt sind.

1,6 km Reichweite für ZigBee-Adapter durch Spezialantenne

Es gibt auch ZigBee Adapter wie den Sena ProBee-ZS10 (seriell) oder Sena ProBee-ZU10 (USB), die eine Reichweite bis 1,6km bieten. Der Sena ProBee-ZS10 ist speziell entwickelt worden um maximal an Flexibilitäs in verschiedene Anwendungsbereichen zur Verfügung stellen zu können . Dieser serielle ZigBee RS232 Adapter ist mit einer wechselbaren SMA Antenne ausgestattet, die eine Reichweite von bis zu 1.6 km (1 Mile) erreicht wenn sie mit der 5 dBi Variante bestückt ist. Der ZS10 unterstützt den neuenzigbee Pro Standard und garantiert somit optimale Kompatibilitäs für Adaptern und Modulen anderer Hersteller . Er bietet nicht nur hohe Leistung beim robustem Datentransfer , sondern kann in verschiedene Bereiche angewendet werden : Home- oder Office Automation, Mess- und Steuertechnik sowie großflächige Sensornetzwerke. Der ProBee-ZU10 ist baugleich und wird per USB konnektiert. (Kosten Adapter: um die 100 Euro, Kosten Antenne: 20-30 Euro, Stand April 2023)

Infografik: Die ZigBee Mesh-Netzwerk-Topologie sowie die Rollen der Knoten im Netzwerk.

Infografik: Die ZigBee Mesh-Netzwerk-Topologie sowie die Rollen der Knoten im Netzwerk.

 


ZigBee Protokoll

ZigBee arbeitet mit dem IEEE 802.15.4-Protokoll über eine Frequenz von 2,4 GHz und wurde speziell für batteriebetriebene Geräte entwickelt, die kostengünstig sind und wurde bereits 2003 ratifiziert. Es ermöglicht den Netzwerkgeräten eine hocheffektive Kommunikation zu geringen Preisen bei minimalem Stromverbrauch in Echtzeitumgebungen .

ZigBee ist ein drahtloses Kommunikationsprotokoll, das für den Einsatz in Innenräumen entwickelt wurde. Im Gegensatz zu WLAN hat es eine geringere Reichweite von 10-100 Metern, aber aufgrund des niedrigeren Stromverbrauchs können batteriebetriebene Geräte länger betrieben werden. Da die verschiedenen Knotenelemente miteinander verbunden sind und Signale weitergeben können (Mesh-Netzwerk), ermöglicht ZigBee jedoch mehrere 100 Meter an Reichweite im Vergleich zu anderen Technologien.

Ist ZigBee schädlich?

Wissenschaftler haben bisher keinerlei Hinweise auf schädliche Auswirkungen der Nutzung von Zigbee-Technologien auf den Menschen entdeckt und somit besteht zurzeit kein Grund zur Sorge bezüglich möglicher negativer Auswirkungen dieser Technik auf die Gesundheit des Menschen

Infografik: In den Schichten 3 bis 7 des OSI-Modells legt ZigBee das Protokoll fest. Die oberste Schicht Dotdot ermöglicht die Kommunikation mit anderen Funkstandards.

Infografik: In den Schichten 3 bis 7 des OSI-Modells legt ZigBee das Protokoll fest. Die oberste Schicht Dotdot ermöglicht die Kommunikation mit anderen Funkstandards.

 

Entwicklungsgeschichte und Versionen

Bei der Spezifikation handelt es sich um eine Entwicklung der Ende 2002 gegründeten ZigBee-Allianz, die aktuell aus über 230 Unternehmen besteht. Die erste ZigBee-Spezifikation kam 2004 auf den Markt und gilt mittlerweile als veraltet. 2006 wurde eine komplett überarbeitete Version veröffentlicht. Mit ZigBee Pro erschien 2007 ein weiterer Zweig der Spezifikation, der den Schwerpunkt auf die Reduzierung des Energieverbrauches und der Datenrate legt. Die Version 1.2.1 ist als Weiterentwicklung anzusehen, die einen im November 2015 entdeckten Sicherheitsmangel entschärft und mit weiteren Verbesserungen bei der Sicherheit verbunden ist. Um eine Vereinheitlichung im Bereich Internet of Things (IoT) voranzubringen, wurden im Dezember 2016 für die Protokollversion 3.0 über 18 Zertifizierungen für acht Hersteller ausgestellt.

ZigBee 3.0 verbessert die Mesh-Fähigkeiten des ZigBee-Netzwerks. Mit der neuen Version können dauerhaft mit Strom betriebene Geräte die Funkreichweite vergrößern, indem sie für andere Geräte bestimmte Funksignale empfangen und diese erneut aussenden. Geräte nach ZigBee 3.0 Standard können neben ihren eigenen Application Profiles auch fremde Profile weiterleiten.

Die drei verschiedenen Geräterollen in einem ZigBee-Netzwerk

Entwicklern stellt die ZigBee-Spezifikation drei verschiedene Gerätearten (ZigBee Devices) zur Verfügung.

  • Endgerät (ZigBee End Device, ZED)

    Geräte wie Steuerungs- oder Sensormodule können als ZigBee-Endgeräte implementiert werden. Diese werden oftmals mit Batterien betrieben und benötigen lediglich einen Bruchteil der bereitgestellten Funktionen. ZigBee End Device (ZED) melden sich an einem Router ihrer Wahl an und treten auf diesem Wege dem ZigBee-Netzwerk bei. An dem Routing im Netzwerk sind die Endgeräte nicht beteiligt. Die Kommunikation erfolgt ausschließlich mit dem Router, über den der Beitritt zum Netzwerk vollzogen wurde. Daten, die an ein Endgerät im Schlafmodus geschickt werden, werden bis zur Reaktivierung des Gerätes von dem Router für einen Abruf zwischengespeichert.

  • Router (ZigBee-Router, ZR)

    ZigBee-Router sind in erster Linie für das Routing der Pakete durch das Netzwerk verantwortlich. Da sie einen größeren Funktionsumfang benötigen, sind die Anforderungen an die Hardwareressourcen etwas höher. Der Netzwerkbeitritt erfolgt über die Anmeldung an einem im Netzwerk befindlichen Router. Entweder durch dynamisches Routing als Meshnetzwerk oder entlang eines sich bildenden Baumes kann das Routing im Netzwerk erfolgen.

  • Koordinator (ZigBee coordinator, ZC)

    Das Starten des Netzwerkes mit festgelegten Parametern obliegt dem ZigBee-Koordinator, der nach dem Netzwerkstart dieselben Aufgaben wie ein ZigBee-Router übernimmt. Pro Netzwerk muss ein Koordinator vorhanden sein.

Die ZigBee-Profile

In ZigBee-Profilen werden Systemvoraussetzungen und Geräte für einen bestimmten Anwendungsfall definiert. Als Beispielprofile sind Building Automation, Health Care und Home Automation zu nennen. Grundsätzlich kann zwischen herstellerspezifischen Profilen und veröffentlichten Profilen differenziert werden. Die herstellerspezifischen Profile werden in der Regel nicht veröffentlicht und ermöglichen es den Herstellern, Funktionen zu implementieren, die nicht in öffentlichen Anwendungsprofilen definiert sind. Es ist jedoch zu berücksichtigen, dass nur die Geräte des jeweiligen Herstellers solche Profile sinnvoll nutzen können.

  • ZigBee Light Link (ZLL)

    Zu den veröffentlichten Profilen zählt unter anderem das ZigBee Light Link-Profil (ZLL), welches der Steuerung von Lichttechnik aller Art dient. Neben dem einfachen An- und Ausschalten von Lampen gehört die Steuerung von Farbanteilen sowie Helligkeit zu den Funktionen des Profils.

  • ZigBee Home Automation

    Zwar kann auch das ZigBee Home Automation-Profil für die Steuerung von Lichttechnik benutzt werden, doch stellt das Profil weitere Funktionen zur Verfügung. Verschiedene Smart-Home-Geräte, wie zum Beispiel Klimageräte, Kühlschränke und Heizungen, können über das Profil angesprochen werden.

  • ZigBee Green Power

    Der Betrieb von batterielosen Sensoren kann über das ZigBee Green Power-Profil realisiert werden. Green Power optimiert auch die Nutzlast der Anwendungsebene, indem von Sensoren gesammelte Daten analysiert und bei dem Energieverbrauch berücksichtigt werden.

Vorteile von ZigBee

Im Gegensatz zu Bluetooth, das hauptsächlich als Punkt-zu-Punkt-Kommunikation fungiert, arbeitet die Technologie als Mesh-Netzwerk und eignet sich daher für die Einrichtung von Smart Homes und Gebäuden.

Die Mesh-Topologie von ZigBee ist eine kostengünstige Struktur mit einer Redundanzfähigkeit, die es Knoten ermöglicht, mit dem benachbarten Knoten zu kommunizieren. Wenn ein Knoten ausfällt, werden die Informationen automatisch an die nahegelegenen Knoten weitergegeben, sodass die Datenredundanz ausgeführt wird.

Ein weiterer Vorteil von ZigBee ist, dass es für Low-Power-Geräte geeignet ist, die nicht viel Bandbreite benötigen, wie batteriebetriebene, kleine intelligente Geräte sowie Sensoren.

Geräte unterschiedlicher Hersteller sind untereinander kompatibel, und es besteht auch eine Abwärtskompatibilität mit älteren ZigBee-Produkten, sodass diese sich verbinden und miteinander kommunizieren können.

Die Technologie unterstützt bis zu 65.000 Knoten in einem einzigen Netzwerk, um die Übertragungsreichweite über eine große Grundfläche, Gebäude mit mehreren Stockwerken oder Häuser mit mehreren physischen Abteilungen zu erweitern.

Schwächen von ZigBee

Als Nachteil ist die vergleichsweise niedrige Reichweite von 10 bis 20 Metern zu nennen. Zwar kann die Funkreichweite über ein Mesh-Netzwerk deutlich erhöht werden, doch sind hierfür eine intensivere Planung und zusätzliche Geräte erforderlich.

Für die Steuerung und Verwaltung des Netzwerks wird immer ein Koordinator benötigt. Dies ist eine entscheidende Schwachstelle des Systems, da ein Ausfall des Koordinators das gesamte Netzwerk blockiert.

Das System ist nicht optimal gegen Hackerangriffe geschützt. Mit entsprechender Software können Daten problemlos entschlüsselt und das ZigBee-Netzwerk manipuliert werden. Da die ZigBee-Technologie für Interferenzen anfällig ist, können vorsätzliche Interferenzen den Verlust von Diensten verursachen.

Beispiele: Die verschiedenen Anwendungen und Einsatzbereiche von ZigBee

Das energieeffiziente Vernetzungs-Funkprotokoll ist auf Smart-Home-Lösungen, smarte Gebäude, das Internet der Dinge und Embedded-Geräte ausgelegt. Mithilfe des Standards können intelligente Hausautomationssysteme Lichter dimmen, Geräte ein- und ausschalten sowie steuern, motorisierte Rollläden und Jalousien bedienen sowie Komfortanwendungen realisieren. Auch bei Steuerungsanlagen, Sensormessungen und im medizinischen Bereich findet ZigBee Verwendung.

Anwendungsbeispiele aus dem Bereich der Industrie:

  • Sensordaten

    Viele Industrieanlagen befinden sich an entfernten Standorten, die nur schwerlich von einer Zentrale aus überwacht werden können. ZigBee neutralisiert diese Herausforderung und ermöglicht eine effiziente Fernüberwachung kritischer Geräte sowie Anlagen. Prozessparameter wie Spannung, Strom und Temperaturen können mithilfe von ZigBee fernüberwacht werden. Die Technologie erlaubt damit ein zeitnahes Reagieren auf unerwünschte Abweichungen beim Produktionsprozess. Zum einen können bei Bedarf aus der Ferne einzelne Geräte des Netzwerks gesteuert werden, zum anderen können Mitarbeiter vor Ort mobilisiert und mit der Beseitigung von Störungen betraut werden.

  • Asset-Tracking

    Neben der Aktivierung von Fabriküberwachungs- und Steuerungsfunktionen bietet ZigBee die Möglichkeit, Rohmaterialien oder fertige Produkte zu verfolgen und zu lokalisieren, während sie sich in, durch und aus der Anlage bewegen. Roh- und Fertigwarentransporteure sehen ZigBee als Ersatz für ältere RFID-Technologie. Intelligente Zwei-Wege-ZigBee-Transceiver, die als Tags am Material fungieren, liefern nicht nur die Grundlage für die Lokalisierung des Materials in der Fabrik, sondern überwachen und melden auch Eigenschaften des Materials wie Temperatur, Feuchtigkeit, Vibration und dergleichen. Auch hier können bei Störungen oder Abweichungen rechtzeitig notwendige Maßnahmen ergriffen werden.

  • Smart Lighting

    Gewerbliche Gebäude können dank ZigBee Belegungsdaten und Umgebungssensorik nutzen, um den Luftstrom zu automatisieren, die Gebäudehygiene zu verbessern und Energiesparziele umzusetzen. Sowohl bei Bürogebäuden als auch in Fertigungshallen kann die Technologie genutzt werden, um die Beleuchtung auf die tatsächliche Nutzung, Schichtpläne und/oder Tageslichtverhältnisse anzupassen. Auf diesem Wege können Energiekosten eingespart werden. Die Automatisierung der Belüftung und der Heizungsanlagenleistung kann dabei helfen, die arbeitsschutzrechtlichen Anforderungen in puncto Raumtemperatur zu erfüllen und zeitgleich das Energiemanagement zu optimieren.


ZigBee Version 3.0 und die Spezifikation

Die ZigBee-Spezifikation wurde von der ZigBee-Allianz entwickelt, einer Organisation, die Ende 2002 gegründet wurde und aus über 230 Unternehmen weltweit besteht. Im Jahr 2004 wurde die erste ZigBee-Spezifikation veröffentlicht, die die Entwicklung dieser Technologie vorantreibt.

Die ursprüngliche Version, die heute als ZigBee 2004 bezeichnet wird, ist veraltet und wurde 2006 durch eine komplett überarbeitete Version ersetzt. Im Jahr 2007 wurde mit ZigBee Pro ein weiterer Zweig der ZigBee-Spezifikation eingeführt, der speziell für Anwendungen mit geringer Datenrate und minimalem Energieverbrauch entwickelt wurde. Eine verbesserte Version, Version 1.2.1, wurde entwickelt, um die Sicherheit zu stärken und einen Sicherheitsfehler zu beheben, der im November 2015 entdeckt wurde.

Im Dezember 2016 erhielten acht Hersteller insgesamt 20 Zertifizierungen für die Protokollversion 3.0, um die Standardisierung im Bereich des Internet of Things (IoT) zu fördern. Diese Zusammenarbeit ermöglicht es Verbrauchern, ihre Heizung beispielsweise mit intelligenten Heizkörperthermostaten zu steuern, smarte Beleuchtungssysteme einzuführen und Jalousien je nach Bedarf zu bedienen.


Häufige Fragen zu ZigBee

Was ist ZigBee? (Und wo liegen die Vorteile?)

ZigBee einfach erklärt:

  1. ZigBee ist ein Funkprotokoll, das zur Vernetzung von Smart-Home-Geräten verwendet wird.
  2. Der Standard wurde von der ZigBee Alliance, jetzt Connectivity Standards Alliance, entwickelt.
  3. Die Kommunikation zwischen den vernetzten Geräten erfolgt mithilfe des Funkstandards.
  4. ZigBee erfordert in der Regel eine Bridge als Schnittstelle.
  5. ZigBee nutzt ein Mesh-Netzwerk, um die Reichweite und Zuverlässigkeit zu erhöhen.
  6. Alexa-Sprachassistenten-Modelle sind teilweise als ZigBee-Bridge nutzbar. Der Echo Plus (2. Generation) ist ein Sprachassistent von Amazon, der als ZigBee-Bridge verwendet werden kann. Der Echo Show 10 (3. Generation) ist ein sprachgesteuerter Smart Display von Amazon mit integrierter ZigBee-Bridge. Das bedeutet, dass er in der Lage ist, ZigBee-fähige Smart-Home-Geräte wie smarte Glühbirnen, Steckdosen oder Sensoren direkt zu steuern, ohne dass eine separate ZigBee-Bridge erforderlich ist.

ZigBee ist ein IEEE 802.15.4-basierter drahtloser Netzwerkstandard mit geringem Stromverbrauch und niedriger Datenrate, der im Wesentlichen für die bidirektionale Kommunikation zwischen Sensoren und Steuersystemen verwendet wird.

Zu den Vorteilen: siehe weiter unten.

Was ist eine ZigBee-Bridge

ZigBee-Bridge über eine Smart-Home-Zentrale: Eine weitere Möglichkeit, ZigBee in Ihrem Smart-Home-System zu nutzen, besteht darin, eine ZigBee-Bridge über eine Smart-Home-Zentrale zu verwenden. Eine Smart-Home-Zentrale ist eine umfassende Steuerungseinheit für Ihr Smart-Home-System, die die Kommunikation zwischen verschiedenen Smart-Home-Protokollen, einschließlich ZigBee, ermöglicht. Sie können eine Smart-Home-Zentrale auswählen, die ZigBee-Kompatibilität bietet, und die entsprechende ZigBee-Bridge verwenden, um ZigBee-Geräte in Ihr Smart-Home-System einzubinden. Die ZigBee-Bridge ermöglicht Ihnen die Steuerung und Automatisierung von ZigBee-fähigen Geräten in Ihrem Smart-Home-System über die Smart-Home-Zentrale.


ZigBee-Vorteile

ZigBee bietet viele Vorzüge im Bezug auf Reichweite und Kommunikationstechnologien an - besonders hervorzuheben ist hier der Faktor des Mesh-Netzes, welches alle Endgerate verbindet und somit eine größere Abdeckung ermöglicht. Jedes Gerät ist sowohl Sender als auch Empfänger, was eine signifikante Vergrößerung der Reichweite bedeutet - sogar bis in den Garten hinaus! Zudem entfallen die Notwendigkeit für zusätzliche Repeater und somit weiter Kosten.

Die Nutzung von ZigBee als Technologie für das Smarthome bietet mehrere Vorteile - insbesondere bei batteriegepowerten Geräten spart sich der Anwender zusätzlichen Stromverbrauch. Zudem unterstützt die neue Version des Standards (Zigbee 3.0) Kompatibilitätsprobleme zu anderen Herstellern - vor allem große Unternehmen nutzen dieses System in ihren Produkten.

ZigBee-Nachteile

Ein Nachteil von ZigBee ist, dass es eine spezielle Bridge benötigt, um die Befehle an alle Geräte im Netzwerk zu verteilen. Dies kann entweder in Form einer separaten Smart-Home-Zentrale oder über die integrierte ZigBee-Bridge in Lautsprechern und anderen Sprachassistenten erfolgen. Wird jedoch diese Bridge ausfallen oder schlägt fehl, sind keine Steuerungsbefehle mehr möglich und somit wird das gesamte Netzwerk blockiert.

Beim Einkauf von ZigBee-Geräten sollte man vorsichtig sein, da die Kompatibilität durch ein anpassbares Protokoll der Hersteller problematisch ist und nicht zwingend jedes Gerät miteinander kombiniert werden kann.

Mit Matter, dem Smart-Home-Standard der CSA (Consumer Technology Association), versucht man eine Kompatibilitätslösung für die Verbindung aller Smart Home Geräte unterschiedlicher Hersteller bereitzustellen. Durch den Einsatz des Standards kann jedes Gerät mit anderen Systemen ohne Probleme interagieren und sich miteinander verbinden - unabhängig von seiner Marke oder Modellnummer. Dadurch wird es Nutzern ermöglicht, mehr als nur ein System im selben Haus zu betreiben und auf diese Weise die Effizienz sowie Interoperabilität in Ihrem Zuhause deutlich zu steigern.


Wie groß ist die maximale ZigBee-Reichweite?

Während die Reichweite in Innenräumen zwischen 10 und 20 Metern liegt, ist im Freien eine Reichweite von 75 bis 300 Metern möglich. Unter anderem Möbel und Wände, die sich zwischen Endgerät und Router oder Koordinator befinden, wirken sich auf die konkrete Funkreichweite aus.

In welchen Bereichen wird ZigBee genutzt?

Der drahtlose Netzwerkstandard ZigBee wird in der Industrie- und Automatisierungstechnik, in der Medizintechnik sowie bei der Heim- und Gebäudeautomatisierung verwendet. In der Industrie wird ZigBee vorrangig zur Anlagensteuerung, zur Güterüberwachung und zum Übertragen von Sensordaten genutzt.

Kann die Fritzbox ZigBee?

Ja klar. FRITZ!Box Modelle, die bereits installiert sind, können mit dem intelligentem Gateway in Zusammenarbeit mit dem neuartig entwickelten System aufgerüstet werden um diese somit für den Betrieb von ZigBee Technologie anzupasssen. Alle Konfigurationseinstellungsparameter sowohl für die DECT als auch für die jeweilige ZigBee Komponentenserie lassen sich bequem und unkompliziert über eine gemeinsame Oberfläche des Smart Gateways oder über die FRITZ!Box vornehmen.

Wie kann ZigBee Störungen im 2.4GHz-Band ausgleichen?

ZigBee-Produkte haben Zugriff auf 16 separate 5-MHz-Kanäle im 2.4-GHz-Band, von denen sich einige nicht mit US-amerikanischen und europäischen Wi-Fi-Versionen überschneiden. Der Standard für Drahtlostechnologie enthält ein IEEE 802.15.4 definiertes CSMA-CA-Protokoll, das die Wahrscheinlichkeit einer Störung durch andere Benutzer verringert. Zudem werden relativ wenige Paketdateneinheiten übertragen, wodurch die Wahrscheinlichkeit einer erfolglosen Übertragung verringert wird.


Wie unterscheidet sich ZigBee von anderen Kommunikationsprotokollen?

Das ZigBee-Protokoll ist eines der vielen Arten von Kommunikationsprotokollen für IoT-Geräte. Es wird bevorzugt bei Geräten mit geringer Leistung und niedriger Datenrate eingesetzt. ZigBee hat eine sehr kurze Verbindungszeit von rund 30 Millisekunden, während andere drahtlose Protokolle wie Wi-Fi und Bluetooth mehrere Sekunden für einen Verbindungsaufbau oder eine Koppelung benötigen.

Im Gegensatz zu Wi-Fi und Bluetooth können mehr Geräte zu einem einzigen Netzwerk verbunden werden. Darüber hinaus geht ZigBee mit einem sehr geringen Stromverbrauch einher, was das Protokoll für den Einsatz bei batterie- oder akkubetriebenen Geräten prädestiniert. Bluetooth- und Wi-Fi-kompatible Geräte verbrauchen dagegen viel Energie für den Betrieb.

Warum ist die ZigBee-Zertifizierung für Hersteller wichtig?

Das ZigBee-Zertifizierungsprogramm bestätigt, dass das hergestellte Produkt die Anforderungen der Spezifikation erfüllt und erwartungsgemäß funktioniert. Unternehmen, die zum Beispiel Smart-Home-Geräte herstellen, werden nicht nur auf der Alliance Website aufgelistet, sondern sind zur Verwendung eines Zertifikat-Logos berechtigt. Das offizielle Logo schafft Kundenvertrauen und ist ein wichtiges Qualitätsmerkmal.

Ist ZigBee abwärtskompatibel?

Ja, die Spezifikation für drahtlose Netzwerke wurde abwärts- und aufwärtskompatibel entwickelt. Der Grad der Kompatibilität liegt im Verantwortungsbereich der Produkthersteller, die über die Unterstützung von neu veröffentlichten Funktionen entscheiden.

Hat ZigBee Zukunft?

Die ZigBee-Technologie ist eine leistungsstarke Funktechnologie, die auf bewährten Komponenten für Hardware und Mikrocontroller basiert. Obwohl es bereits vorhanden ist, sind Stack, Software und Profile noch in der Entwicklungsphase und müssen weiter verbessert werden. Es gibt jedoch Anzeichen dafür, dass diese Technologie irgendwann einmal den Marktanforderungen gerecht wird. Aktuell sollte man ZigBee nur dem Bereich Smart Home zuordnen.


ZigBee Mesh

ZigBee-Geräte kommunizieren in einem Mesh-Netzwerk, das auch als Ad-hoc-Netz bekannt. Dieses Netzwerk ermöglicht es Geräten, miteinander zu kommunizieren und Datenpakete an andere Knoten weiterleiten zu lassen - selbst wenn der direkte Kommunikationspfad nicht verfügbar ist. Der Fokus von ZigBee liegt auf dem Einsatz im Innnenbereich mit einer Reichweite von bis zu 100 Metern sowie unter freiem Himmel mit maximal 300 Metern Sichtlinienverbindung.

Das Zigbee-Mesh optimal einrichten

Die Funktechnologie hinter Zigbee-Lichtsytemen ermöglicht es jeder Lampe, den Eingang von Befehlen zu empfangen, sie zu verstärken und weiterzuverbreiten; somit fungiert jede installierte Lampe als Repeater in diesem System. Wegen der Verknüpfung vieler solcher Knotpunkt miteinander spricht man auch vom Mesh-Netzwerk (aus dem Englischen "mesh" = Geflecht).

Auf die Position der Zigbee-Geräte kommt es an

Der Ort, an dem man seine Geräte im ZigBee-Mesh platzieren möchte, spielt eine wesentliche Rolle beim Einsetzen dieser Technologien in jedem Raum. Egal ob es sich um effiziente Produktionsstrecken oder intelligente Automatisierungslösungen handelt - die Positionierung der verwendeten Maschinenelemente hat direkten Einfluss auf deren Leistungsfähigkeit und somit auch für das Endergebnis von großer Bedeutung.

Eine stabile Mesh-Netzwerkverbindung ist abhängig von der Positionierung der Zigbee-Geräte in einer Wohnumgebung. Je größer der Abstand zwischen den Geräten wird, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit, dass die Verbindung unterbrochen wird und somit auch andere Teile des Netzwerks getrennt sind. Der weitergesendete Funk kann nur so gut sein wie das Signal, welches vom Repeater empfangen und verarbeitet wurde – daher muss man bei dem Einsatz eines ZigBee-Mesh-Netzes besonders auf die Plazierbarkeit jedes Relais innerhalb des Raums bedacht sein.

Um die Funkwellen möglichst effizient zu verbreiten, sollte der Bridge-Hub an einem Ort platziert werden, der idealerweise inmitten des gesamten Netzwerks liegt. Der maximale Abstand zum nächsten Repeater beträgt dabei empfohlen rund 10 Meter. Ist diese Distanz jedoch größer oder sind massive Hindernisse vorhanden – etwa durch mehrere Wände oder andere Materialien – , ist es ratsam einen weiteren Repeater auf dem Weg hinzu installieren. Nichtsdestotrotz kann man hierbei beachten, dass nicht alle Produkte im ZigBee-Mesh innerhalb des Hue Sortiments als qualifizierter Signalverstärker fungieren können und daher bei Bedarf speziell für den jeweiligen Anwendungsbereichen angeschafft werden müssen.

Die drei Arten von Zigbee-Produkten im Netzwerk

Der Zigbee-Standard kennt drei verschiedene Gerätetypen. Sie kommen in fast allen Systemen zum Einsatz, die das Funkprotokoll nutzen – also auch in Produkten von Philips Hue, Ikea Trådfri, Osram Lightify & Co.

Der Zigbee-Standard umfasst drei verschiedene Arten von Geräten, die in fast allen Systemen zum Einsatz kommen, die mit dem Funkprotokoll arbeiten. Dazu gehören Produkte wie Philips Hue, Ikea Trådfri und Osram Lightify. Jede dieser Komponententypen hat spezifische Merkmale und Anwendungsbereiche:

  1. Zigbee-Endgeräte (Zigbee End Devices, ZED): Sie sind an ein Netzwerk gebundene Geräte ohne Routing-Funktion oder Hintergrundverarbeitung. Die meistens als actuators bezeichnete Sensoren empfangen nur Befehle vom Hauptcontroller des jeweiligen Systems;
  2. Zigbee-Router (Zigbee Routers): Wenn vorhanden verwalten sie den Datenaustausch im Netzwerk über ihr Mesh-Networking;
  3. Zigbee-Koordinator (Zigbee Coordinators): Er ist der intelligenteste Controller in jedem Zigbee-Netzwerk und initiiert die Kommunikation zwischen den Endgeräten. Er ist für das Routing der Datenpakete verantwortlich und stellt auch eine Verbindung mit dem Gateway her, um Befehle von externen Geräten empfangen zu können.

Die Produkte von Philips Hue, Ikea Trådfri, Osram Lightify & Co nutzen alle diese Typen an Geräten in ihren Systemlösungen – vom Sensor über Router bis hin zum intelligentestem Controller des Netzwerks (Koordinator).

Mit Zigbee-Endgeräten kann nicht nur die Reichweite des Netzwerks erhöht werden. Dazu gehören Sensoren, Fernbedienungen und Friends-of-Hue Taster. Batteriebetriebene Endgeräte haben keinen Einfluss auf das Signal. Zur Verbesserung der Funkreichweite müssen Router im ZigBee-Mesh verteilt sein, um Signale zwischen den Geräten weitergeleitet zu bekommen. Für eine optimale Performance sollte man stets sicherstellen, dass die Hue Lampen am Netz bleibt - schaltet man diese mit dem normalem Lichtschalter ab fällt einer Knotenpunkt weg und es entsteht Sendepause im gesamtem System bis sich neue Wege finden.

Keine Kommentare

  1. Ganz interessant. In der Praxis – besonders bei Problemen – ergebn sich ganz andere Fragen. So ist lt. App mein Zigbee Netzwerk schlecht und teils nicht erreichbar. Die Zigbee Bridge musste am Handy unter aktiviertem Bluetooth und WLAN gesucht werden und wurde dann in mein privates WLA – Router – netzwerk eingebunden. Hier wird die Zigbee – Bridge (auch Zigbee Router oder Zigbee Koordinator genannt) als voll funktionsfähig und mit ziem,lich guter Sendeleistung angezeigt.
    Da meine Zigbee – Bridge also nun hinter dem Router liegt, hat sie auch ein IP Adresse im Heimnetz und nutzt logischerweise denselben Netzwerknamen (SSID). In den App Einstellungen dagenen wird (unter Namensänderung für die Zigbee Bridge) die Möglichkeit zur Vergabe zweier Netzwerknamen angezeigt. Nämlich einmal für das Zigbee – netzwerk und dann noch einmal für das Sicherungsnetzwerk. Da ich keine zwei privaten Netzwerke betreibe, sondern nur Eines, stellt sich nunmehr die Frage, ob die SSID meines privaten Netzwerkes als Sicherungs – netzwerkname (SSID) angegeben werden sollte und das Zigbee – mesh selbst eine ganz anderes SSID als das Heinmetz erhalten sollte. – Leider werden diese Fragen, wie so vieles Andere im Zusammenhang mit Zigbee, nirgendwo beantwortet.

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