ZigBee: Anwendungsbeispiele, Reichweite, Sensoren, Schwächen, Vorteile

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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, doch gewinnt die Technologie vereinzelt auch in der Industrie an Bedeutung.

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.

Während die Reichweite in Innenräumen zwischen 10 und 20 Metern liegt, ist im Freien eine Reichweite von 75 bis 300 Metern möglich.

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

    Zu den veröffentlichten Profilen zählt unter anderem das ZigBee Light Link-Profil, 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.

Häufige Fragen zu ZugBee

Was ist ZigBee?

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.

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.

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 die ZigBee-Spezifikation 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.

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.

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.

Wie kann ZigBee mögliche 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.

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