ZigBee ist eine neu entwickelte Übertragungstechnik für drahtlose Netzwerke. Sie ist in etwa vergleichbar mit Bluetooth, aber deutlich sicherer und vor allem zuverlässiger. Die Technik kommt sehr oft im Bereich Smart Home und anderen Netzwerken zum Einsatz, in denen nur kurze Übertragungswege vorhanden sind. Die Bezeichnung ZigBee stammt übrigens von dem sogenannten Zick-Zack-Tanz der Honigbienen.
Inhaltsverzeichnis: Das erwartet Sie in diesem Artikel
Die Geschichte von ZigBee
Die Entwicklung fand schon im Jahre 2002 von der ZigBee-Alliance statt. Inzwischen haben sich mehr als 230 Unternehmen zusammengeschlossen, um diese innovative Technik voranzutreiben. Das vorrangige Ziel dieser neuen Technologie bestand darin, eine Datenübertragung zu schaffen, bei der nur sehr wenig Energie verbraucht wird.
Das ist deshalb so wichtig, weil diese Technik in erster Linie für das IoT von Bedeutung ist. Immer dann, wenn es darum geht, dass eine hohe Anzahl von Sensoren Daten erfassen und diese an eine zentrale Steuereinheit leiten müssen, wird sehr viel Energie verbraucht. Im IoT (Internet of Things) spielen unzählige Faktoren eine Rolle. Mit einer konventionellen Datenübertragungstechnik wäre der Energieverbrauch sehr hoch.
Ideale Technik für Mesh-Netzwerke
Da sich nicht jeder etwas unter einem Mesh-Netzwerk vorstellen kann, folgt eine kurze Erklärung. Den meisten Menschen dürfte ein einfaches Netzwerk bekannt sein. Das kann beispielsweise das heimische Netzwerk sein, das aus einem Router, einem oder mehreren Computern und Mobilgeräten besteht. Bei solch einem Netzwerk werden die Daten der Endgeräte immer auf dem direkten Weg zum Router geleitet. Von dort können sie dann von anderen Endgeräten wieder empfangen werden.
Bei einem Mesh-Netzwerk, das einfach übersetzt so viel wie Maschennetzwerk heißt, erfolgt eine engmaschige Datenübertragung. Jedes Gerät, das sich in solch einem Netzwerk befindet, ist mit jedem anderen Gerät im selben Netzwerk verbunden. Dabei spielt es keine Rolle, ob es sich um Sensoren oder Aktoren handelt. Derartige Verbindungen wären mit konventionellen Funkstandards nicht realisierbar. Deshalb wurde die innovative ZigBee Technologie speziell für diese Einsatzzwecke entwickelt.
Unterschiedliche Gerätearten stehen zur Verfügung
Grundsätzlich stehen drei verschiedene Gerätearten zur Verfügung, die in einem WPAN eingesetzt werden können. Die Abkürzung WPAN steht für Wireless Personal Area Network. Auf Deutsch übersetzt wäre es demnach ein drahtloses persönliches Netzwerk. Die Übertragung erfolgt auf einem hohen Sicherheitsniveau. Sie basiert auf den IEEE 802.15.4 Standard. Daher sind Störungen von außerhalb des Netzwerks nicht zu befürchten. Doch nachfolgend sollen die drei unterschiedlichen Gerätearten, die sich kombinieren lassen, näher beschrieben werden.
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Endgeräte
Fachleute nennen die Endgeräte ZigBee End Device oder ZED abgekürzt. Diese befinden sich überall dort, wo etwas ausgeführt werden muss. Die Geräte werden mit Batterien betrieben. Da sie jedoch in einen Schlafmodus gehen, wenn sie nicht gerade benötigt werden, halten die Batterien sehr lange. Die ZED nehmen Kontakt mit einem Router auf. Die Kontaktaufnahme kann jedoch nur mit dem Router aufgenommen werden, mit dem die Geräte eingerichtet wurden. Befinden sich in der Reichweite des Funknetzes noch weitere Router, werden diese nicht von den Endgeräten erkannt. Genauso ist es auch in umgekehrter Richtung. Das heißt, der Router könnte ebenfalls keine Verbindung mit einem Endgerät herstellen, das nicht in dem gleichen Netzwerk registriert ist.
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Router
ZigBee Router werden meistens nur mit ZR abgekürzt, weil sich auf diese Weise Netzwerke besser skizzieren lassen. In diesen Geräten laufen zahlreiche Datenströme zusammen. Das bedeutet, ein Router dient gleichzeitig als Sammelpunkt und Verteilersteller. Daher sind die Ansprüche an die Hardware etwas höher als bei den Endgeräten. Der Router kann in solch einem Netzwerk entlang einer einfachen Baumstruktur angesprochen werden, wie es auch von den Routern für den heimischen Internetzugang bekannt ist. Des Weiteren kann er aber auch Daten aus den Knotenpunkten eines Mesh-Netzes angreifen und verarbeiten. Die Einsatzmöglichkeiten und Funktionen sind daher recht vielfältig und an jedes Netzwerk individuell anpassbar.
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Koordinator
Als letzte Geräteart ist der sogenannte Koordinator zu nennen. Die offizielle Bezeichnung ist ZigBee Coordinator oder ZC. Seine eigentliche Aufgabe besteht darin, das Netzwerk zu starten. Nachdem es funktioniert und sämtliche Komponenten eingerichtet und konfiguriert sind, übernimmt der Koordinator ähnliche Aufgaben wie ein Router.
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Die Adressierung im ZigBee Netzwerk
Jede Komponente in einem solchen Netzwerk erhält eine einzigartige PAN-ID. Das ist eine 64-Bit Adresse. Kurz zur Erklärung: PAN-ID ist die Abkürzung für Personal Area Network Identifikation. Bei größeren Netzwerken mit zahlreichen Knoten und Endgeräten könnte es aufgrund der Datenflut zu einem sogenannten Protokoll-Overload kommen. Deshalb werden die Adressen mitunter auf 16-Bit reduziert.
Grundsätzlich erfolgt die Einrichtung ähnlich wie beim bekannten TCP/IP Protokoll, bei dem jeder Knoten 255 Endpunkte aufweist. Bei der Konfiguration spielen jedoch nur die Endpunkte 1 bis 240 eine Rolle. Der Endpunkt 0 bleibt dem ZigBee Device Objekt vorbehalten. Das ist der wichtige Startpunkt für jedes Netzwerk dieser Art. Dann bleiben noch die Endpunkte 241 bis 245 übrig. Diese bleiben bei der Ersteinrichtung grundsätzlich frei, damit noch eine Reserve für spätere Ausweitungen des Netzes verfügbar bleibt.
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Die Steuerung dieser Endpunkte kann auf unterschiedlicher Weise erfolgen. In kleineren Netzwerken mit wenigen Komponenten bleibt es manchmal dem Zufall überlassen, über welche Endpunkte der Datenaustausch erfolgt. In größeren Netzen können auch direkte Zuteilungen eingerichtet werden. Daher ist es möglich, bestimmte Daten an eine größere Gruppe von Endgeräten gleichzeitig zu übertragen. Durch ZigBee stehen Möglichkeiten zur Verfügung, die es mit anderen Übertragungstechniken noch nicht gab.
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.
ZigBee RF4CE als eigenständige Spezifikation
Diese etwas kryptische erscheinende Bezeichnung steht für Radio Frequency for Consumer Electronics. Diese Spezifikation wurde im Jahre 2008 entwickelt und für drahtlose Funknetzwerke im privaten Bereich konzipiert. Insbesondere geht es dabei um den Bereich der Unterhaltungselektronik. Der Hintergrund ist, dass ein Gerät, das über eine Fernsteuerung eingeschaltet wird, selbst zu einer Fernsteuerung für ein weiteres Gerät mutiert. Das hört sich komplizierter an, als es eigentlich ist.
Wahrscheinlich haben die meisten Menschen bereits Erfahrung mit dieser modernen Technik. Ein sehr gutes Beispiel ist das Fernsehgerät. Wird dieses mit der Fernbedienung eingeschaltet, erfolgt gleichzeitig die Einschaltung der Soundbar, weil diese einen Impuls vom Fernsehgerät erhält. Ein ähnliches Beispiel wäre es, den Satelliten-Receiver oder DVD-Player mit der Fernbedienung zu starten. Diese Geräte schalten beim Fernsehgerät automatisch die entsprechende Eingangsbuchse frei.
Seit 2012 gibt es ZigBee IP
Bei dieser Technik handelt es sich um eine Möglichkeit, in der Wohnung vernetzte Geräte mit dem Internet zu verbinden. Mitunter sind Waschmaschinen oder Geschirrspülmaschinen mit einer solchen Funktion ausgestattet. Diese senden ein Signal an den Router und dieser leitet die Daten über das Internet. Dadurch entsteht die Möglichkeit, Geräte in der eigenen Wohnung von einem anderen Ort aus einzuschalten. Die Verbindung kann mit jedem Smartphone hergestellt werden. Selbstverständlich gibt es eine starke Verschlüsselung, damit nicht jeder in das private Netzwerk eindringen kann. Es ist nicht nur möglich, einige Geräte einzuschalten. Manchmal ist es auch sinnvoll, die Beleuchtung einzuschalten oder die Außenjalousien herunterzufahren, wenn man nicht im Hause ist.
ZigBee Cluster Library und ZigBee Profile
Damit die einzelnen Geräte untereinander kommunizieren können, wurden Cluster und Profile eingeführt. Diese ähneln den herkömmlichen technischen Abläufen zwischen einem Server und einem Client. Der Client kann beim Server Daten abrufen und der Server kann Befehle an den Client ausgeben. Beispielsweise könnte ein Helligkeitssensor ein Signal an den Server senden. Dieser wertet es aus und schickt daraufhin das Signal zum Einschalten der Beleuchtung an die entsprechende Lampe. Die Erstellung der Cluster und der Profile ist deshalb von Bedeutung, damit der Router eine Entscheidung treffen kann, an welches Endgerät er den Befehl zum Ein- oder Ausschalten sendet.
Typische Anwendungsfälle für ZigBee
Diese moderne Technik ist sehr vielseitig einsetzbar.
Das liegt unter anderem daran, weil es eine hohe Flexibilität gibt. Es folgen ein paar typische Anwendungsgebiete für die innovative ZigBee-Technologie.
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Haus- und Gebäudeautomatisierung
In diesem Bereich gibt es schon zahlreiche technische Möglichkeiten der Automatisierung. Dazu gehört unter anderem die Lichttechnik. Dabei geht es nicht nur um eine automatische Einschaltung bei Dunkelheit. Auch die Helligkeit oder die Lichtfarbe lässt sich den jeweiligen Situationen entsprechend regeln. Zudem ist der gesamte Heizbereich zu nennen.
Sensoren ermitteln kontinuierlich die Raumtemperatur und regeln anhand dieser Daten die Heizkörperthermostate. Diese wiederum stehen in direktem Kontakt zum Heizkessel. Daher bekommt dieser den Impuls, die Vorlauftemperatur entsprechend des Wärmebedarfs anzupassen. Zudem schalten die Thermostate ab, sobald ein Fenster geöffnet wird. In der Hausautomation dient diese Technik nicht nur für ein optimales Klima, sondern sie trägt auch zur Einsparung von Energie bei.
Eine weitere Anwendung wäre der Einbruchschutz. Sensoren könnten an Fenstern und Türen erkennen, wenn daran hantiert wird. Dann könnten sie nicht nur einen Alarm auslösen, sondern vielleicht auch eine helle Beleuchtung einschalten oder ein Signal an die nächste Polizeidienststelle leiten. Die Einsatzmöglichkeiten im Hausbereich sind schon sehr beeindruckend.
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Automatisierungstechnik in der Industrie
Im Bereich der produzierenden oder verarbeitenden Industrie gibt es viele Einsatzmöglichkeiten für das IoT. Deshalb gehören ZigBee Geräte dort auch schon zum Standard. Sie bieten eine wichtige Voraussetzung für M2M. Das ist die Abkürzung für Machine to Machine. Vereinfacht ausgedrückt geht es dabei um den Datenaustausch zwischen den Maschinen. Können die Maschinen direkt miteinander kommunizieren, werden zahlreiche Arbeitsplätze eingespart. Sensoren ermitteln dabei die aktuellen Daten.
Diese werden von einer Steuereinheit empfangen. Anschließend erhalten Aktoren dann die Informationen, die sie benötigen. Diese technischen Möglichkeiten sind insbesondere dann von Bedeutung, wenn Produkte nicht nur in großen Serien, sondern auch zahlreiche unterschiedliche Artikel in kleinen Stückzahlen hergestellt oder verarbeitet werden müssen.
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Medizinische Anwendungen
Auch im medizinischen Bereich halten Techniken, die ZigBee nutzen, Einzug. Beispielsweise können Sensoren Daten von Patienten ermitteln. Diese werden nicht nur gesammelt, sondern sie dienen dazu, Medikamente zu dosieren oder andere Maßnahmen zu ergreifen. Auf diese Weise können wenige Krankenschwestern und Pfleger eine große Anzahl von Patienten betreuen. Sie müssen dann nicht mehr in Abständen von wenigen Minuten an das Patientenbett, um eventuell die Medikation anzupassen. Das ist schon eine enorme Hilfe.
FAQ
Was ist ZigBee?
Es handelt sich um eine verschlüsselte Übertragungstechnik in einem persönlichen Drahtlosnetzwerk.
Ist ZigBee besser als Bluetooth?
Auf jeden Fall. Bluetooth-Geräte lassen sich leicht von außerhalb erkennen. Obwohl nicht immer eine automatische Koppelung bei Bluetooth möglich ist, gibt es keine hohe Sicherheit.
Ist ZigBee sicher?
Bezüglich der Sicherheit gibt es keine Probleme, weil sich sämtliche Komponenten in einem geschlossenen Netzwerk befinden.
Ist die Technik kompliziert?
Diese neue Technik ist nicht komplizierter als herkömmliche Verbindungen in einem Drahtlosnetzwerk.
Lassen sich sämtliche Geräte mit ZigBee ausstatten?
Im Prinzip ist es möglich, sämtliche Geräte mit diesem Funkstandard zu versehen.
Ist die Technik umweltfreundlich?
Ein großer Vorteil besteht in dem geringen Energieverbrauch. ZigBee-Geräte befinden sich normalerweise im Stand-by-Modus, in dem Sie fast keine Energie verbrauchen. Sie arbeiten erst, wenn sie ein Signal erhalten. Aufgrund des geringen Energieverbrauchs kann behauptet werden, dass diese Technik umweltfreundlich ist.
Gibt es auch Nachteile?
Selbstverständlich gibt es auch Nachteile. Dazu gehört die geringe Übertragungsweite von etwa 20 Meter. Zudem kann das komplette System nicht mehr arbeiten, wenn der Koordinator ausfällt.
