ZigBee
Zigbee ist eine standardbasierte Funktechnologie, die entwickelt wurde, um kostengünstige, stromsparende drahtlose Machine-to-Machine- (M2M) und IoT-Netzwerke (Internet der Dinge) zu ermöglichen.
Zigbee ist für Anwendungen mit niedriger Datenrate und geringem Stromverbrauch ausgelegt. Es handelt sich um einen offenen Standard. Theoretisch ermöglicht dies die Kombination von Implementierungen verschiedener Hersteller, in der Praxis wurden Zigbee-Produkte jedoch von Anbietern erweitert und angepasst und sind daher von Interoperabilitätsproblemen betroffen. Im Gegensatz zu WLAN, das zur Verbindung von Endpunkten mit Hochgeschwindigkeitsnetzwerken verwendet wird, unterstützt Zigbee viel niedrigere Datenraten und verwendet ein Mesh-Netzwerkprotokoll, um Hub-Geräte zu vermeiden und eine selbstheilende Architektur zu schaffen.
Zigbee-Spezifikationen
Zigbee basiert auf der 802.15-Spezifikation des Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE). Zigbee ist für Steuerungs- und Sensornetzwerke auf dem IEEE 802.15.4-Funkstandard für drahtlose persönliche Netzwerke (WPAN) ausgelegt. Die Zigbee-WPANs arbeiten auf den Frequenzen 2,4 GHz, 900 MHz und 868 MHz.
Die Zigbee-Spezifikationen, die von der Connectivity Standards Alliance (CSA), früher Zigbee Alliance, gepflegt und aktualisiert werden, erweitern den IEEE 802.15.4-Standard um Netzwerk- und Sicherheitsschichten sowie ein Anwendungs-Framework. Durch Zertifizierungsprogramme versucht die CSA die Situation mit Interoperabilitätsproblemen zu verbessern.
Die von der CSA festgelegten Standards können zur Erstellung herstellerübergreifender interoperabler Angebote verwendet werden. Hersteller, die benutzerdefinierte Anwendungen entwickeln, die nicht mit den Anwendungen anderer Hersteller kompatibel sein müssen, können ihre eigenen spezifischen Varianten und Erweiterungen erstellen.
Es gibt verschieden Zigbee-Spezifikationen, unter anderem:
- Zigbee PRO soll die Grundlage für das Internet der Dinge mit Funktionen zur Unterstützung kostengünstiger, äußerst zuverlässiger Netzwerke für die Kommunikation von Gerät zu Gerät bilden. Zigbee PRO bietet auch Green Power, eine Funktion, die Energy Harvesting oder energieautarke Geräte unterstützt, die keine Batterien oder Wechselstromversorgung benötigen.
- Zigbee RF4CE ist für einfache, bidirektionale Gerät-zu-Gerät-Steuerungsanwendungen konzipiert, die nicht die umfassenden Mesh-Netzwerkfunktionen der Zigbee-Spezifikation benötigen.
- Zigbee IP optimiert den Standard für IPv6-basierte, vollständig drahtlose Mesh-Netzwerke und bietet Internetverbindungen zur Steuerung von Geräten mit geringem Stromverbrauch und niedrigen Kosten.
- Zigbee PRO 2023 bietet erweiterte Sicherheitsfunktionen und unterstützt Frequenzbänder über 2,4 GHz, wodurch Signalstärke und Reichweite verbessert werden.
- Zigbee 3.0 ist die neueste Version und integriert alle vorherigen Zigbee-Spezifikationen in einen einheitlichen Standard, der die Interoperabilität zwischen verschiedenen Geräten und Anwendungen verbessern soll.
Zigbee-Architektur und -Schichten
Das Zigbee-Protokoll besteht aus vier Hauptschichten, die zusammenarbeiten, um eine zuverlässige und effiziente Kommunikation zu ermöglichen:
- Physical Layer: Diese Schicht ist für die physische Übertragung von Daten über Funkwellen verantwortlich. Sie definiert die Frequenzen, Modulationstechniken und Signalstärke.
- Medium Access Control Layer: Diese Schicht kontrolliert den Zugriff auf das Übertragungsmedium und stellt sicher, dass Datenkollisionen vermieden werden. Sie verwaltet die Datenübertragung zwischen Geräten und die Vergabe von Netzwerkadressen.
- Network Layer: Diese Schicht ist für die Netzwerkbildung und -verwaltung zuständig. Sie ermöglicht die Einrichtung von Mesh-Netzwerken und die Routenfindung zwischen Geräten.
- Application Layer: Diese Schicht enthält die spezifischen Anwendungen und Profile, die auf dem Zigbee-Protokoll basieren. Hier werden die eigentlichen Funktionen und Dienste der Zigbee-Geräte definiert.
Mesh-Netzwerke
Ein wichtiger Bestandteil des Zigbee-Protokolls ist seine Fähigkeit, Mesh-Netzwerke zu unterstützen. Zigbee verwendet eine Mesh-Netzwerkarchitektur für die Kommunikation.
Ein Mesh-Netzwerk ist ein lokales Netzwerk (LAN), Wireless LAN (WLAN) oder virtuelles LAN (VLAN), das eine von zwei dezentralen Verbindungsanordnungen verwendet: vollständige Mesh-Topologie oder partielle Mesh-Topologie.
In einer vollständigen Mesh-Topologie ist jeder Netzwerkknoten direkt mit anderen Knoten verbunden. In einer partiellen Mesh-Topologie sind einige Knoten mit allen anderen vernetzt, andere jedoch nur mit den Knoten, mit denen sie die meisten Daten austauschen.
Das ZigBee-Protokoll definiert drei Arten von Knoten: Koordinatoren, Router und Endgeräte. Obwohl alle Knoten Daten senden und empfangen können, spielen sie unterschiedliche Rollen.
In jedem Netzwerk gibt es einen Koordinator, dessen Aufgabe es ist, Informationen über das Netzwerk, einschließlich der Sicherheitsschlüssel, zu speichern. Router sind Zwischenknoten, die Daten von anderen Geräten weiterleiten. Endgeräte können energieeffiziente oder batteriebetriebene Geräte sein, die mit dem Koordinator oder einem Router kommunizieren, aber keine Daten von anderen Geräten weiterleiten können.
Wer nutzt Zigbee?
Zigbee wird von vielen namhaften Herstellern und in verschiedenen Bereichen eingesetzt, insbesondere im Smart Home und in der Gebäudeautomation. Hier einige Beispiele:
- Beleuchtung: Marken wie Philips Hue und Osram Smart+ nutzen Zigbee für ihre intelligenten Beleuchtungssysteme.
- Sicherheit: Bosch und Honeywell integrieren Zigbee in ihre Sicherheitslösungen.
- Heimautomation: Ikea, Samsung und Amazon nutzen Zigbee für verschiedene Smart Home-Geräte.
- Energiemanagement: Siemens und Huawei verwenden Zigbee in ihren Energiemanagementsystemen.
- Industrielle Automatisierung: Zigbee wird auch in der Industrie zur Überwachung und Steuerung von Prozessen eingesetzt.
Dieser Artikel wurde ursprünglich von Linda Rosencrance verfasst und von der ComputerWeekly-Redaktion aktualisiert, um Branchenveränderungen widerzuspiegeln und das Leseerlebnis zu verbessern.
