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.

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.

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.

1,6km 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.

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.

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

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.

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.