Vielschichtiger Funkstandard ZigBee: Funkprotokoll für Smart Home und Hausautomation

Der Funkstandard ZigBee wird im Smart-Home-Bereich neben Z-Wave und EnOcean mit am häufigsten verwendet. Anwendungsgebiete sind Haus- sowie industrielle Automation, Energiespar- und Gesundheitsanwendungen und insbesondere Lichttechnik. Bisher war ZigBee kein einheitlicher Standard, sondern setzte sich aus mehreren Profilen zusammen, die von Herstellern nicht immer standardkonform implementiert wurden und dadurch teilweise inkompatibel zueinander sind. Das neue ZigBee 3.0 soll daran einiges ändern: Einzelne Profile werden zu einem multifunktionalen und uniformen Protokoll zusammengefasst.

Funkstandard ZigBee

ZigBee: Energieeffizient, unkompliziert und flexibel

Das Internet der Dinge hat erheblichen Einfluss auf die Hausautomation im Smart Home. Ziel ist es, nahezu alle Haushaltsgeräte zu einem Netzwerk zusammenzuschließen, über das sie kommunizieren, Daten austauschen und gesteuert werden. Dazu ist eine Technik nötig, die über Funk ein eigenständiges Netz aufspannt, sich selbst administriert und vom Smart Home für die Hausautomation genutzt werden kann. ZigBee ist ein solcher Funkstandard. Er verbindet unterschiedliche Geräte auf kurzen Strecken miteinander – die Funkreichweite beträgt je nach Leistung und baulicher Umgebung zwischen 10 und 100 Meter. Im Gegensatz zu bekannteren Standards wie WLAN oder Bluetooth zeichnet sich ZigBee durch Energieeffizienz, Einfachheit in der Anwendung und hohe Flexibilität aus. Die Endgeräte verwalten das Netzwerk autark. Das bedeutet, die Geräte treten dem Netzwerk nach einer ersten Einbindung in die jeweilige Hausautomation selbständig bei, werden gefunden und kommunizieren darüber. Durch den geringen Energiebedarf ist ZigBee der ideale Standard für batteriebetriebene Geräte. Diese können selbst an schwer zugänglichen Stellen jahrelang per Funk kommunizieren, ohne dass es häufiger Akkuwechsel bedarf. Namhafte Hersteller wie Philips oder Netgear bieten bereits ZigBee-Produkte an, unter anderem steuerbare LED-Leuchtmittel, Thermostate, Dimmer, Türschlossverriegelungen oder kabellose Türklingeln. Die Installation ist meist unkompliziert und die Steuerung per App auf dem Smartphone oder Tablet ohne umfassende weitere Konfiguration möglich.

 

 

Verbreitung und Einsatzmöglichkeiten des ZigBee-Protokolls

ZigBee ist zwar weit verbreitet im Einsatz, aber verhältnismäßig unbekannt: Geräte, die ein ZigBee-Profil verwenden, sind oftmals nicht als solche ausgewiesen. Für die Zusammenstellung unterschiedlicher Komponenten ist diese Information allerdings wichtig, da nur solche mit demselben Profil miteinander interagieren. Die Profile bieten jeweils unterschiedliche Funktionssets, die für bestimmte Einsatzwecke erstellt wurden. Zuständig für die (Weiter-)Entwicklung des Standards und die Zertifizierung der Produkte ist die ZigBee-Allianz, ein Zusammenschluss von über 400 Unternehmen, darunter etwa Philips und Motorola. Bisher ließ sich das ZigBee-Protokoll in verschiedene Standards für unterschiedliche Anwendungsgebiete unterteilen: ZigBee, RF4CE, ZigBee IP und ZigBee PRO, das nun durch ZigBee 3.0 ersetzt wird. ZigBee ist bislang vor allem für spezifische Bereiche wie vernetzte LED-Leuchtmittel geeignet, das Profil Light Link wird etwa bei Produkten von Philips Hue, Osram Lightify und Belkin WeMo eingesetzt. Busch-Jaeger nutzt Light Link für Universal-Relais in Unterputzlösungen, dresden elektronik für den smarten Wandschalter Scene Switch. Das Profil Home Automation wird beispielweise für Kohlenmonixidsensoren von Climax Technology, schaltbare Steckdosen von Bitron und Waschmaschinen von Miele verwendet. Die Funkzentrale homee, die verschiedene Funkstandards verbindet, stellt seit Kurzem auch einen ZigBee-fähigen Würfel zur Verfügung. Darüber können Endgeräte unterschiedlicher Standards interagieren, beispielsweise ein ZigBee-Schalter mit einem EnOcean-Sensor.

Netzwerktopologien bei ZigBee

ZigBee-Endgeräte können sich in einem Stern-, Baum- oder vermaschten Netzwerkschema verbinden und untereinander kommunizieren. Die Sterntopologie ist sehr einfach aufgebaut, alle Endgeräte kommunizieren direkt über einen zentralen Knotenpunkt, der das Netzwerk steuert. Diese Verbindungsstelle ist jedoch anfällig für Kollisionen, wodurch die Datenübertragung gestört oder verzögert werden kann. In der Baumstruktur geht die Kommunikation ebenfalls vom zentralen Knotenpunkt aus und verbreitet sich hierarchisch ähnlich der Verästelung einer Baumkrone vom inneren zum äußeren Punkt. Das Mesh-Netzwerk hingegen sendet Datensignale beliebig von jedem Sender zu jedem Empfänger, wobei jeder Knotenpunkt als Router für die benachbarten Punkte funktioniert. Es sind immer mehrere Datenpfade möglich, falls einer der Mittler ausfällt – somit ist diese Netzwerktopologie die zuverlässigste und gleichzeitig anpassbarste.

ZigBee-Architektur – Raum für Kreativität

Das Funkprotokoll ist aus mehreren Schichten aufgebaut. Die Basisschicht bestimmt Funktionen zum Funkablauf: Hier wird die Frequenz, mit der das Protokoll sendet, sowie die Übertragungsform der Datenpakete festgelegt. Das Stack Feature Set enthält mehrere Schichten, die Form und Größe des Netzwerks definieren und regeln, wie Geräte beitreten können oder Daten verschlüsselt werden. Die Applikationsprofile werden über Richtlinien und Arbeitsgruppen der ZigBee-Allianz (etwa Home Automation, Building Automation oder Energy Saving) je nach Einsatzzweck definiert. Für ein auf Lichtsteuerung ausgerichtetes Profil legt die Applikationsschicht spezifische Einstellungen wie An-/Aus-Status oder Dimmen verschiedener Empfänger fest.

ZigBee Applikationsschichten

ZigBee 3.0: Einheitlichkeit und Multifunktionalität

ZigBee 3.0 soll eine standardisierte Applikationsschicht aufweisen und keine individuellen Profile mehr ermöglichen. Es wird die sechs Profile von ZigBee PRO (Home Automation, Light Link, Building Automation, Retail Services, Health Care und Telecommunications Services) vereinen und verbindlich für die Implementierung bei den Herstellern standardisieren. Dadurch lässt es sich in Zukunft leichter für viele Bereiche des Smart Homes einsetzen. Zusätzlich wird das bereits in ZigBee PRO enthaltene Profil „Green Power“ auch in 3.0 verwendet, dieses macht den Funkstandard stromsparender. Über Micro Energy Harvesting werden die kleinen Energiemengen, die zur Übertragung der Datenpakete nötig sind, autark gewonnen – allein durch Betätigen eines Schalters, Ausnutzen von Temperatur- und Helligkeitsunterschieden, Luftströmungen oder gerätinternen Vibrationen. So können etwa Sensoren ohne Batterie oder Stromanschluss betrieben werden.

Pro und Contra: Hat ZigBee eine Zukunft im Smart Home?

Der ursprüngliche ZigBee Protokoll-Stack bestand aus vielen Anwendungsschichten, die individuell anpassbar waren. Hersteller konnten also für ihre Produkte das ZigBee Protokoll durch proprietäre Erweiterungen ergänzen oder aber Profile mit eingeschränkter Funktion einsetzen und diese dennoch zertifizieren lassen. Dadurch entstanden Insellösungen, die zwar ZigBee-Protokolle nutzten, aber trotzdem nicht mit anderen ZigBee-Geräten kompatibel waren. Für Hersteller eine Möglichkeit der Produktindividualisierung, für den Endnutzer bei der Zusammenstellung des Smart Homes unter Umständen nicht ideal. Das in Zigbee am häufigsten verwendete Mesh-Netzwerk verlinkt alle Kommunikationspunkte direkt miteinander und bietet so die schnellste und energieeffizienteste Übertragung – jedoch auch Angriffsfläche für Attacken auf das Smart-Home-System. Die bisher durch die lockere Zertifizierungspolitik der ZigBee Alliance unterbundene Einheitlichkeit soll mit der Einführung von ZigBee 3.0 Einzug halten. Geräte, die ältere ZigBee-Profile nutzen, werden mit 3.0 wohl nicht mehr kompatibel sein - eine Ausnahme stellen die Profile Light Link 1.0 und Home Automation 1.2 dar. Dieser Schritt war für ZigBee zwar unumgänglich, bedeutet jedoch für einige Hersteller möglicherweise eine Umstellung des Produktportfolios und könnte sich nachteilig auf die Marktverbreitung auswirken: Neben der etablierten Konkurrenz wie EnOcean drängen mit Brillo, IoTivity, HomeKit und AllSeen bereits von großen Unternehmen wie Apple oder Google unterstützte Standards auf den Markt, die keine solchen Nachteile aufweisen. Durch die Energy-Harvesting-Komponente „Green Power“ und die einheitliche Zertifizierung hat ZigBee in der neuen 3.0-Version durchaus Potenzial als Funkstandard für die Smart Homes der Zukunft.

homeandsmart.de Redaktion Sarah Mall

Studium der Kultur- & Medienwissenschaft, freiberufliche Tätigkeiten als Übersetzerin, Lektorin und Texterin. Neugierig und gerne auf Entdeckungsreise. Heute Redakteurin bei homeandsmart.de. Smart-Home-Technik als neues Terrain, das erforscht werden will. Mit positiver Energie und sonnengelbem Schal die Solaranlage der Redaktion.

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