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ZigBee ist ein offener Standard für drahtlose Verbindungen mit kurzer Reichweite zwischen Geräten. Es soll ergänzen Bluetooth und W-lan, dient es zur Übertragung von Sensordaten und zur (Prozess-)Steuerung (Monitoring & Control), wie beispielsweise der Gesundheit eines Patienten oder der Überprüfung der Innenraumsicherheit mittels Sensoren. Eine ZigBee-Verbindung ist sehr robust, aber die Bandbreite und die Übertragungsgeschwindigkeit ist im Vergleich zu Bluetooth, Wi-Fi und anderen drahtlosen Verbindungen niedrig. Zigbee ist für Anwendungen im Heimautomatisierung, um beispielsweise die Dimmer und die Ein-/Ausschalter der Beleuchtung in einem Haus oder Gebäude mit minimalen Ressourcen fernzusteuern.
Allgemeines
ZigBee ist hauptsächlich für industrielle Anwendungen konzipiert. ZigBee-Anwendungen reichen von Fernbedienungen bis hin zu Kommunikation zwischen Maschinen in einer Fabrik.
Praktische Beispiele für ZigBee:
- ZigBee Lampencontroller: Fernsteuerung des Lichts
- Tragbarer Panikknopf: Menschen mit einem schlechten Gesundheitszustand können mit einem einfachen Knopfdruck den Notdienst über die Telefonleitung benachrichtigen
- Tür- und Fenstersicherheit
- ZigBee Mailbox-Detektor: erkennt, ob Post im Briefkasten zugestellt wurde, nützlich gegen Diebstahl
- Computer mit ZigBee Human Interface-Geräten: Geräte mit Software, die das Haus automatisieren
ZigBee ist ein Produkt der ZigBee Alliance. Die ZigBee Alliance ist ein Zusammenschluss von Unternehmen, die Überwachungs- und Kontrollprodukte auf Basis von ZigBee anbieten. Diese Produkte haben bestimmte Eigenschaften: zuverlässig, geringer Stromverbrauch, drahtloses Netzwerk, gutes Preis-Leistungs-Verhältnis. Die Allianz hat eine Reihe bekannter Promoter wie Motorola, Philips, Samsung und Siemens.
Protokolle
ZigBee basiert auf dem IEEE 802.15.4-Standard. Die Norm definiert die körperlich und MAC-Schicht von dem OSI-Modell). Die Schichten oberhalb der Spezifikation von 802.15.4 werden als ZigBee-Standard bezeichnet. Es ist eine Erweiterung der 802.15.4-Spezifikation.
Das physische Schicht ist die unterste Schicht und besteht aus zwei physikalischen Schichten, die auf zwei getrennten Frequenzen arbeiten, nämlich 869/915 MHz und 2,4 GHz. Es benutzt Direktsequenz-Spreizspektrum (DSSS) zur Aufteilung der verschiedenen Frequenzbänder in verschiedene Kanäle: 2,402-2,480 GHz in 16 Kanälen, 915 MHz in 10 Kanälen und 868 MHz in einem Kanal. Das physische Schicht bietet zwei Dienste an: PHY-Datendienst und PHY-Verwaltungsdienst. Der PHY-Datendienst ermöglicht das Senden und Empfangen von PHY-Protokolldateneinheiten (PPDU) über den Funkkanal. Die Eigenschaften der physische Schicht sind die Aktivierung und Deaktivierung des Funkgeräts, Energieerkennung, Kanalauswahl, Link-Qualitätsanzeige (LQI), Senden und Empfangen von Paketen.
Das MAC-Schicht bietet Zugriff auf den Funkkanal unter Verwendung von Carrier Sense Multiple Access mit einem Kollisionsvermeidungsmechanismus (CSMA/CA). Die MAC-Schicht bietet Unterstützung für Beacon-Frame-Übertragung, Netzwerksynchronisation und zuverlässige Übertragung. Die MAC-Schicht stellt zwei Dienste bereit: MAC-Datendienst und MAC-Verwaltung. Der MAC-Datendienst ermöglicht das Senden und Empfangen von MAC-Protokolldateneinheiten (MPDU) über den PHY-Datendienst. Die Eigenschaften der MAC-Schicht sind Beacon-Management, Kanalzugriff, GTS-Verwaltung, quittierte Rahmenlieferung, Verband und Abgrenzung.
Das Netzwerkschicht sendet und empfängt Daten an und von der Anwendungsschicht. Das Netzwerkschicht ist verantwortlich für den Netzwerkstart, das Gewähren und Entziehen der Netzwerkmitgliedschaft, das Konfigurieren eines neuen Geräts, das Zuweisen von Adressen für Geräte, die in das Netzwerk eintreten, die Synchronisierung, das Hinzufügen von Sicherheit für ausgehende Frames und das Ablegen bei Empfang und Routing. Man kann ZigBee drei Arten verwenden Vernetzung Gebäude: Cluster, Stern und Baumstruktur.
Das Anwendungsschicht besteht aus drei Teilen: Application Support Sublayer (APS), ZigBee Device Object (ZDO) und Application Framework (AF). Die APS-Unterschicht ist für die Verwaltung von "Bindungs"-Tabellen verantwortlich, die notwendig sind, um zwei Geräte basierend auf ihren Diensten und Bedürfnissen auszurichten und Nachrichten zwischen diesen Geräten weiterzuleiten. Eine weitere Aufgabe von APS ist die Discovery, dh das Auffinden anderer Geräte in der Nähe eines Geräts. ZDO ist dafür verantwortlich, die Rolle eines Geräts im Netzwerk zu definieren und eine sichere Beziehung zwischen den Netzwerkgeräten herzustellen.
ZigBee im Vergleich zu Bluetooth, Wi-Fi und Z-Wave
Die Übertragungsgeschwindigkeit von ZigBee ist deutlich niedriger als W-lan und Bluetooth, weil es mit dem Ziel entwickelt wurde, einen geringen Stromverbrauch zu haben. Ein ZigBee-Netzwerk kann aus vielen Geräten bestehen, dies erhöht auch die Reichweite des Netzwerks, da sich die Geräte bis zum Koordinator gegenseitig Informationen weitergeben (Vermaschtes Netzwerk).
| ZigBee | Bluetooth | W-lan | Z-Welle | |
|---|---|---|---|---|
| Standard | IEEE 802.15.4 | IEEE 802.15.1 | IEEE 802.11 a, b, g, n | |
| Frequenzband | 2,4 GHz, 868 / 915 MHz | 2,4 GHz | 2,4 GHz, 5 GHz | 868 / 915MHz |
| Protokollstack | ~ 20 kbit | ~ 1 Mbit | ~ 1 Mbit | |
| Datenrate |
| 1-3 Mbit/s | 11 - 105 Mbit/s | |
| Branchengruppe | ZigBee-Allianz | Bluetooth-SIG | Wi-Fi-Allianz | ZWave-Allianz |
| Netzwerktopologie | Punkt zu Punkt, Stern, Baumstruktur, Netz | Star | Punkt zu Punkt, Ster | Gittergewebe |
| Anzahl der Kanäle |
| 79 | 11-14 | |
| Reichweite | 10-70m | 10m | 10-100m | 30m |
| Anzahl der Systeme | 65.536 (Theoretisch) | 8 | 32 | 232 |
| Sicherheit | 128 AES | ? | RC4, AES, TKIP |
Netzwerkkomponenten
Ein ZigBee-Netzwerk wird normalerweise zu einem Heimnetzwerk (HAN) oder eine PAN (Persönliches Netzwerk) und besteht aus einem Koordinator, einem oder mehreren Endgeräten und einem oder mehreren Routern.
Es gibt drei verschiedene ZigBee-Geräte:
- ZigBee-Koordinator (ZC): Der Koordinator ist der Ausgangspunkt des Netzwerkzweigs. Es gibt einen ZigBee-Koordinator pro Netzwerk. Er ist für das interne Funktionieren des Netzwerks verantwortlich. Der Koordinator baut ein Netzwerk mit einer bestimmten PAN-Kennung auf.
- ZigBee Router (ZR): Der Router sucht nach einem Netzwerk, dem er beitreten kann. Der Router kann auch zur Koordination im Netzwerk verwendet werden.
- ZigBee Endgerät (ZED): Empfängt und sendet Nachrichten auf dem Netzwerkschicht.