Zigbee erklärt: Was es ist und wie es funktioniert

AUTOR: Carlos Paras
AKTUALISIERT: November 30, 2021

Zigbee ist eine der vielen Möglichkeiten, Smart-Home-Geräte über ein drahtloses Netzwerk zu verbinden. In diesem Artikel erkläre ich, wie Zigbee funktioniert und warum es in der Welt der Heimautomatisierung nützlich ist.

Was ist Zigbee? Zigbee ist ein drahtloses Kommunikationsprotokoll mit geringem Stromverbrauch, das auf dem IEEE 802.15.4-Standard für Low-Rate Personal Area Networks (LR-WPAN) basiert. Es gilt als energieeffizientere und kostengünstigere Alternative zu herkömmlichen Bluetooth- und Wi-Fi-Technologien.

Die Zigbee-Spezifikation gibt es seit über 15 Jahren. Es wird am häufigsten in Häusern und Gebäuden verwendet, um Automatisierungs- und Sicherheitsgeräte drahtlos mit dem Internet zu verbinden.

Geräte wie intelligente Thermostate, intelligente Lichtschalter und intelligente Schlösser können alle in einem drahtlosen Netzwerk verbunden werden, das über eine Smartphone- oder Computerschnittstelle verwaltet werden kann.

Zigbee wird auch in anderen Anwendungen wie Gesundheitswesen, intelligenter Energie, Fernbedienungen und Einzelhandelsdienstleistungen verwendet.

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Das Zigbee Mesh Netzwerk

Was Zigbee von anderen Kommunikationsprotokollen unterscheidet, ist, dass die Datenübertragung nicht nur zwischen zwei leistungsstarken Geräten erfolgt. Stattdessen arbeiten Zigbee-Geräte als Mesh-Netzwerk, das seinen Benutzern mehr Zuverlässigkeit bieten kann.

Was ist ein Mesh-Netzwerk? Ein Mesh-Netzwerk ist eine lokale Netzwerktopologie, bei der die Geräte in seiner Infrastruktur miteinander verbunden sind.

Alle Geräte in einem Mesh-Netzwerk arbeiten zusammen, um Daten effizient zu oder von anderen Geräten zu übertragen.

Die drei häufigsten Beispiele für Mesh-Netzwerke sind LAN (Local Area Network), VLAN (Virtual LAN) oder WLAN (Wireless LAN). Es wird eine dezentrale Verbindung verwendet, unabhängig davon, ob es sich um eine Teilnetztopologie oder eine Vollnetztopologie handelt.

In einer partiellen Mesh-Topologie sind einige Geräte mit jedem Gerät im Netzwerk verbunden, während andere Geräte nur mit den Geräten verbunden sind, mit denen sie Informationen austauschen.

Bei einer Full-Mesh-Topologie wie der von Zigbee verwendeten ist jedes Gerät mit jedem anderen Gerät im Netzwerk verbunden.

In einem Zigbee-Netzwerk übertragen Geräte Signale innerhalb einer kurzen Entfernung (10 bis 100 Meter), aber da Zigbee ein Mesh-Netzwerk verwendet, fungiert jedes Gerät als Repeater und kann die Kommunikationsreichweite erweitern.

Darüber hinaus sind Mesh-Netzwerke „selbstheilend“, was bedeutet, wenn ein Gerät ein Signal nicht übertragen und liefern kann, kann ein anderes Gerät im Netzwerk das Signal aufnehmen und weiter an das Zielgerät senden.

Zigbee Interoperabilität

Alle Zigbee-fähigen geräte sind interoperabel. Dies bedeutet, dass selbst wenn Geräte von verschiedenen Herstellern hergestellt werden, eine Interkonnektivität zwischen ihnen erreicht werden kann.

Angenommen, Sie haben einen intelligenten Lichtschalter eines Herstellers und eine intelligente Glühbirne eines anderen Herstellers. Wenn beide Geräte Zigbee-fähig sind, können sie miteinander kommunizieren und der Lichtschalter kann die Glühbirne ein- oder ausschalten.

Wenn andererseits nur eines der Geräte Zigbee-fähig ist, können die Geräte nicht miteinander kommunizieren oder arbeiten.

Wie funktioniert Zigbee?

Bild mit freundlicher Genehmigung von: Philips

Smart-Home-Geräte sind mit winzigen Funksendern ausgestattet, die eine drahtlose Verbindung ermöglichen. Diese Sender senden und empfangen Daten über ein persönliches Netzwerk, auf das nur Sie Zugriff haben.

Zigbee verwendet drei Gerätetypen, um Netzwerkkonnektivität und Kommunikation zu ermöglichen: den Zigbee-Koordinator (ZC), den Zigbee-Router (ZR) und das Zigbee-Endgerät (ZED).

Zigbee-Koordinator

Der Zigbee-Koordinator stellt die Basis (oder Wurzel) des Netzwerks her. Jedes Netzwerk muss über einen (und nur einen) Zigbee-Koordinator verfügen, der Netzwerkfunktionen verwaltet und Netzwerkinformationen speichert.

Der Koordinator richtet das Netzwerk ein, indem er den Kanal für die Netzwerkkommunikation auswählt.

Der Koordinator dient auch als Trust Center für das Netzwerk, indem er Sicherheitsschlüssel verwaltet und verteilt. Dieser Prozess ermöglicht es anderen Geräten, dem Netzwerk beizutreten oder es zu verlassen. Ein Zigbee-Koordinator muss ständig mit Strom versorgt werden und kann nicht schlafen.

Zigbee Router

Die Zigbee Router ermöglicht anwendung funktionen zu laufen. Es dient als Zwischenrouter zwischen anderen Geräten, die Informationen austauschen oder austauschen. Es kann Informationen innerhalb seines eigenen Netzwerks oder zwischen anderen vorhandenen Netzwerken senden, empfangen und weiterleiten.

Es ist auch in der Lage, anderen Routern und Endgeräten die Erlaubnis zu erteilen, dem Netzwerk beizutreten. Ein Zigbee-Router kann nicht schlafen und muss ständig mit Strom versorgt werden.

Zigbee-Endgerät

Das Zigbee-Endgerät kann nur mit einem Zigbee-Router oder dem Zigbee-Koordinator kommunizieren. Es ist der grundlegendste Gerätetyp in einem Zigbee-Netzwerk. Es kann nur Informationen senden oder empfangen und ist normalerweise batteriebetrieben.

Ein Endgerät kann keine Informationen an andere Geräte weiterleiten und benötigt daher nicht viel Speicher. Es kann auch nicht zulassen, dass andere Geräte dem Netzwerk beitreten.

Zigbee Endgeräte sind nicht verwendet häufig, so dass sie zu schlafen für eine lange zeit, die verlängert batterie lebensdauer.

Zigbee Funkbänder

Bild mit freundlicher Genehmigung von: Yale

Zigbee arbeitet auf ISM-Radiofrequenzbändern. Das Akronym ISM steht für „industrial, scientific, and medical.“ Jede Person oder Firma kann Radiofrequenzenergie in diesen Bändern für Zwecke im Zusammenhang mit industriellen, wissenschaftlichen oder medizinischen Aktivitäten nutzen.

ISM-Bänder sind nicht für Telekommunikationszwecke vorgesehen. Zum größten Teil werden ISM-Funkbänder für drahtlose Kommunikationssysteme mit geringem Stromverbrauch wie Zigbee, Bluetooth, Wi-Fi und RFID (Radio Frequency Identification) verwendet.

ISM-Funkbänder werden auch für die Hochfrequenzheizung (wie Mikrowellenherde Lebensmittel kochen) und medizinische Diathermiemaschinen verwendet.

Die Zigbee-Kommunikation hat eine sehr geringe Latenz, was bedeutet, dass die Datenübertragung schnell und ohne große Verzögerung erfolgt. In jedes Zigbee-fähige Gerät ist ein spezieller Zigbee-Chip integriert.

Jeder Chip enthält Mikrocontroller und Funkgeräte, mit denen die Geräte miteinander kommunizieren können.

Zigbee arbeitet an den meisten Standorten weltweit im 2,4-GHz-ISM-Band. Es gibt jedoch auch andere Orte, an denen Zigbee mit niedrigeren Frequenzen arbeiten kann.

In China können Sie beispielsweise das 784-MHz-Band für Zigbee und in Europa das 868-MHz-Band verwenden. In Australien und den USA können Sie das 915-MHz-Band verwenden.

Während Zigbee in der Lage ist, auf mehreren Frequenzbändern zu arbeiten, wird es normalerweise im 2,4-GHz-Band verwendet.

Das 2,4-GHz-Band kann Datenübertragungsraten von bis zu 250 Kilobyte pro Sekunde aufweisen. Das 868-MHz-Band hat eine Datenrate von 20 Kilobyte pro Sekunde. Und das 915-MHz-Band hat eine Datenrate von 40 Kilobyte pro Sekunde.

Zigbee Geschichte und die Zigbee Allianz

Die 1990er Jahre waren ein wichtiges Jahrzehnt für die Innovation der drahtlosen Kommunikationstechnologie. Bluetooth entstand 1994 und Wi-Fi 1997, während Zigbee 1998 entwickelt wurde.

Im Jahr 2002 schlossen sich mehrere technologiebasierte Unternehmen zusammen, um die Zigbee Alliance. Ihr Zweck ist es, den Zigbee-Standard zu verwalten, seine Verwendung zu fördern und Anwendungsprofile für andere Unternehmen zur Verwendung in ihren Technologieprodukten zu verteilen.

Diese Profile ermöglichen es verschiedenen Herstellern, Zigbee-fähige Produkte herzustellen, die zusammenarbeiten und Informationen mit anderen Zigbee-fähigen Produkten austauschen können.

Es gibt drei Mitgliedschaftsstufen der Zigbee Alliance: die Adopter-Ebene, die Teilnehmer-Ebene und die Promotor-Ebene.

Die Adopter-Ebene gibt Mitgliedern das Recht, auf abgeschlossene Zigbee-Standards und -Spezifikationen zuzugreifen. Zu den Adopter-Mitgliedern gehören ARC Technology Company Limited, Emporia Energy, Verizon, SmartPlus Inc., AXIS Labs Inc., Catapult Technologies und Carrier.

Die Teilnehmerebene gibt Mitgliedern das Recht, zukünftige Zigbee-Entwicklungen zu wählen und zu beeinflussen. Sie haben auch Anspruch auf frühen Zugang zu Produktentwicklungsstandards und -spezifikationen.

Zu den teilnehmenden Mitgliedern gehören V-Mark Universal Electronics, Toshiba, Telink Semiconductor, Data Communications Company, Samsung, Bosch, Lowe’s, IKEA und Spectrum.

Die Promoter-Ebene hat die endgültige Genehmigung für alle Standards. Sie sind Teil des Board of Directors von Zigbee Allianzund sie geben jeder Arbeitsgruppe automatische Stimmrechte.

Zu den größten Promotor-Mitgliedern gehören Amazon, Comcast, Huawei, MMB Networks, NXP, Legrand und Texas Instruments.

Seit seiner Gründung hat sich die Zigbee Alliance auf über 400 verschiedene Organisationen in 37 Ländern auf der ganzen Welt ausgeweitet.

Die Zigbee-Standardisierung fand 2003 statt, und die Ratifizierung der IEEE 802.15.4-Spezifikation fand 2004 statt. Im folgenden Jahr wurde die öffentliche Verfügbarkeit der Zigbee-Spezifikation am 13.Juni 2005 bekannt gegeben.

Zigbee Sicherheit

Bild mit freundlicher Genehmigung von: SmartThings

Zigbee verwendet die AES 128-Bit-Verschlüsselung und basiert auf dem in IEEE 802.15 definierten Sicherheitsmodell.4 standard. Zigbee-Netzwerke und -Geräte verwenden zwei Arten von Sicherheitsschlüsseln für die Kommunikation: einen Netzwerkschlüssel und einen Verbindungsschlüssel.

Netzwerkschlüssel

Ein Netzwerkschlüssel wird von allen Geräten im Netzwerk gemeinsam genutzt und verwendet, um Nachrichten sicher zu übertragen. Es wird vom Trust Center (das meistens der Koordinator im Netzwerk ist) generiert und an alle neuen Geräte gesendet, die dem Netzwerk beitreten.

Verbindungsschlüssel

Ein Netzwerkschlüssel wird niemals unverschlüsselt an Geräte gesendet. Das Trust Center ist mit einem Verbindungsschlüssel vorkonfiguriert, der zum Schutz des Netzwerkschlüssels verwendet wird, wenn er an verbundene Geräte übertragen wird.

Verbindungsschlüssel werden auch für die verschlüsselte Kommunikation zwischen zwei Geräten verwendet. Diese eindeutigen Verbindungsschlüssel werden nur von den beiden Geräten gemeinsam genutzt und vom Trust Center generiert und bereitgestellt.

Zigbee-Sicherheitsmodelle

Zigbee bietet zwei Arten von Sicherheitsmodellen: verteilt und zentralisiert. Diese beiden Modelle unterscheiden sich in der Art und Weise, wie neue Geräte dem Netzwerk beitreten können und wie sie die Kommunikation im gesamten Netzwerk sichern.

Verteiltes Sicherheitsmodell

Ein verteiltes Sicherheitsmodell ist ein einfacher, aber weniger sicherer Systemtyp. Es besteht aus zwei Gerätetypen, Routern und Endgeräten. Wenn ein Router eingeschaltet ist, kann er ein verteiltes Sicherheitsnetzwerk bilden, wenn er kein vorhandenes Netzwerk erkennt.

Bei diesem Netzwerktyp kann jeder Router anderen Routern und Endgeräten durch Ausgabe des Netzwerkschlüssels den Beitritt gestatten. Alle Geräte in einem verteilten Sicherheitsnetzwerk verwenden denselben Netzwerkschlüssel zum Verschlüsseln von Nachrichten.

Um dem Netzwerk beizutreten, müssen Router und Geräte über einen vorkonfigurierten Verbindungsschlüssel verfügen. Dieser Verbindungsschlüssel wird verwendet, um den Netzwerkschlüssel zu verschlüsseln, wenn er an neu verbundene Geräte übergeben wird.

Zentralisiertes Sicherheitsmodell

Ein zentralisiertes Sicherheitsmodell bietet ein höheres Sicherheitsniveau, wodurch das System etwas komplizierter wird. Neben Routern und Endgeräten umfasst dieses Modell einen dritten Gerätetyp: den Netzwerkkoordinator oder das Trust Center.

Das Trust Center bildet ein zentralisiertes Sicherheitsnetzwerk, indem es Geräte konfiguriert und authentifiziert, die dem Netzwerk beitreten. Es generiert den Netzwerkschlüssel, den jedes Gerät zum Verschlüsseln von Nachrichten im gesamten Netzwerk verwendet. Dieser Netzwerkschlüssel kann regelmäßig aktualisiert werden (entweder automatisch oder bei Bedarf), um das Hacking-Risiko zu verringern.

Das Trust Center verteilt auch einen eindeutigen Trust Center-Linkschlüssel an Geräte, wenn diese dem Netzwerk beitreten. Dieser Linkschlüssel wird von Geräten verwendet, um sicher mit dem Trust Center zu kommunizieren.

Zigbee Vorteile

Zusammenfassend bietet Zigbee eine kostengünstige, stromsparende, äußerst zuverlässige und sichere Möglichkeit, Geräte drahtlos über das Internet zu verbinden. Mit Hunderten von verfügbaren Zigbee Smart Home-Geräten ist es kein Wunder, warum Zigbee so beliebt und weit verbreitet ist.

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