Zigbee

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ZigBee ist ein offener Funknetz-Standard. PHY- und MAC-Layer basieren auf IEEE 802.15.4, der es ermöglicht, Haushaltsgeräte, Sensoren, uvm. auf Kurzstrecken (10 - 100 m) zu verbinden. Der Standard ist eine Entwicklung der ZigBee-Allianz, die Ende 2002 gegründet wurde. Sie ist ein Zusammenschluss von derzeit mehr als 230 Unternehmen, welche die weltweite Entwicklung dieser Technologie vorantreiben. Erste ZigBee-Produkte kamen Anfang 2005 auf den Markt.

Einleitung

ZigBee setzt auf IEEE 802.15.4 auf

ZigBee stellt einen Protokollstapel (Stack) dar, der nach dem OSI-Modell auf der im Dezember 2004 eingeführten Norm (Standard) IEEE 802.15.4 spezifizierten OSI-Subschichten PHY und MAC aufsetzt.

Es ist für den Einsatz wartungsfreier Funkschalter und Funksensoren mit beschränkter Energieversorgung (z. B. durch Batterie) in schwer zugänglichen Bereichen vorgesehen, wo der Austausch von Batterien nur mit großem Aufwand möglich ist. Die genormten Funktionen schließen auch eine grobe Pegelmessung ein (RSSI), die den Netzaufbau unterstützt.

Der ZigBee- und IEEE-802.15.4-Standard stellen dem Entwickler drei verschiedene Gerätearten (ZigBee Devices) zur Verfügung. Mit diesen Geräten wird das ZigBee Personal Area Network (PAN) aufgebaut. Man unterscheidet drei Rollen, die ein ZigBee-Gerät erfüllen kann:

• End Device: Einfache Geräte wie zum Beispiel Lichtschalter implementieren nur einen Teil der ZigBee-Protokolle und werden daher auch RFD (Reduced Function Devices) genannt. Sie melden sich an einem Router ihrer Wahl an und bilden so mit ihm ein Netzwerk in Stern-Topologie.
• Router: FFD-Geräte (Full Function Devices) können auch als Router agieren, melden sich an einem existierenden Router an und bilden so ein Netzwerk in Baum-Topologie, durch Ausnutzung von Abkürzungen mitunter auch ein vermaschtes Netzwerk
• Coordinator: Genau ein Router innerhalb eines PAN übernimmt zusätzlich die Rolle des Coordinators. Er gibt grundlegende Parameter des PAN vor und verwaltet das Netz.

Adressierungsmodi

Es ist sowohl direkte als auch indirekte Adressierung möglich.

Bei der direkten Adressierung wird Node und Endpoint der Gegenseite angegeben. Ein Node (= ein ZigBee-Modul) kann mehrere Endpoints bedienen. (Ähnlich wie jeder Rechner im Internet auf mehreren Ports TCP-Verbindungen betreiben kann). Allerdings ist keine feste Zuordnung zwischen Dienst und Endpoint vorgesehen. (Also nicht: Thermostate horchen üblicherweise auf Endpoint 26). Jeder Node stellt maximal 255 Endpoints zur Verfügung, von denen viele für spezielle Aufgaben reserviert sind. Für Anwendungslogik sind die Endpoints 1 bis 240 vorgesehen. Endpoint 255 ist für Broadcasts an alle Endpoints reserviert. Die Endpoints 241-254 sind für spätere spezielle Aufgaben reserviert, Endpoint 0 für Management-Aufgaben. Dort können zum Beispiel andere Module abfragen, auf welchen Endpoints zum Beispiel Thermostate anzusprechen sind.

Bei der indirekten Adressierung vergibt der Coordinator sogenannte Short-Adressen, mit einer Länge von 16-bit. Beim Verbinden eines Nodes mit einem Netzwerk meldet er sich beim Coordinator an und bekommt eine Adresse zugewiesen. Der Coordinator legt die Short-Adresse mit der dazugehörigen MAC-Adresse in einer Tabelle in seinem Speicher ab. Möchte ein Node mit einem anderen kommunizieren, wird zunächst eine Anfrage an den Coordinator gesendet, der sie an den jeweiligen Empfängernode weiterleitet. Diese Information über das logische Verbinden von Nodes wird Binding genannt. Ein Schalter kann auf diese Weise z. B. mehrere Lampen steuern. Der Coordinator legt für jede logische Verbindung in der Bindingtabelle einen Eintrag an. So wird das Verwalten des Netzwerks erheblich vereinfacht und flexibilisiert. Funktionen neuer Geräte können durch einmaliges Binding schnell hinzugefügt oder vorhandene Geräte ersetzt werden.

Y2K

Die Standard-Datentypen für Zeitangaben in ZigBee-Paketen sind für absolute Zeitangaben sekundengenau und umfasst die Jahre 2000 bis 2187. Zeiträume werden auf ms genau wiedergegeben (0 ms bis 49 Tage).

Anwendungsgebiete

• Industrie- und Automatisierungstechnik
  • Anlagensteuerung
  • Güterüberwachung
  • Übertragen von Sensordaten
• Medizintechnik
  • Patientendatenübertragung
• Heim- und Gebäudeautomatisierung
  • Unterhaltungselektronik
  • Computer-Peripherie
  • Funkmelder

Risiken bei ZigBee

Da im ZigBee-Standard 2003 nur ein Coordinator möglich ist, kann bei Verwendung indirekter Adressierung der Ausfall des Coordinators das gesamte Netz gefährden, da dieser alle Routing- und Deviceinformationen in einem flüchtigen Speicher hält. Das ZigBee-Netz ist hierarchisch strukturiert und hat dadurch einen single Point of Failure (sPoF). Allerdings können Router so konfiguriert sein, dass sie im Fehlerfall die Aufgabe des Coordinators übernehmen.

Praxis-Tests zeigten im 2,45-GHz-Band größere Probleme bei der Koexistenz von IEEE 802.15.4 mit WLAN und Bluetooth. Bei Bluetooth erweist sich das seit der Version 1.2 eingeführte adaptive Frequenzhopping, welches WLAN ausweicht, aber dafür die verbleibenden Frequenzen häufiger belegt, als Störer. WLAN macht durch den stark gewachsenen Datenverkehr Probleme.^[1] Die Aussagekraft dieser Ergebnisse wird von der ZigBee Alliance angezweifelt und durch eine Verträglichkeitsstudie ein Gegenbeweis angetreten.^[2]

Einzelnachweise

1. ↑ Heft 11/2006 der funkschau
2. ↑ zigbee.org ZigBee and Wireless Radio Frequency Coexistence

Siehe auch

• IrDA
• Zeroconf bzw. Bonjour (Apple)
• Near Field Communication (NFC)
• Wireless Personal Area Network (WPAN)
• Wireless LAN (WLAN)
• Bluetooth
• Wibree
• Z-Wave, einfaches Mesh-Protokoll, speziell für die Heimautomatisierung

Weblinks

• http://www.zigbee.org/
• Zigbee a wireless mesh network
• Tutorial und Forum zu ZigBee Umfasst Informationen über Technologie, Architektur, Vorrichtungen, Vergleichen und Anwendungen. Betriebsmittel schließen Forum, Nachrichten und Bücher ZigBee mit ein.
• http://www.ieee.org
• ZigBee-Tutorial (englisch)
• www.microchip.com Kostenloser ZigBee-Stack von der Firma Microchip
• www.radiopulse.co.kr Kostenloser ZigBee-Stack von der Firma Radiopulse mit SoC und Modulen
• ZigBee Library für das Microsoft .NET Framework