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Zigbee vs. Bluetooth: Die Wahl des richtigen Protokolls für Ihre IoT-Anwendung

Sowohl das Zigbee®- als auch das Bluetooth®-Funkprotokoll werden häufig für die lokale Kommunikation in Internet-of-Things (IoT)-Anwendungen verwendet, und es gibt einige Kompromisse, die bei der Auswahl des richtigen Protokolls für Ihre Anwendung zu berücksichtigen sind. Jedes Protokoll verfügt über einzigartige Stärken, die bei der Entwicklung eines neuen Netzwerks den Ausschlag geben, welche Lösung implementiert werden sollte.

In bestimmten Situationen wird ein Protokoll besser geeignet sein als das andere, obwohl manchmal die richtige Lösung darin besteht, beide zusammen zu implementieren, um die Vorteile ihrer kombinierten Stärken zu nutzen, wie wir in diesem Artikel besprechen werden.

Um diese IoT-Protokolloptionen besser zu verstehen, lassen Sie uns einen Blick auf die Vorteile und Einschränkungen von Zigbee werfen, gefolgt von denselben für drei verschiedene "Geschmacksrichtungen" von Bluetooth: Classic, BLE und BT Mesh. Dies wird helfen, die Kompromisse zu erklären und einige Anwendungsfälle für jedes zu zeigen, damit Sie das optimale Protokoll für Ihre IoT-Anwendung wählen können - sei es eine Smart City, industrielles IoT, digitale Beschilderung oder ein anderer Anwendungsfall für vernetzte Technologie.

 

Zigbee-Technologie in IoT-Anwendungen

Zigbee ist ein offener globaler Standard für kostengünstige drahtlose Mesh-Netzwerke mit niedrigem Stromverbrauch und geringer Bandbreite, der von einem Konsortium von Unternehmen in der Zigbee Alliance entwickelt wurde. Das Zigbee-Protokoll ermöglicht die Übertragung von Daten über große Entfernungen, indem Informationen durch ein Mesh-Netzwerk von Zwischenknoten geleitet werden, um entfernte Knoten zu erreichen. Nachrichten "hüpfen" auf dem Weg zu ihrem Ziel durch zwischengeschaltete Funkknoten. Der 2,4-GHz-Frequenzbereich von Zigbee kann weltweit und lizenzfrei eingesetzt werden. Derzeit sind etwa 300 Millionen Zigbee-Knoten im Einsatz.

Vorteile des Zigbee-Protokolls

Mit Zigbee können beträchtliche Mesh-Netzwerke erstellt werden, die viel größer sind als die Reichweite eines einzelnen Funkgeräts. Das Zigbee-Mesh konfiguriert sich automatisch (Selbstbildung) und wird sich dynamisch neu konfigurieren, um sich selbst zu reparieren, wenn Knoten deaktiviert oder entfernt werden (Selbstheilung). Als interoperabler Standard können Geräte von vielen verschiedenen Herstellern nahtlos miteinander kommunizieren, was zur breiten Akzeptanz von Zigbee sowohl in der Heimautomatisierung als auch im industriellen IoT beiträgt. Die Kosten sind moderat, mit vielen OEM-Geräteoptionen auf dem offenen Markt.

Die Dokumentation ist weithin verfügbar und deckt viele verschiedene Anwendungsfälle ab. Routing-Tabellen, Adressauflösung, Sicherheit, Wiederholungsversuche und Bestätigungen sind direkt in das Protokoll integriert, was erhebliche Entwicklungszeit spart. Zigbee unterstützt mehrere Netzwerktopologien wie Punkt-zu-Punkt-, Punkt-zu-Mehrpunkt-, Stern- und Maschennetzwerke und ermöglicht über 65.000 Knoten pro Netzwerk und bis zu 3,2 km (zwei Meilen) ideale Sichtweite im Freien.

Beschränkungen des Zigbee-Protokolls

Wie die meisten Mesh-Netzwerke müssen Zigbee-Knoten, die Nachrichten weiterleiten oder "hüpfen", jederzeit eingeschaltet sein. Endgeräte, die in den Ruhezustand gehen können, um die Batterielebensdauer zu verlängern, können am Mesh teilnehmen, es aber nicht erweitern.

Hinweis: Siehe DigiMesh®, die proprietäre Mesh-Netzwerktechnologie von Digi, für Anwendungen, die den Ruhezustand des gesamten Mesh-Netzwerks erfordern. DigiMesh bietet eine Alternative zum Zigbee-Mesh-Netzwerk mit einigen Funktionen, die Anwendungsanforderungen wie den netzwerkweiten Ruhezustand unterstützen. Digi bietet sowohl Zigbee- als auch DigiMesh-Lösungen an, um die gesamte Bandbreite der Anforderungen von Mesh-Anwendungen zu unterstützen.

Zigbee verwendet keine IP-Adressierung. Daher müssen Gateways installiert werden, um mit dem Internet und Cloud-Diensten zu kommunizieren. Da die meisten Telefone, Tablets und Computer nicht über Zigbee verfügen, werden Gateways benötigt, um auch mit ihnen zu kommunizieren. Die Bereitstellung muss bewusst erfolgen, um sicherzustellen, dass die Knoten dem richtigen Netzwerk beitreten und mit dem richtigen Gateway kommunizieren. Die Latenz ist bei Mesh größer als bei einfacheren Punkt-zu-Punkt-Protokollen, was jedoch im Zusammenhang mit der weitaus größeren effektiven Reichweite und Zuverlässigkeit des Mesh betrachtet werden muss.

Zigbee-Anwendungsfälle in Smart Cities, Landwirtschaft und mehr

Die Heimautomatisierung war die Geburtsstätte von Zigbee, aber kommerzielle und industrielle Anwendungsfälle sind ebenso prominent geworden, einschließlich intelligenter Energie, Beleuchtung, Systeme für medizinische Geräte, Fabrikautomatisierung, städtische Straßenbeleuchtung und Überwachungssysteme für den Einzelhandel.

Intelligente städtische Straßenbeleuchtung ist ein hervorragendes Beispiel für einen wachsenden Trend bei Mesh-Netzwerken, für den Zigbee gut geeignet ist, da es wichtige Funktionen wie die Fernverwaltung eines großen Netzwerks von Geräten ermöglicht. Siehe den CIMCON-Kundenbericht auf Digi.com für ein Beispiel dieses Anwendungsfalls.

Auch landwirtschaftliche Anwendungen nutzen die Vorteile der Mesh-Netzwerktechnologie, zum Beispiel zur Verwaltung von Geräten, die intelligente Bewässerungssysteme verbinden

Bluetooth-Technologie in IoT-Anwendungen

Bluetooth ist ein drahtloses Netzwerkprotokoll für den persönlichen Bereich, das für die Kommunikation über kurze Entfernungen entwickelt wurde. Es wurde ursprünglich entwickelt, um die Verkabelung zu ersetzen, die benötigt wird, um Geräte wie Computer und Mobiltelefone mit ihren Peripheriegeräten wie Kopfhörer, Tastaturen und Mäuse zu verbinden. Wie Wi-Fi und Zigbee arbeitet es im 2,4-GHz-Frequenzbereich, der weltweit lizenzfrei ist.

Der Bluetooth-Standard wird von der Bluetooth Special Interest Group (SIG) entwickelt und verwaltet, die die Interoperabilität zwischen den Geräteherstellern koordiniert. Das Bluetooth-Branding umfasst mehrere recht unterschiedliche Protokolle. Obwohl es eine gewisse Interoperabilität zwischen diesen Protokollen gibt, ist es am einfachsten, sie getrennt voneinander zu betrachten, daher werden wir Bluetooth abdecken: Classic, Bluetooth Low Energy und Bluetooth Mesh in ihren eigenen Abschnitten. Jedes Jahr werden etwa 4 Milliarden Bluetooth-Geräte ausgeliefert.

Bluetooth "Klassisch"

Bluetooth Classic wurde für die Übertragung von Daten mit hohem Durchsatz von bis zu 2,1 Mbit/s über kurze Entfernungen entwickelt, bei denen eine lange Akkulaufzeit keine große Rolle spielt. Es ist eine hervorragende Lösung für Audio- und Videogeräte, die eine hohe Bandbreite benötigen und die täglich aufgeladen werden können. Zu den klassischen Geräten gehören mobile Headsets, Kopfhörer, Tastaturen, Mäuse, Drucker und andere Peripheriegeräte, die typischerweise an einen Computer, ein Fahrzeug-Entertainment-System oder ein Mobiltelefon angeschlossen werden. Bluetooth verwendet eine Master/Client-Architektur. Ein Master kann mit bis zu sieben Client-Geräten in einem kleinen Personal-Area-Netzwerk kommunizieren.

Vorteile von Bluetooth Classic

Wenn Ihr Projekt viele Daten senden oder empfangen muss, leistet der hohe Durchsatz von Bluetooth Classic gute Dienste. Es gibt viele Geräte, die Classic implementieren. Für Audio- und Video-Feeds ist es einfach, sich mit einem Telefon, Tablet oder Laptop zu koppeln, um mit dem Empfang von Informationen zu beginnen, und auch serielle Streams können unterstützt werden. Classic ist ein sehr ausgereiftes Protokoll und die Dokumentation ist in Büchern, online und natürlich in der offiziellen Standarddokumentation weithin verfügbar.

Beschränkungen von Bluetooth Classic

Die Implementierung von Bluetooth Classic kann komplex sein, da ein Pairing zusammen mit einer Benutzeroberfläche für die Verwaltung dieses Prozesses erforderlich ist. Seine hohe Bandbreite bedeutet auch, dass es relativ stromhungrig ist. Das Protokoll ist für Geräte konzipiert, die leicht täglich oder vielleicht wöchentlich aufgeladen werden können, wodurch es für viele IoT-Anwendungen ungeeignet ist. Netzwerke sind in ihrer Größe recht begrenzt, da das Protokoll für den Austausch von Peripheriekabeln mit kurzer Reichweite und nicht für skalierbare Sensornetzwerke mit Hunderten von Geräten entwickelt wurde.

Bluetooth Classic Anwendungsfälle

Die Classic-Version von Bluetooth erfreut sich großer Beliebtheit bei Audio-Headsets, der Kopplung von Smartphones mit Fahrzeugen und im Home Entertainment. Die hohe Bandbreite und die Akzeptanz des Industriestandards werden den Einsatz in diesen Anwendungsbereichen noch einige Zeit vorantreiben. Für die meisten IoT-Anwendungen werden die nächsten beiden Versionen von Bluetooth wahrscheinlich besser geeignet sein.

Bluetooth Low Energy (BLE)

Bluetooth Low Energy unterstützt Verbindungen mit geringer Bandbreite über kurze Entfernungen bei hervorragender Energieverwaltung. Es wird in Situationen eingesetzt, in denen ein Personal-Area-Network keine großen Datenströme verarbeiten muss und in denen die Batterien Monate oder sogar Jahre halten müssen. Zu den BLE-Geräten gehören Ortungsbaken, digitale Waagen, Temperaturmonitore, Beleuchtungssteuerungen, Smartwatches, Kochtöpfe und tausende andere batteriebetriebene Anwendungsfälle mit geringer Bandbreite.

BLE implementiert eine Client/Server-Architektur, die es der Hardware erlaubt, nur die benötigten Kommunikationsfunktionen zu implementieren, was Geld, Batterie und Bandbreite spart. BLE-Netzwerke können theoretisch eine riesige Anzahl von Geräten enthalten, allerdings begrenzen Bandbreite, Platzbedarf und vor allem die Reichweite die Größe eines einzelnen BLE-Personal-Area-Netzwerks auf wenige hundert Knoten.

Vorteile von BLE

Der Name sagt es schon: Bluetooth Low Energy verbraucht nicht viel Strom. Geräte können über längere Zeiträume mit Knopfzellen betrieben werden, was es zum Bluetooth-Protokoll der Wahl für datenarme Geräte macht, die monatelang unbeaufsichtigt laufen müssen. Das einfachere Protokoll bringt weitere Vorteile mit sich. Weniger komplexe Hardware bedeutet, dass BLE-Chips und -Geräte recht kostengünstig sein können.

Durch das Client-Server-Modell ist die Kommunikation einfacher zu implementieren, was die Konstruktions- und Entwicklungszeit senkt. Es bedeutet auch, dass Geräte nicht gepaart werden müssen, um zu kommunizieren, sondern Daten asynchron und sofort lesen und senden können, wann immer sie benötigt werden. Das Protokoll ist weithin akzeptiert und in Milliarden von Geräten weltweit implementiert, wobei zahlreiche Dokumentationen, OEM-Geräte und geschultes Entwicklungspersonal zur Verfügung stehen.

Beschränkungen von BLE

BLE ist ein Punkt-zu-Punkt-Protokoll. Daher können die Funkgeräte nicht über ihre individuelle Reichweite hinaus kommunizieren. Dies begrenzt die physische Größe von Netzwerken auf die für BLE typische Reichweite von 10 Metern, was für Heimbüros in Ordnung ist, aber nicht so gut für landwirtschaftliche Überwachungsanwendungen oder die Steuerung der städtischen Straßenbeleuchtung. IP-Adressierung ist nicht implementiert, daher müssen Gateways verwendet werden, um Informationen an das Internet und an Cloud-Lösungen weiterzuleiten.

Viele BLE-Anwendungen sind darauf ausgelegt, Smartphones als Gateway zu verwenden; dies funktioniert jedoch nur, wenn ein Smartphone vorhanden ist. Für Wearables wie Smartwatches oder Fitnessarmbänder ist das in Ordnung, aber die in kommerziellen und industriellen Anwendungen verwendeten Sensoren sind in der Regel unbeaufsichtigt, sodass Smartphone-Gateways unpraktisch oder unmöglich zu implementieren sind. BLE hat eine viel geringere Bandbreite als Bluetooth Classic und kann nicht effektiv für Medien-Streaming verwendet werden.

Bluetooh Low Energy Anwendungsfälle

Netzwerke im persönlichen Bereich sind ein Hauptanwendungsfall für BLE, einschließlich Haushaltsgeräten, Fitnessmonitoren und Fahrzeugnetzwerken. Beaconing in BLE wurde entwickelt, um Indoor-Positionierungssysteme zu unterstützen, die Ihren Standort in einem Einzelhandelsgeschäft oder innerhalb einer Fabrik bestimmen können.

Die Heimautomatisierung ist ein Schlüsselmarkt, aber auch jedes kleine kommerzielle System kann Bluetooth Low Energy nutzen, um innerhalb eines Hauses zu kommunizieren. Während BLE also vielleicht nicht für die Landwirtschaft im großen Stil geeignet ist, eignet es sich perfekt für die Überwachung kleiner kommerzieller Gewächshäuser. Es kann auch lokale Kommunikation für Installateure bereitstellen, die IoT-Geräte konfigurieren, die normalerweise über ein Protokoll mit größerer Reichweite kommunizieren, wie z. B. Zigbee Mesh oder Mobilfunk mobile Daten.

Bluetooth-Mesh

Bluetooth Mesh (BT Mesh) ist ein sehr neues Protokoll. Es erweitert einfaches Punkt-zu-Punkt-BLE unter Verwendung zusätzlicher Routing- und Netzwerkbildungsstandards, um Mesh-Netzwerke zu schaffen, in denen Knoten als Relais fungieren können, um das Netzwerk über die Reichweite eines einzelnen Geräts hinaus zu erweitern. BT Mesh ähnelt in Funktion und Architektur weitgehend Zigbee, weist aber einige sehr wichtige Unterschiede auf. Ein BT-Mesh-Netzwerk kann theoretisch mehr als 32 Tausend Knoten unterstützen, aber wie bei anderen Protokollen beschränken die praktischen Einschränkungen der Bandbreite und des Platzes die einzelnen Netzwerke im Allgemeinen auf wenige Hundert Geräte.

Vorteile von Bluetooth Mesh

Netzwerke, die als Mesh gebildet werden, sind nicht durch die Reichweite eines einzelnen Funkknotens begrenzt. Stattdessen kann jeder Knoten Nachrichten an Ziele weit über seine nominale Reichweite hinaus weiterleiten und routen und so sehr große physikalische Netzwerke bilden. Da Bluetooth Mesh auf BLE basiert, übernimmt es viele der Vorteile dieses Protokolls, wie z. B. den geringen Energieverbrauch, die gute Sicherheit, die Unterstützung von Beaconing und die weit verbreitete zugrunde liegende Dokumentation. BT-Mesh-Netzwerke sind selbstbildend und selbstheilend, mit Schlafunterstützung für Endgeräte in einer Store-and-Forward-Eltern-Kind-Beziehung, ähnlich wie bei Zigbee.

Beschränkungen von Bluetooth Mesh

Bluetooth Mesh ist noch ein neues Protokoll, das noch weiterentwickelt und überarbeitet wird. Es wird noch nicht umfassend unterstützt, was bedeutet, dass OEM-Geräte, Gateways und Handheld-Geräte wahrscheinlich noch nicht vollständig konform sind. Dies wird sich wahrscheinlich verbessern, wenn das Protokoll an Zugkraft gewinnt; es ist jedoch sicherlich ein Problem für Anwendungen, die heute entwickelt werden.

Das "Managed Flood"-Protokoll macht das Netzwerkdesign einfacher, ist aber ein Kompromiss in Bezug auf Effizienz und Stromverbrauch im Vergleich zu einem vollständig gerouteten Mesh-Protokoll wie Zigbee. Jedes Gerät, das routet, muss mit Netzstrom versorgt werden und darf nicht mit einer Batterie betrieben werden, da BT Mesh-Router wie Zigbee-Knoten nicht schlafen dürfen. Sie verwenden keine IP-Adressierung, daher müssen Interaktionen mit dem Internet und Cloud-Servern durch feste Gateways oder Border-Router geleitet werden, die zwischen BLE und dem regulären Protokoll des Internets übersetzen. Mesh-Netzwerke haben immer eine höhere Latenz, da Nachrichten auf dem Weg zu ihrem Ziel durch mehrere Knoten "hüpfen" müssen. Daher müssen Anwendungen in der Lage sein, langsamere Reaktionszeiten als Ausgleich für die größere Mesh-Netzwerkskala zu tolerieren.

Bluetooth Mesh Anwendungsfälle

Bluetooth Mesh wurde ursprünglich mit Blick auf den Beleuchtungsmarkt entwickelt. Da Router-Knoten kontinuierlich mit Strom versorgt werden müssen, ist die Beleuchtung eine hervorragende Anwendung, da die meisten Geräte ausreichend Zugang zu einer Vollzeit-Stromversorgung haben werden. Es gibt auch eine Anwendungsschicht, die von Bluetooth Mesh speziell für die herstellerübergreifende Interoperabilität in der Beleuchtung implementiert wurde, so dass Schalter eines Herstellers Beleuchtungsgeräte anderer Hersteller steuern können. Sensornetzwerke können problemlos von BT Mesh unterstützt werden. Da die Routing-Knoten im Mesh jedoch nicht batteriebetrieben sein können, werden die Sensoren selbst am besten in Situationen implementiert, in denen ein netzbetriebenes Netzwerk zur Verfügung steht, zum Beispiel in einem Gebäude mit bereits vorhandener BT Mesh-Beleuchtung.

Kombiniert Zigbee BLE

Digi XBee3 Zigbee RF-Module unterstützen auch Bluetooth Low Energy als eine einzige Hardware-Lösung. BLE kann zusammen mit Zigbee verwendet werden, um eine einfache Smartphone-basierte Modulkonfiguration mit der Digi XBee Mobile App zu unterstützen. Beaconing-Anwendungen können mit dem Digi XBee Mobile SDK (Software Development Kit) entwickelt werden.

Das SDK enthält eine Reihe von Bibliotheken, Code-Beispielen und Dokumentationen, die den Prozess der Erstellung von mobilen iOS- und Android-Apps zur Interaktion mit Digi XBee3-Modulen vereinfachen. Das SDK kann Beaconing-Anwendungen unterstützen und wird auch für die Kommunikation mit lokalen BLE-Sensoren in zukünftigen Anwendungen nützlich sein, die Bluetooth- und Zigbee-Geräte kombinieren, um große und vollständig interoperable Multivendor-Netzwerke zu bilden.

Zigbee und Bluetooth sind jeweils in verschiedenen Arten von IoT-Lösungen nützlich. Am wichtigsten ist jedoch, dass sie zusammenarbeiten können, um dramatisch flexible Anwendungen zu schaffen, die die Stärken jedes etablierten und interoperablen Protokolls kombinieren. Das Verständnis der Stärken und Schwächen jedes Protokolls, einschließlich der vielen Versionen von Bluetooth, sollte Entwicklern helfen, das effizienteste Kommunikationssystem zu schaffen - eines, das Stromverbrauch, Bandbreite und Gerätekosten ausgleicht, um leistungsstarke drahtlose IoT-Netzwerke zu schaffen.

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