Sowohl das Zigbee®- als auch das Bluetooth®-Funkprotokoll werden häufig für die lokale Kommunikation in Internet-of-Things-Anwendungen (IoT) verwendet, und bei der Wahl des richtigen Protokolls für Ihre Anwendung sind einige Kompromisse zu berücksichtigen. 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, werfen wir einen Blick auf die Vorteile und Einschränkungen von Zigbee, gefolgt von den drei verschiedenen "Geschmacksrichtungen" von Bluetooth: Classic, BLE und BT Mesh. Dies wird dazu beitragen, die Kompromisse zu erklären und einige Anwendungsfälle für jedes Protokoll aufzuzeigen, so dass Sie das optimale Protokoll für Ihre IoT Anwendung wählen können - sei es eine intelligente Stadt, Industrie 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 lassen sich umfangreiche Mesh-Netzwerke aufbauen, die viel größer sind als die Reichweite eines einzelnen Funkgeräts. Das Zigbee-Mesh konfiguriert sich automatisch (Selbstbildung) und konfiguriert sich dynamisch neu, um sich selbst zu reparieren, wenn Knoten deaktiviert oder entfernt werden (Selbstheilung). Da es sich um einen interoperablen Standard handelt, können Geräte vieler verschiedener Hersteller nahtlos miteinander kommunizieren, was dazu beigetragen hat, dass Zigbee sowohl in der Heimautomatisierung als auch in der Industrie breite Akzeptanz findet IoT. Die Kosten sind überschaubar, und es gibt viele OEM-Geräteoptionen auf dem freien 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 viel Zeit bei der Entwicklung spart. Zigbee unterstützt mehrere Netztopologien wie Punkt-zu-Punkt-, Punkt-zu-Mehrpunkt-, Stern- und Maschennetzwerke und ermöglicht über 65.000 Knoten pro Netzwerk und bis zu 3,2 km (2 Meilen) ideale Sichtweite im Freien.
Beschränkungen des Zigbee-Protokolls
Wie die meisten Mesh-Netzwerke müssen auch die 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-Netzwerk teilnehmen, es aber nicht erweitern.
Hinweis: Siehe DigiMesh®, die Mesh-Netzwerktechnologie von Digi, für Anwendungen, bei denen das gesamte Mesh-Netzwerk im Ruhezustand sein muss. 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 an Mesh-Anwendungsanforderungen 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, sind auch für die Kommunikation mit ihnen Gateways erforderlich. Die Bereitstellung muss bewusst erfolgen, um sicherzustellen, dass die Knoten dem richtigen Netzwerk beitreten und mit dem richtigen Gateway kommunizieren. Die Latenzzeit 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 zu sehen ist.
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
Herunterladen: Bewährte Sicherheitspraktiken mit Digi XBee Technical Brief
Verwenden Sie einen mehrgleisigen Ansatz für die Gerätesicherheit, damit es keinen einzelnen Fehlerpunkt gibt und sowohl physische Bedrohungen für Geräte als auch Fernzugriffe angegangen werden können.
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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 kompliziert sein, da ein Pairing zusammen mit einer Benutzeroberfläche zur Verwaltung dieses Prozesses erforderlich ist. Seine hohe Bandbreite bedeutet auch, dass es relativ viel Strom verbraucht. Das Protokoll ist für Geräte konzipiert, die täglich oder vielleicht wöchentlich aufgeladen werden müssen, was es für viele Anwendungen auf IoT ungeeignet macht. Die Größe der Netze ist recht begrenzt, da das Protokoll für den Austausch von Kurzstrecken-Peripheriekabeln und nicht für skalierbare Sensornetzwerke mit Hunderten von Geräten entwickelt wurde.
Bluetooth Classic Anwendungsfälle
Die klassische Version von Bluetooth erfreut sich großer Beliebtheit bei Audio-Headsets, der Kopplung von Smartphones mit Fahrzeugen und der Heimunterhaltung. Die hohe Bandbreite und die Akzeptanz des Industriestandards werden den Einsatz in diesen Anwendungsbereichen noch einige Zeit vorantreiben. Für die meisten Anwendungen IoT werden die nächsten beiden Bluetooth-Versionen 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.
Bluetooth Low Energy Anwendungsfälle
Netzwerke für den 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 in einer Fabrik bestimmen können.
Die Hausautomatisierung ist ein wichtiger Markt, aber auch jedes kleine kommerzielle System kann Bluetooth Low Energy nutzen, um in einem Raum von der Größe eines Hauses zu kommunizieren. BLE eignet sich zwar nicht unbedingt für die Landwirtschaft im großen Stil, ist aber perfekt für die Überwachung kleiner Gewächshäuser geeignet. Es kann auch eine lokale Kommunikation für Installateure ermöglichen, die IoT Geräte konfigurieren, die normalerweise über ein Protokoll mit größerer Reichweite kommunizieren, z. B. Zigbee Mesh oder Mobilfunk mobile Daten.
Bluetooth-Mesh
Bluetooth Mesh (BT Mesh) ist ein sehr neues Protokoll. Es erweitert das einfache Punkt-zu-Punkt-BLE mit zusätzlichen 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-Netz kann theoretisch mehr als 32 Tausend Knoten unterstützen, aber wie bei anderen Protokollen halten die praktischen Beschränkungen der Bandbreite und des Platzes einzelne Netze im Allgemeinen auf wenige Hundert Geräte beschränkt.
Vorteile von Bluetooth Mesh
Netze, 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 so sehr große physische 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 Beacons und die weit verbreitete zugrunde liegende Dokumentation. BT-Mesh-Netzwerke bilden sich selbst und heilen sich selbst, 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 XBee 3 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 umfasst eine Reihe von Bibliotheken, Code-Beispielen und Dokumentationen, die den Prozess der Erstellung von iOS- und Android-Mobilanwendungen zur Interaktion mit Digi XBee 3-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 für verschiedene Arten von IoT Lösungen nützlich. Am wichtigsten ist jedoch, dass sie zusammenarbeiten können, um äußerst flexible Anwendungen zu schaffen, die die Stärken der beiden etablierten und interoperablen Protokolle kombinieren. Das Verständnis der Stärken und Schwächen der beiden Protokolle, einschließlich der vielen Versionen von Bluetooth, sollte Entwicklern dabei helfen, das effizienteste Kommunikationssystem zu entwickeln - eines, das Stromverbrauch, Bandbreite und Gerätekosten ausgleicht, um leistungsstarke drahtlose IoT Netzwerke zu schaffen.
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