Was ist Zigbee?
Was ist die Zigbee-Technologie? Zigbee ist eine drahtlose Technologie, die als offener globaler Marktkonnektivitätsstandard entwickelt wurde, um den einzigartigen Anforderungen kostengünstiger, stromsparender drahtloser IoT Datennetze gerecht zu werden. Sie wurde entwickelt, um die drahtlose Kommunikation, Überwachung und Steuerung von batteriebetriebenen Geräten und Sensornetzwerken zu unterstützen. Zigbee basiert auf der IEEE 802.15.4-Spezifikation und wird häufig in der Hausautomatisierung, der medizinischen Datenerfassung und in industriellen Steuerungssystemen eingesetzt.
Die Geschichte von Zigbee
Die Idee für drahtlose Mesh-Netzwerke mit geringem Stromverbrauch entstand in den 1990er Jahren. In den frühen 2000er Jahren bildete sich jedoch die Zigbee Alliance, um nach der Ratifizierung von IEEE 802.15.4 das Zigbee-Protokoll zu entwerfen. Zigbee 2006 ersetzte die Schlüssel-Wert-Paar-Struktur des Stacks von 2004 durch eine Clusterbibliothek. Im Jahr 2007 wurde Zigbee Pro mit einer neuen Energiesparfunktion eingeführt. Im Jahr 2021 benannte sich die Zigbee Alliance in Connectivity Standards Alliance um, um ihren breiteren technologischen Fokus zu reflektieren.
Die Rolle von Zigbee bei IoT
Die Spezifikation ist ein paketbasiertes Protokoll, das für kostengünstige, batteriebetriebene Geräte und Produkte gedacht ist. Das Zigbee IoT -Protokoll ermöglicht die nahtlose Datenkommunikation von Geräten in einer Vielzahl von Netzwerktopologien bei äußerst geringem Stromverbrauch. Dank Zigbee können Geräte verschiedener Hersteller kompatibel miteinander kommunizieren.
Zigbee Alliance (jetzt Connectivity Standards Alliance)
Die Zigbee Alliance wurde speziell zur Schaffung von Standards für IoT Geräte gegründet , die das Zigbee-Kommunikationsprotokoll verwenden. Die Aufgabe der Zigbee Alliance ist die Entwicklung, Weiterentwicklung und Förderung universeller offener Standards für die sichere Kommunikation aller Geräte. Heute ist die Organisation als Connectivity Standards Alliance bekannt und zählt über 5.000 Zigbee-zertifizierte Produkte und 600 Mitglieder.
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Sowohl Zigbee als auch DigiMesh bieten einzigartige Vorteile, die für verschiedene Anwendungen wichtig sind.
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Zigbee-Protokoll
Das Zigbee-Protokoll ist eine offene drahtlose Spezifikation, die von der Zigbee Alliance entwickelt wurde und standardisiert, wie drahtlose Netzwerke mit geringem Stromverbrauch IoT sicher und zuverlässig kommunizieren können.
- Zigbee-Standard: Die Zigbee Alliance hat den Zigbee-Standard entwickelt, indem sie dem IEEE 802.15.4-Standard eine Netzwerkschicht, eine Sicherheitsschicht und einen Anwendungsrahmen hinzugefügt hat.
- Zigbee 3.0: Die Zigbee Pro-Spezifikation fügt neue Funktionen hinzu, wie z. B. die Verwaltung untergeordneter Geräte, verbesserte Sicherheit und neue Netzwerktopologieoptionen.
Zigbee-Geräte bilden nahtlos ein Mesh-Netzwerk, das einen effizienten Daten-Backhaul über einen zentralen Knotenpunkt ermöglicht, der mit einem Gateway für den Fernzugang zum Internet verbunden ist. Mit einer Zigbee-App kann ein Benutzer intelligente Geräte von überall aus steuern. Zigbee basiert auf der physikalischen Schicht und der Medium-Access-Control-Subschicht, die in der Norm IEEE 802.15.4 definiert sind und die Netzwerkoperationen auf niedriger Ebene verwalten. Die Zigbee-Netzwerkschicht verwaltet die Netzwerkstruktur, das Routing und die Sicherheit. Die Anwendungsschicht umfasst die Unterschicht Application Support, die Zigbee-Geräteobjekte und benutzerdefinierte Anwendungen.
Vorteile des Zigbee 3.0-Protokolls
Die Standardisierung des Zigbee-Netzes stellt sicher, dass alle Produkte und Dienstleistungen zusammenarbeiten. Der Standard kombiniert Tests, Zertifizierung, Markenbildung und Marketing, um die Entwicklung und den Verkauf von interoperablen Produkten und Lösungen zu unterstützen.
Das neueste Zigbee-Protokoll, das Zigbee Pro 2023, bietet Sicherheitsverbesserungen und Unterstützung für Frequenzbänder jenseits von 2,4 GHz. Die 800-MHz-Frequenz für Europa und die 900-MHz-Frequenz für Nordamerika und Australien verbessern die Signalstärke und Reichweite für eine breitere Nutzung.
Zu den Merkmalen von Zigbee gehören:
- Flexibilität - Unterstützt mehrere Netzwerktopologien wie Punkt-zu-Punkt, Punkt-zu-Mehrpunkt und Mesh-Netzwerke
- Niedrige Einschaltdauer - Bietet eine lange Batterielebensdauer
- Geringe Latenzzeit - Kann Sensordaten mit minimaler Latenzzeit problemlos übertragen
- Skalierbarkeit - Umfasst Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) mit bis zu 65.000 Knoten pro Netz
- Robustheit - Einsatz von Kollisionsvermeidung, Wiederholungsversuchen und Bestätigungen
- Geringer Stromverbrauch - Zigbee-Geräte können mehrere Jahre lang mit einer einzigen preiswerten Batterie betrieben werden, da sie eine Energiesparfunktion, den so genannten "Schlafmodus", nutzen.
- Niedrige Datenrate - Mit einer Datenrate von bis zu 250 kbit/s ist Zigbee am besten für intermittierende Datenübertragungen von Sensoren oder Geräten geeignet
- Sicherheit - Die Zigbee-Sicherheit verwendet eine 128-Bit-AES-Verschlüsselung sowie viele weitere Sicherheitstechniken.
Zigbee Drahtlose Sicherheit
Die Kryptografie innerhalb der Zigbee-Spezifikation basiert auf der Verwendung von 128-Bit-Schlüsseln und dem AES-Verschlüsselungsstandard. Verschlüsselung, Integrität und Authentifizierung können auf der Anwendungs-, Netzwerk- und MAC-Schicht angewendet werden, um die Frames auf jeder dieser Ebenen zu schützen. Zigbee Pro 2023 bietet erweiterte Sicherheitsfunktionen zum Schutz des Netzwerks während der Inbetriebnahme und des Betriebs von Geräten.
Protokoll-Kompatibilität
Zigbee ist abwärts- und aufwärtskompatibel, um Interoperabilität zu gewährleisten. Zu den kompatiblen Geräten gehören Samsung SmartThings, Amazon Echo Plus und Echo Show, Belkin WeMo, Philips Hue, Yale Smart Locks und andere Hersteller, die sicherstellen, dass ihre Produkte neue Funktionen unterstützen.
Over-the-Air (OTA) Software-Upgrade-Funktion
Die Zigbee-Over-the-Air (OTA)-Software-Upgrade-Funktion ist eine leistungsstarke Methode, um mit einem einzigen Gerät die Firmware auf allen anderen Netzwerkgeräten zu aktualisieren. Hersteller können mit dieser Methode sicherstellen, dass ihre Kunden immer die neueste und sicherste Version verwenden, die Firmware verbessern und sogar neue Funktionen zu ihren Produkten hinzufügen.
Gemeinsame drahtlose Anwendungen für Zigbee
Aufgrund der geringen Latenzzeit und der Unterstützung vieler Geräte eignet sich Zigbee gut für die Heimautomatisierung, die industrielle Steuerung und Sensornetzwerke. Zigbee kann für Hersteller auch kostengünstiger sein, da keine Lizenzgebühren oder Abgaben anfallen. Hier sind einige bekannte Anwendungsfälle:
Umwelttechnische Anwendungen - Zigbee Mesh ist eine ausgezeichnete Wahl für umwelttechnische Anwendungen wie Solar- und Windparks und EV-Ladenetzwerke.
Smart Home - In einem Smart Home kann ein Zigbee-Netzwerk Lichter, Türschlösser, Rauchmelder, Ventilatoren, Geräte und mehr steuern. Tatsächlich wird Zigbee von den meisten großen Anbietern von Smart-Home-Ökosystemen verwendet, darunter Amazon Echo Plus, Samsung SmartThings und Signify (früher Philips Lighting). Weltweit gibt es Hunderte Millionen von Zigbee-Produkten in intelligenten Häusern und Gebäuden.
Intelligente Energie - Zigbee-Geräte, die nach den Zigbee Pro 2023-Spezifikationen gebaut wurden, können jetzt das gleiche Netzwerk wie Smart Energy-Geräte nutzen, um die Steuerung und Nutzung dieser Geräte zu verbessern.
Medizin - In einem medizinischen Szenario kann ein Patient Sensoren tragen, die Vitalwerte wie Herzfrequenz, Blutdruck und Blutzuckerspiegel erfassen und drahtlos an ein Krankenhaus übermitteln.
Industrielle Automatisierung - Innerhalb eines Gebäudes kann Zigbee zur Automatisierung von Beleuchtungssteuerung, HLK, Sicherheits- und Zugangskontrollsystemen verwendet werden.
Beispiele für Zigbee-Geräte
Zigbee ist ein drahtloses Protokoll, das von IoT Geräten wie Glühbirnen, Steckdosen, Steckern, Bewegungssensoren und anderen Hausautomatisierungsgeräten bis hin zu intelligenten Energie-, Elektrofahrzeuglade- und industriellen Gebäudesteuerungen verwendet wird, die über ein Netzwerk miteinander kommunizieren. Hier sind einige Beispiele für das große Ökosystem von Produkten, die Zigbee verwenden:
- Samsung SmartThings: Samsung SmartThings-Geräte wie Outlets, Motion, Multipurpose und Arrival haben Zigbee-Chips, die Informationen empfangen und bereitstellen können
- Philips Hue Smart-Geräte: Die Hue Bridge nutzt Zigbee, um sich mit einem Wi-Fi-Netzwerk zu verbinden, so dass Benutzer die intelligenten Philips Hue-Leuchten über die Philips Hue-App von jedem Ort mit einer Internetverbindung aus steuern können
- IKEA: Das TRÅDFRI-Gateway nutzt Zigbee, um IKEAs intelligente Produkte über eine App und Fernbedienungen zu steuern
- Amazon Echo: Der Amazon Echo Show und der Echo Plus verfügen über integrierte Smart-Home-Hubs zur Steuerung vieler intelligenter Zigbee-Geräte wie Glühbirnen, Türschlösser, Wandschalter, Sensoren und Steckdosen
- FLO EV-Ladestationen: FLO baut Ladestationen für Elektrofahrzeuge mit Digi XBee® Zigbee-Modulen und industriellen Gateways auf
- Suntrac® von P4Q zur Nachführung von Solaranlagen: P4Q Electronics integriert Digi XBee Zigbee-Module in seine Suntrack-Solarnachführungstechnologie, die die Positionierung von Solarmodulen anpasst und es Kunden ermöglicht, Solarmodulfelder rund um den Globus fernzuüberwachen
- CityMesh®, die intelligente Straßenbeleuchtung von Sicom: Dieses skalierbare Smart-Cities-Netzwerk umfasst Digi XBee Zigbee-Module und steuert Tausende von Straßenlaternen und Ampeln mit höherer Präzision und besserer Ökobilanz
Topologie des drahtlosen Zigbee-Netzwerks
Die Netzwerktopologie ist für Kommunikationsnetze von grundlegender Bedeutung, da sie die Anordnung und Zusammenschaltung von Verbindungen und Knoten vorgibt. Im Zusammenhang mit Zigbee gibt es drei Haupttypen von Netzwerktopologien: Punkt-zu-Punkt-Topologie, Mehrpunkt-Topologie und Mesh-Topologie. Jede dieser Topologien beeinflusst, wie Nachrichten weitergeleitet werden und welche Geräte verbunden sind.
Zigbee Mesh-Vernetzung
Die Mesh-Topologie von Zigbee ermöglicht mehrere Verbindungen zwischen Geräten und sorgt so für Redundanz und Robustheit im Netzwerk. Mesh-Netzwerke sind dezentralisiert, d. h. jeder Knoten ist in der Lage, sich selbst im Netzwerk zu finden. Wenn Knoten das Netzwerk verlassen, konfigurieren die Knoten die Routing-Pfade auf der Grundlage der neuen Netzwerkstruktur neu. Mesh-Topologie und Ad-hoc-Routing sorgen für eine bessere Stabilität bei wechselnden Wellenbedingungen oder beim Ausfall einzelner Knoten. Kurz gesagt, die Mesh-Topologie ist die flexibelste Topologie, die eine Selbstheilung ermöglicht, d. h., ein Netz kann sich automatisch neu konfigurieren, wenn eine Verbindung ausfällt.
Punkt-zu-Punkt
Die Punkt-zu-Punkt-Topologie ist ein Netz mit nur zwei Knoten. Sie ist zwar einfacher als die Punkt-zu-Mehrpunkt-Topologie, wird aber in IoT Anwendungen nicht so häufig eingesetzt. In dieser Topologie kommunizieren zwei Zigbee-Geräte direkt miteinander. Punkt-zu-Punkt ist zwar einfacher als Punkt-zu-Multipunkt, ist aber für IoT Anwendungen nicht besonders nützlich.
Punkt-zu-Multipunkt
Ein Punkt-zu-Multipunkt- oder Sternnetz ist eine Topologie, bei der ein zentraler Hub mit mehreren Endknoten kommuniziert. In dieser Topologie kommuniziert ein Zigbee-Gerät mit einer Gruppe von Zigbee-Geräten.
Zigbee-Spezifikationen
| Zigbee Pro |
Die Zigbee Pro 2023-Spezifikation bietet Sicherheitsverbesserungen und Unterstützung für Frequenzbänder jenseits von 2,4 GHz. Die 800-MHz-Frequenz für Europa und die 900-MHz-Frequenz für Nordamerika und Australien verbessern die Signalstärke und Reichweite für eine breitere Nutzung. |
| Zigbee RF4CE |
ZigBee RF4CE ist ein einfaches, aber robustes und kostengünstiges Funkstandard-Kommunikationsprotokoll für Unterhaltungselektronik. Seine Hauptanwendung sind Fernbedienungen, insbesondere für Fernseher, Stereoanlagen und Set-Top-Boxen. |
| Zigbee IP |
ZigBee IP ist der erste IPv6-basierte offene Standard für eine vollständige drahtlose Mesh-Netzwerklösung. Es handelt sich dabei um eine verbesserte Version von Zigbee, die für die Steuerung und Verbindung vieler verschiedener stromsparender Geräte in einem einzigen Steuerungsnetzwerk entwickelt wurde und eine nahtlose Integration in IP-basierte Netzwerke ermöglicht. |
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Das Zigbee-Protokoll ist einer der robustesten, sichersten und kostengünstigsten Konnektivitätsstandards für IoT Geräte. Mit Anwendungen, die von der intelligenten Haus- und Gebäudeautomatisierung bis hin zum Energiemanagement und sogar Geräten zur Gesundheitsüberwachung reichen, entwickelt sich Zigbee ständig weiter, um neue Marktanforderungen zu erfüllen. Und genau dabei kann Digi helfen. Digi ist Mitglied der Connectivity Standards Alliance und hat skalierbare Embedded-Lösungen entwickelt, die auf dem Zigbee-Protokoll basieren. Die Lösungen von Digi bieten Funktionen für den Anschluss an eine breite Palette von Geräten und Netzwerken mit robusten Konnektivitätsstandards. Entdecken Sie weitere Zigbee-Produkte und Ressourcen, um mehr über XBee und Zigbee zu erfahren.
FAQs zur Zigbee-Technologie
Auf welchen Frequenzen arbeitet Zigbee?
Zigbee wird weltweit im 2,4-GHz-Frequenzband betrieben. In Europa wird es auch im 868-MHz-Band betrieben. In China verwenden einige Zigbee-Geräte das 784-MHz-Band.
Was ist die Reichweite von Zigbee?
Aufgrund des geringen Stromverbrauchs liegen die Übertragungsentfernungen je nach Leistungsabgabe und Umgebungsbedingungen zwischen 10 und 100 Metern bei Sichtverbindung. Die Zigbee-Reichweite kann jedoch auf größere Entfernungen ausgedehnt werden, indem die Daten über ein Mesh-Netzwerk weitergeleitet werden, in dem einzelne Knoten als Repeater fungieren können, um Daten an weiter entfernte Knoten zu übertragen.
Wie funktioniert Zigbee?
Das Zigbee-Protokoll standardisiert die Konnektivität für preisgünstige, batteriebetriebene Geräte und Produkte. Das Protokoll ermöglicht es Geräten, Daten zwischen Knoten zu senden, die in einem Mesh-Netzwerk organisiert sind. Wenn ein Zigbee-Gerät Daten senden möchte, prüft es zunächst, ob der Kanal frei ist, indem es Carrier Sense Multiple Access mit Kollisionsvermeidung (CSMA/CA) verwendet. Wenn der Kanal frei ist, sendet das Gerät seine Daten. Wenn der Kanal belegt ist, wartet das Gerät eine Backoff-Periode ab, bevor es erneut versucht, zu senden. Das Zigbee-Mesh-Protokoll spart Strom für die Endgeräte, so dass die Batterien jahrelang halten können, bevor sie ausgetauscht werden müssen.
Was ist der Unterschied zwischen Zigbee und DigiMesh?
Sowohl Zigbee Mesh als auch DigiMesh verfügen über hervorragende Funktionen und Möglichkeiten, die in verschiedenen Szenarien gut funktionieren. Weitere Informationen finden Sie in unserem Whitepaper, das einen direkten Vergleich der beiden Mesh-Netzwerkmethoden enthält.
Was ist besser: Zigbee oder Bluetooth?
Bluetooth® ist ein drahtloser Kurzstreckenstandard, der für kostengünstige drahtlose Verbindungen mit geringem Stromverbrauch entwickelt wurde. Bluetooth ist nützlich für die Verbindung von intelligenten Haushaltsgeräten, Smartphones und elektronischen Geräten wie Tastaturen, Computermäusen, Druckern, drahtlosen Headsets und mehr. Sowohl das Zigbee- als auch das Bluetooth-Funkprotokoll eignen sich gut für die lokale Kommunikation in Anwendungen des Internets der Dinge. Jedes dieser Protokolle ist jedoch in verschiedenen Anwendungsfällen nützlich IoT . Das Beste von allem ist, dass sie zusammenarbeiten können, um extrem flexible Anwendungen zu schaffen. In der Tat können beide Protokolle nebeneinander arbeiten. Diese Fähigkeit ist in unseren Digi XBee 3 Zigbee-Modulen verfügbar - Bluetooth für die Konfiguration und Fehlerbehebung im Nahbereich und Zigbee für das Mesh-Netzwerkprotokoll.
Wie erstelle ich ein Zigbee-Mesh-Netzwerk?
Ein Zigbee-Mesh-Netzwerk wird von einem Koordinator, einem Router und einem Endknoten erstellt. (Siehe die Definitionen in unserer Dokumentation, um mehr zu erfahren.) Der Koordinator erstellt das Netzwerk, und dann können andere Knoten ihm beitreten. Sobald das Netzwerk erstellt wurde, können andere Knoten ihm beitreten. Digi XCTU bietet die Tools, die Sie für den Aufbau, das Testen und den Einsatz von Mesh-Netzwerken benötigen.