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Zigbee Drahtlose Mesh-Vernetzung

Was ist Zigbee?

Zigbee ist eine drahtlose Technologie, die als offener globaler Standard entwickelt wurde, um die einzigartigen Anforderungen von kostengünstigen, stromsparenden drahtlosen IoT-Netzwerken zu erfüllen. Der Zigbee-Standard basiert auf der physikalischen Funkspezifikation IEEE 802.15.4 und arbeitet in unlizenzierten Frequenzbändern einschließlich 2,4 GHz, 900 MHz und 868 MHz.

Die 802.15.4-Spezifikation, auf der der Zigbee-Stack basiert, wurde im Jahr 2003 vom Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) ratifiziert. Die Spezifikation ist ein paketbasiertes Funkprotokoll, das für kostengünstige, batteriebetriebene Geräte gedacht ist. Das Protokoll ermöglicht es Geräten, in einer Vielzahl von Netzwerktopologien zu kommunizieren und kann eine Batterielebensdauer von mehreren Jahren haben.

Das Zigbee 3.0-Protokoll

Das Zigbee-Protokoll wurde von den Mitgliedsunternehmen der Zigbee Alliance erstellt und ratifiziert, die aus über 300 führenden Halbleiterherstellern, Technologiefirmen, OEMs und Dienstleistungsunternehmen besteht. Das Zigbee-Protokoll wurde entwickelt, um eine einfach zu bedienende drahtlose Datenlösung zu bieten, die sich durch sichere und zuverlässige drahtlose Netzwerkarchitekturen auszeichnet.

DER ZIGBEE-VORTEIL

Zigbee-Logo

Das Zigbee 3.0-Protokoll wurde entwickelt, um Daten durch verrauschte HF-Umgebungen zu übertragen, die in kommerziellen und industriellen Anwendungen üblich sind. Die Version 3.0 baut auf dem bestehenden Zigbee-Standard auf, vereinheitlicht aber die marktspezifischen Anwendungsprofile, damit alle Geräte unabhängig von ihrer Marktbezeichnung und Funktion drahtlos im selben Netzwerk verbunden werden können. Darüber hinaus stellt ein Zigbee-3.0-Zertifizierungsschema die Interoperabilität von Produkten verschiedener Hersteller sicher. Die Verbindung von Zigbee 3.0-Netzwerken mit der IP-Domäne eröffnet die Überwachung und Steuerung von Geräten wie Smartphones und Tablets in einem LAN oder WAN, einschließlich des Internets, und bringt das wahre Internet der Dinge zum Tragen.

Die Merkmale des Zigbee-Protokolls umfassen:

  • Unterstützung für mehrere Netzwerktopologien wie Punkt-zu-Punkt,
    Punkt-zu-Multipunkt- und Mesh-Netzwerke
  • Niedrige Einschaltdauer - sorgt für lange Batterielebensdauer
  • Niedrige Latenzzeit
  • Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS)
  • Bis zu 65.000 Knoten pro Netzwerk
  • 128-Bit-AES-Verschlüsselung für sichere Datenverbindungen
  • Kollisionsvermeidung, Wiederholungsversuche und Quittierungen
Zigbee3-Stack

Der Zigbee 3.0-Software-Stack enthält ein "Basisgerät", das ein einheitliches Verhalten für die Inbetriebnahme von Knoten in einem Netzwerk bietet. Es wird ein gemeinsamer Satz von Inbetriebnahmemethoden bereitgestellt, einschließlich Touchlink, einer Methode zur Proximity-Inbetriebnahme.

Zigbee 3.0 bietet eine verbesserte Netzwerksicherheit. Es gibt zwei Methoden der Sicherheit, die zu zwei Arten von Netzwerken führen:

  • Zentralisierte Sicherheit: Bei dieser Methode wird ein Koordinator/Vertrauenszentrum eingesetzt, der das Netzwerk bildet und die Zuteilung von Netzwerk- und Link-Sicherheitsschlüsseln an die teilnehmenden Knoten verwaltet.
  • Verteilte Sicherheit: Diese Methode hat keinen Koordinator/Vertrauenszentrum und wird von einem Router gebildet. Jeder Zigbee-Router-Knoten kann anschließend den Netzwerkschlüssel für die teilnehmenden Knoten bereitstellen.

Die Knoten übernehmen die Sicherheitsmethode, die von dem Netzwerk verwendet wird, dem sie beitreten. Zigbee 3.0 unterstützt die zunehmende Größe und Komplexität von drahtlosen Netzwerken und kommt mit großen lokalen Netzwerken von mehr als 250 Knoten zurecht. Zigbee bewältigt auch das dynamische Verhalten dieser Netzwerke (mit Knoten, die im Netzwerk auftauchen, verschwinden und wieder auftauchen) und erlaubt verwaisten Knoten, die durch den Verlust eines Elternteils entstehen, dem Netzwerk über einen anderen Elternteil wieder beizutreten. Die selbstheilende Natur von Zigbee Mesh-Netzwerken ermöglicht es auch, dass Knoten aus dem Netzwerk ausfallen, ohne dass das interne Routing unterbrochen wird.

Die Abwärtskompatibilität von Zigbee 3.0 bedeutet, dass Anwendungen, die bereits unter dem Profil Zigbee Light Link 1.0 oder Home Automation 1.2 entwickelt wurden, für Zigbee 3.0 bereit sind. Das Smart Energy-Profil ist auf der funktionalen Ebene ebenfalls mit Zigbee 3.0 kompatibel, aber Smart Energy hat zusätzliche Sicherheitsanforderungen, die nur innerhalb des Profils angesprochen werden.

Die Over-The-Air (OTA)-Upgrade-Funktion von Zigbee für Software-Updates während des Gerätebetriebs stellt sicher, dass Anwendungen auf Geräten, die bereits im Feld eingesetzt werden, nahtlos auf Zigbee 3.0 migriert werden können. OTA-Upgrade ist eine optionale Funktionalität, die Hersteller in ihren Zigbee-Produkten unterstützen sollten.

Maschennetzwerke

Maschendiagramm

Eine Schlüsselkomponente des Zigbee-Protokolls ist die Fähigkeit, Mesh-Netzwerke zu unterstützen. In einem Mesh-Netzwerk sind die Knoten mit anderen Knoten verbunden, so dass mehrere Pfade jeden Knoten verbinden. Die Verbindungen zwischen den Knoten werden dynamisch aktualisiert und durch eine ausgeklügelte, integrierte Mesh-Routing-Tabelle optimiert.

Mesh-Netzwerke sind von Natur aus dezentralisiert; jeder Knoten ist in der Lage, sich im Netzwerk selbst zu finden. Außerdem ermöglicht die Mesh-Topologie den Knoten beim Verlassen des Netzwerks eine Neukonfiguration der Routing-Pfade basierend auf der neuen Netzwerkstruktur. Die Eigenschaften der Mesh-Topologie und des Ad-hoc-Routings bieten eine größere Stabilität bei sich ändernden Bedingungen oder beim Ausfall einzelner Knoten.

Zigbee-Anwendungen

Zigbee ermöglicht den breit angelegten Einsatz von drahtlosen Netzwerken mit kostengünstigen Lösungen mit geringem Stromverbrauch. Es bietet die Möglichkeit, jahrelang mit kostengünstigen Batterien für eine Vielzahl von Überwachungs- und Steuerungsanwendungen zu laufen. Intelligente Energie/Smart Grid, AMR (Automatic Meter Reading), Beleuchtungssteuerungen, Gebäudeautomatisierungssysteme, Tanküberwachung, HLK-Steuerung, medizinische Geräte und Flottenanwendungen sind nur einige der vielen Bereiche, in denen die Zigbee-Technologie bedeutende Fortschritte macht.

Digi XBee 3 Zigbee-Technologie

Digi ist Mitglied der Zigbee Alliance und hat eine breite Palette von Netzwerklösungen auf Basis des Zigbee-Protokolls entwickelt. Digi XBee 3 ist das neueste in einer langen Reihe von Geräten, die eine einfach zu implementierende Lösung bieten, die Funktionalität zur Verbindung mit einer Vielzahl von Geräten bereitstellt.

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