ZigBee: Anwendungsbeispiele, Reichweite, Sensoren, Schwächen, Vorteile

ZigBee ist eine Technik, mit der sich drahtlose Netzwerke einrichten lassen. Sie kommt in erster Linie zum Einsatz, um verschiedene kleine Endgeräte zu vernetzen – häufig im Bereich Smart Home oder in der Automatisierungstechnik in der Industrie.

Definition: Die grundsätzlichen Eigenschaften von ZigBee

ZigBee ist eine Entwicklung der ZigBee-Allianz – ein 2003 gegründeter Zusammenschluss, an dem weltweit mittlerweile mehr als 230 Unternehmen beteiligt sind. Eine der wichtigsten Eigenschaften dieser Technik besteht darin, dass die Geräte ein sogenanntes Mesh-Netzwerk einrichten, bei denen sie die Daten untereinander weiterleiten. Außerdem zeichnet sie sich durch einen geringen Energieverbrauch aus, sodass sie sich hervorragend für kleine batteriebetriebene Geräte eignet.

Die Anwendungsmöglichkeiten für ZigBee

Die Anwendungsmöglichkeiten für ZigBee sind ausgesprochen vielfältig. Diese Technik eignet sich für zahlreiche Anwendungen, bei denen eine mobile Datenübertragung erforderlich ist. Allerdings gibt es dabei eine wichtige Einschränkung: Die Verwendung der ZigBee-Technik bietet sich nur für Geräte an, bei denen das Datenaufkommen gering ist. Für die Anbindung von Smartphones, Smart-TVs und anderer Geräte, für deren Betrieb ein hohes Datenvolumen erforderlich ist, eignet sie sich nur bedingt.

Für die Steuerung der Beleuchtung, für Sensoren in industriellen Anlagen und Laboren, für die Patientenüberwachung in der Medizin und für viele weitere Geräte ist jedoch nur eine recht geringe Datenmenge erforderlich. Daher stellt die niedrige Bandbreite hierbei kein Problem dar. Dafür kommen die Vorteile dieser Technik voll zum Tragen. Insbesondere der geringe Energieverbrauch ist bei vielen der genannten Anwendungen ausgesprochen praktisch, da auf diese Weise der Batteriebetrieb möglich ist.

Verschiedene Rollen im ZigBee-Netzwerk

Bei der Einrichtung eines ZigBee-Netzwerks ist es wichtig, darauf zu achten, dass es hierbei unterschiedliche Rollen gibt.

• Rolle Koordinator

  Für jedes ZigBee-Netzwerk ist ein Gerät notwendig, das als Koordinator bezeichnet wird. Dieses richtet das Netzwerk ein und koordiniert die Übertragung der Daten. Ohne diesen Koordinator ist der Betrieb nicht möglich.

• Rolle Router

  Darüber hinaus besteht das Netzwerk aus Routern. Dabei handelt es sich um Geräte, die für die Weiterleitung der Daten bestimmt sind. Sie können die Datenpakete anderer Geräte annehmen und an andere Router weiterleiten. So ist es nur notwendig, dass sich ein Router innerhalb der Reichweite des entsprechenden Geräts befindet, um es in das Netzwerk zu integrieren. Oftmals enthalten auch die Endgeräte eine solche Router-Funktion. So können sie neben ihrer eigentlichen Aufgabe auch die Daten anderer Geräte weiterleiten. Auf diese Weise ist es besonders einfach, das Netzwerk aufzubauen, da jedes integrierte Gerät auch die Weiterleitung der Daten ermöglicht.

• Rolle Endgeräte

  Schließlich gibt es reine Endgeräte. Diese dienen nicht der Weiterleitung, sondern lediglich der spezifischen Gerätefunktion und der Übertragung der Daten zum nächstgelegenen Router. Dafür müssen sie nur einen Teil der ZigBee-Spezifikationen unterstützen. Außerdem ist für diese Aufgabe nur ein minimaler Energiebedarf erforderlich, sodass hierbei oftmals der Batteriebetrieb möglich ist.

Adressierung und Datenübertragung

Jedes ZigBee-Gerät verfügt über eine Adresse aus 64 Bits, die es eindeutig identifiziert. Wenn es sich nun jedoch in einem Netzwerk anmeldet, vergibt der Koordinator eine Adresse mit nur 16 Bits. Diese ist dann nur innerhalb des Netzwerks gültig. Dabei ist es wichtig, die doppelte Belegung von Adressen zu vermeiden. Die kürzere Adresse ermöglicht eine effizientere Weiterleitung der Daten. Es ist auch möglich, Gruppen zu erstellen, um mehrere Geräte gemeinsam zu adressieren.

Darüber hinaus hat die ZigBee-Allianz weitere Standards entwickelt – beispielsweise für reine Endgeräte, die nicht als Router zum Einsatz kommen und für Netzwerke, die auch an das Internet angeschlossen sind. Hinzu kommt die Möglichkeit, Cluster einzurichten oder verschiedene Rollen innerhalb des Netzwerks vorzugeben.

Infografik: In den Schichten 3 bis 7 des OSI-Modells legt ZigBee das Protokoll fest. Die oberste Schicht Dotdot ermöglicht die Kommunikation mit anderen Funkstandards.

Die Sicherheit von ZigBee-Netzwerken

Bei vielen Anwendungen aus dem Bereich der Gebäudeautomation oder der Steuerung industrieller Prozesse spielt die Sicherheit eine wichtige Rolle. Deshalb ist es unverzichtbar, einen Blick auf diesen Aspekt zu werden. Die Übertragung findet hierbei stets verschlüsselt statt. Das Verschlüsselungsverfahren, das hierfür zum Einsatz kommt, gilt grundsätzlich als sicher. Allerdings weist ZigBee einige erhebliche Schwachstellen auf. Das hängt insbesondere mit der Übertragung der Schlüssel zusammen. Um eine verschlüsselte Nachricht nach der Übertragung zu entschlüsseln, müssen sich Sender und Empfänger auf einen Schlüssel verständigen. Die Verfahren, die bei der ZigBee-Technik hierfür zum Einsatz kommen, lassen sich leicht abhören. Deshalb können Hacker ohne große Probleme Zugriff auf die Daten erlangen. Aus diesem Grund empfiehlt sich die Verwendung in sicherheitsrelevanten Bereichen nicht.

Vorteile von ZigBee

Der wohl wichtigste Vorteil von ZigBee besteht im sehr geringen Energieverbrauch dieser Technik. Das erlaubt es, Sensoren und Steuerungsgeräte per Batterie zu betreiben. Die Laufzeit ist hierbei ausreichend hoch, um einen komfortablen und effizienten Betrieb zu ermöglichen. Sehr praktisch ist es auch, dass viele Geräte als Router dienen. Auf diese Weise können sie die Daten der übrigen Geräte weiterleiten. Das macht es sehr einfach, ein Netzwerk mit großer Reichweite aufzubauen. So ist auch eine flexible Erweiterung möglich.

Nachteile von ZigBee

Allerdings bringt die Verwendung von ZigBee auch einige Nachteile mit sich. Dazu zählt die relativ geringe Reichweite der Geräte. Diese liegt nur bei 10 bis 20 Metern. Falls sich kein Router in diesem Umkreis befindet, ist eine Übertragung nicht möglich. Es kommt hinzu, dass der Koordinator des Netzwerks eine erhebliche Schwachstelle darstellt. Fällt er aus, ist keines der integrierten Geräte funktionsfähig. Schließlich besteht das Problem der geringen Sicherheit. Für kritische Anwendungen ist die Verwendung deshalb nicht zu empfehlen.

Anwendungsbeispiele für ZigBee

Die ZigBee-Technologie bietet vielfältige Anwendungsmöglichkeiten – sowohl im privaten Bereich als auch in der Industrie.

Die folgenden Absätze stellten drei wichtige Anwendungsmöglichkeiten vor.

• Die Steuerung der Beleuchtung

  Immer mehr Gebäude setzen eine intelligente Beleuchtungssteuerung ein. So lässt sich die Beleuchtung ohne großen Aufwand deaktivieren, wenn sie nicht erforderlich ist. Das spart Stromkosten und hilft dabei, den Aufwand für die Kontrolle der Beleuchtung zu reduzieren.

  Um eine intelligente Steuerung der Beleuchtung umzusetzen, bestehen unterschiedliche Möglichkeiten – per WLAN, über Bluetooth oder mit der ZigBee-Technik. Bei allen drei Alternativen handelt es sich um drahtlose Verbindungstechniken, die sich ohne die Installation von Kabeln umsetzen lassen. Dennoch bestehen erhebliche Unterschiede. Bluetooth kommt relativ selten zum Einsatz, da hierbei die Reichweite nur kurz ist.

  Bei der ZigBee-Technik ist die Reichweite für die Übermittlung zwischen zwei Geräten zwar ebenfalls nur recht gering. Allerdings können viele Produkte die Daten anderer Geräte des Netzwerks weiterleiten, bis sie den endgültigen Empfänger erreichen. So lässt sich ein großes Gebiet abdecken – bei einer passenden Umsetzung sogar deutlich größer als bei der Verwendung eines WLAN-Senders. Ein weiterer Vorteil besteht im geringen Energieverbrauch dieser Übertragungstechnik. Daher steigt dadurch der Stromverbrauch kaum an. Das zeigt, dass ZigBee-Lampen für die Umsetzung der intelligenten Beleuchtungstechnik viele Vorteile bieten.

• Drahtloses Sensoren-Netzwerk

  Die Automatisierung ermöglicht es, die Produktivität industrieller Anlagen deutlich zu erhöhen. Gleichzeitig stellt die Umsetzung jedoch eine enorme Herausforderung dar. Ein Aspekt, der hierbei von Bedeutung ist, besteht in der Anbindung der Sensoren. Diese ist nicht immer einfach. Die Übertragung findet zwar häufig über ein Funknetzwerk statt – oftmals per WLAN. Allerdings benötigt diese Technik viel Energie, sodass sich ein Akkubetrieb nur schwer umsetzen lässt.

  Das bedeutet, dass es notwendig ist, Kabel zu verlegen. Aufgrund der großen Menge an Sensoren, die für die Kontrolle einer industriellen Anlage notwendig ist, ist diese Aufgabe nicht einfach. Es kommt hinzu, dass viele Sensoren an beweglichen Bauteilen angebracht sind, was die Verkabelung noch schwieriger macht.

  Daher bietet ZigBee in diesem Bereich enorme Vorteile. Diese Technik benötigt wesentlich weniger Energie für die Datenübertragung als ein WLAN-Sender. Das macht es deutlich einfacher, einen Batterie- oder Akkubetrieb umzusetzen. Auf diese Weise lassen sich die Sensoren schnell und einfach installieren. Da die einzelnen ZigBee-Geräte außerdem ein Netzwerk aufbauen und die Daten untereinander weiterleiten, entfällt auch der Aufwand, der für den Aufbau eines leistungsstarken WLAN-Netzwerks erforderlich ist.

• Übertragung medizinischer Daten

  In der Medizintechnik kommen immer mehr Sensoren und Messgeräte zum Einsatz, um die Daten der Patienten zu erfassen. Das erlaubt eine wesentlich genauere Diagnose als mit den herkömmlichen Methoden. Auch hierbei bietet die ZigBee-Technik große Vorteile.

  Die entsprechenden Geräte per Kabel zu installieren, würde eine erhebliche Einschränkung für den Komfort der Patienten bedeuten. Auf diese Weise wäre es nicht möglich, sich frei zu bewegen. Selbst im Ruhezustand würden die Kabel störend wirken. Deshalb ist hierbei eine drahtlose Übertragungstechnik erforderlich, die so wenig Energie benötigt, dass der Batteriebetrieb möglich ist. Die ZigBee-Technik eignet sich hierfür ausgezeichnet. Diese erlaubt es, praktische Messgeräte zu gestalten, die die Daten sehr zuverlässig und schnell übertragen. Der Energieverbrauch ist sogar so gering, dass hierfür nur eine sehr kleine Batterie erforderlich ist. Das trägt zu einer minimalen Baugröße bei.

Häufig gestellte Fragen zu ZigBee

• Welche industriellen Anwendungsmöglichkeiten gibt es für ZigBee?

  In der Industrie kommt ZigBee häufig für Steuerungssysteme zum Einsatz. Auch für die Anbindung von Sensoren eignet sich diese Technik ausgezeichnet. Weitere Anwendungsmöglichkeiten sind interne Kommunikationssysteme sowie die Gebäudeautomatisierung.

• Welche Anschlüsse sind für ZigBee-Sensoren erforderlich?

  Die Übertragung der Daten erfolgt bei ZigBee immer drahtlos, sodass hierfür keine verkabelte Verbindung notwendig ist. Darüber hinaus zeichnet sich diese Technik durch einen sehr geringen Energieverbrauch aus. Daher ist es häufig möglich, die Endgeräte per Batterie zu betreiben, sodass auch kein Stromanschluss erforderlich ist.

• Wie hoch ist die Reichweite von ZigBee-Geräten?

  Theoretisch liegt die Reichweite bei ZigBee-Geräten bei bis zu 100 m. Allerdings erreichen sie diesen Wert nur unter optimalen Bedingungen. In der Praxis liegt die Reichweite hingegen bei 10 bis 20 m. Bei batteriebetriebenen Geräten ist der Wert meistens noch etwas geringer.

• st die Übertragung per ZigBee sicher?

  Diese Übertragungstechnik bietet nur einen geringen Schutz gegenüber Hackerangriffen. Es gibt Tools, mit denen sich die Übertragung recht einfach abfangen und entschlüsseln lässt. Daher ist die Verwendung für sicherheitskritische Anwendungen nicht zu empfehlen.

• Wie gut sind ZigBee-Netzwerke gegenüber Ausfällen abgesichert?

  Die Übertragung der Daten kann auf unterschiedlichen Wegen erfolgen. Fällt ein Gerät aus, kann daher ein anderes einspringen. Kritisch ist jedoch der Ausfall des Koordinators. Ist dieses Gerät nicht mehr funktionstüchtig, blockiert das gesamte Netzwerk.

• Ist ZigBee für bewegliche Geräte geeignet?

  Gerade bei industriellen Anwendungen befinden sich die Geräte, die miteinander kommunizieren müssen, häufig in Bewegung. Die ZigBee-Technik ist dafür jedoch nur bedingt geeignet. Insbesondere bei Anwendungen mit hoher Mobilität sollte sie deshalb nicht zum Einsatz kommen.

• Wie hoch ist die Übertragungsrate bei ZigBee

  Die Übertragung per ZigBee kann in verschiedenen Frequenzbereichen erfolgen. Davon hängt auch die Übertragungsrate ab. Im oberen Frequenzbereich (2.4 GHz) liegt sie bei bis zu 250 Kbit/s. Allerdings arbeiten auch andere Geräte in diesem Bereich, sodass es hierbei zu einer Überlastung kommen kann. Im unteren Frequenzbereich tritt dieses Problem zwar nur selten auf, allerdings liegt die Übertragungsrate hierbei nur bei 20 Kbit/s.