Weihnachtsbaum, Außenbeleuchtung, Ofen schalte dich an! – Einführung in die Kommunikation über das Zigbee-Protokoll

Seit Jahren geht der Trend Richtung drahtlose Kommunikations- sowie Bedienmethoden, u.a. Bluetooth, WLAN. Doch Elemente der Heimatautomatisierung sowie intelligente Glühbirnen und andere ioT bauen auf einem anderen Kommunikationskanal, welche die Bezeichnung IEE 802.15.4 trägt besser bekannt als das darauf basierte Produkt der Allianz: ZigBee.

Zigbee und der Tanz der Bienen

IEE, das Institute of Electrical and Electronics Engineers die durch Bildung verschiedener Arbeitsgruppen insbesondere Hardware und Software zu normen und zu Standards zu setzen versucht, entwickelte in der Arbeitsgruppe IEE 802.15 einen Standard der Funknetze als Alternative für den Wireless standard. Auf diesen baut ZigBee auf. Die Bezeichnung an sich steht für die Vereinigung der größten Technik- Hersteller, welche mit Hilfe des Protokolls 802.15.4 verschiedene Akteuren kabellos miteinander verbinden wollen. Mit dabei sind neben mittlerweile über 100 Unternehmen unter anderem auch Mitsubishi, Motorola und Philips. Dabei steht der Name des Protokolls für die typische Zickzack-förmige Kommunikationsmuster der Bienen, wie sie tanzend Informationen übermitteln(engl. Zigbee Principle). So kommen auch die einzelnen Datenpakete im Zickzackkurs zum Ziel. Aber erstmal zu den Grundlagen.

An sich ist die hauptsächliche Arbeit des Zigbee-Protokoll nichts neues, eine drahtlose Kommunikation wird seit Jahrzehnten schon über Bluetooth und Wi-Fi gewährleistet. Die Technologie benutzt sogar das gleiche 2,4 Gigahertz-Freuquenz(ISM-Band), welches den Vorteil der Lizenzfreiheit genießt. Die Technologie verfügt jedoch über eine Übertragungsrate von bis zu 250 Kilobit pro Sekunde (im 2.4 GHz-Band mit 16 Kanälen), mit Bluetooth vergleichen entspricht es  es gerade mal 10-25% dessen. Daneben gibt es in dem für Europa verfügbare Frequenzbereich von 868 MHz einen Kanal mit einer Übertragungsrate von 20 kbit/s, wobei natürlich der ISM-Band  mit seinen 16 Kanälen wesentlich spannender ist. Es bietet zwar somit wesentlich weniger Bandbreite, der Vorteil ist jedoch dass es somit entsprechend weniger Strom braucht.  Dies war den Entwickler besonders wichtig, da das Protokoll in Netzwerken mit einer großen Anzahl von Sensoren, z.B. Heimatautomatisierung oder Überwachungssysteme, eingesetzt werden soll, die über eine große Anzahl von Knoten aber geringe Übertragungsgeschwindigkeit verfügen, sowie oft batteriebetrieben sind.

Bienenstock mit geschichteter Verwaltung

Im Einsatz wird zunächst ein Protokollstapel aus mehreren Ebenen gebildet, die verschiedene Aufgaben erfüllen. So hat das Protokoll verglichen mit der Anwaltstätigkeit zum Beispiel eine Art Akte für den Klageort, auf der u.a. der Frequenzbereich festgelegt wird, sog.  Bitübertragungsschicht. Die MAC-Ebene definiert anschließend die Beteiligten des (Kommunikations-)Verfahrens, also wie auf die Funkschnittstelle zugegriffen werden soll. Die Vermittlungsschicht ist für die Vergabe der Bit-Netzwerkadressen zuständig, als würde sie die Zeugen des Verfahrens in die Sitzung bitten, anhören und wieder nach Hause schicken, indem sie den Ein- und Austritt in ein Netzwerk koordiniert. Die Anwendungsschicht oder Application Lawyer verwaltet die Bindungen zwischen den Geräten und leitet die Nachrichten weiter. Diese und die vielen weiteren Schichten des Zigbee Stacks kommunizieren untereinander über sog. Service Access Points, so dass am Ende  ein mehrstöckiger Bienenstock mit einzeln kommunizierenden und selbstverwaltenden Stufen entsteht.

Quelle: homeandsmart.de

Funktionsweise

Dabei sind zwei Kommunikationsverfahren möglich. Im einfacheren Standard-ALOHA Protokollverfahren sucht jeder Teilnehmer innerhalb einer zufälligen Zeitspanne  nach Aktivitäten der anderen Teilnehmer und überträgt die möglicherweise entstehenden Daten dann. Nachteil dieser Methode ist jedoch, dass sämtliche Empfänger stets eingeschaltet sein müssen, da eine Übertragung jederzeit beginnen kann. Außerdem ist diese Art von Übertragung wesentlich Störungsanfälliger.

Das andere Verfahren verwendet einen sog. Superframe-Struktur, der flexibel ist und als Koordinator die Teilnehmer jederzeit für die gewünschten Anforderungen anpassen kann. So kann er zum Beispiel spezielle Slots freihalten, falls ein Gerät einen stets zur Verfügung stehenden garantierten Kanal braucht. Außerdem kommunizieren innerhalb der Struktur alle Teilnehmer direkt mit dem Koordinator, den man jedoch stets als Zentrale braucht. Dieses Verfahren hat sich derzeit in den privaten Haushalte durchgesetzt, da sie weniger Strom verbraucht und dank der direkten Kommunikation weniger störungsanfällig ist.

Das Funkprotokoll wird stets verbessert, erweitert und gesichert, so dass man genau genommen die Bezeichnung  ZigBee 3.0 verwenden sollte, wenn es um die aktuellste Version geht. Das Ziel ist es den Strombedarf immer weiter zu minimieren und eine stets zuverlässige, stabile und sichere Kommunikation zu schaffen.  Somit soll die Heimatautomatisierung immer zuverlässiger funktionieren und somit auch nicht nur geeks und nerds eine wahre Bescherung unter dem Weihnachtsbaum bereiten.

Und nun liebe Leser offenbart euch: wer von euch hat sich ein Device vom Weihnachtsmann gewünscht, welches das soeben vorgestellte Protokoll verwendet?

Quellen und weiterführende Hinweise

ZigBee-Drahtlose Kommunikation von Prof. Dr. Heuert 

Dresden-Elektronik

heise.de zu ZigBee 3.0

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