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Zigbee ist eines der beliebtesten Kommunikationsprotokolle, mit denen verschiedene Smart-Home-Geräte verschiedener Hersteller zusammenarbeiten können, aber wie genau funktioniert es und was macht es für über 400 Unternehmen so gut, es verwenden zu wollen?
Zigbee funktioniert, indem der Koordinator, der sich im Stammverzeichnis des Zigbee-Netzwerks befindet, eine Nachricht an einen Router sendet, der die Nachricht dann an ein Endgerät mit Anweisungen zur Ausführung einer bestimmten Aufgabe weiterleitet. Es ist ein drahtloser Technologiestandard, der sich gut für die drahtlose Kommunikation mit kurzer Reichweite eignet.
Ich habe einige Nachforschungen über Zigbee angestellt, um mehr darüber zu erfahren, wie genau es funktioniert, wo es am häufigsten verwendet wird und welche Vorteile es gegenüber anderen drahtlosen Protokollen wie Wi-Fi und Bluetooth bietet. Was ich gefunden habe, macht deutlich, warum Zigbee in Smart Homes so häufig verwendet wird.
Funktionsweise von Zigbee
Ein typisches Zigbee-Netzwerk besteht aus drei verschiedenen Gerätetypen: einem Koordinator, Routern und Endgeräten. Diese Geräte arbeiten zusammen, um Nachrichten und Anweisungen vom zentralen Koordinator wie eine Glühbirne an die einzelnen Endgeräte zu senden.
Der Koordinator ist das leistungsfähigste Gerät und befindet sich im Stammverzeichnis des Netzwerks. Es gibt nur einen Koordinator pro Netzwerk, der für die Ausführung mehrerer Aufgaben verantwortlich ist.
Sie wählen einen geeigneten Kanal aus, indem sie einen Kanalscan durchführen und den am besten geeigneten mit der geringsten Interferenz finden, dem Netzwerk eine eindeutige ID zuweisen, jedem Gerät im Netzwerk eine eindeutige Adresse zuweisen und die Nachrichten initiieren und übertragen oder Anweisungen innerhalb des Netzwerks.
Router sitzen zwischen dem Koordinator und den Endgeräten und sind für das Routing der Nachrichten zwischen den verschiedenen Knoten verantwortlich.
Sie empfangen Nachrichten vom Koordinator und speichern sie dann, bis ihre Kinder, die Endgeräte, in der Lage sind, sie zu empfangen. Router können auch anderen Routern und Endgeräten erlauben, dem Netzwerk beizutreten; sie übernehmen diese Verantwortung vom Koordinator.
Endgeräte steuern eine sehr kleine Menge an Informationen; gerade genug, um mit dem übergeordneten Knoten zu kommunizieren, der je nach Art des Zigbee-Netzwerks der Koordinator oder ein Router sein kann.
Sie gehen oft in den Ruhezustand (Standby-Modus), wodurch batteriebetriebene Geräte ideal als Endgerät geeignet sind.
Endgeräte kommunizieren nicht direkt miteinander, so spricht beispielsweise eine Glühbirne nicht direkt mit einer anderen.
Der gesamte Datenverkehr wird zuerst an den übergeordneten Knoten weitergeleitet, der normalerweise der Router ist. Der Router hält an diesen Daten fest, bis das empfangende Endgerät in der Lage ist, sie zu empfangen, indem es wach ist.
Endgeräte sind auch dafür verantwortlich, ausstehende Nachrichten vom übergeordneten Gerät anzufordern.
Was genau ist Zigbee?
Der Begriff Zigbee wird in der Smart-Home-Welt häufig verwendet, da er auf der Verpackung vieler verschiedener Smart-Home-Geräte beworben wird, aber was genau ist das?
Zigbee ist ein drahtloser Technologiestandard, der speziell für die drahtlose Kurzstreckenkommunikation entwickelt wurde.
Es ist ein Open-Source-Standard, der von einem Unternehmen namens Zigbee Alliance entwickelt wurde, das bereits in 2002 gegründet wurde und heute aus Hunderten von Unternehmen auf der ganzen Welt besteht.
Sie fragen vielleicht: Warum brauchen wir einen weiteren drahtlosen Kurzstreckenkommunikationsstandard, wenn wir bereits über Wi-Fi und Bluetooth verfügen?
Zigbee wurde speziell für Steuerungs- und Sensornetzwerke entwickelt, in denen bestimmte Geräte überwacht und andere gesteuert werden. Wi-Fi und Bluetooth sind für diese Art von Setup nicht ganz geeignet.
Zigbee war die Antwort auf ein Bedürfnis, das viele hatten. Es bietet eine kostengünstige Lösung für Low-Power-Geräte mit einer niedrigen Datenrate und arbeitet über eine kurze Reichweite.
Es ist der am häufigsten verwendete Standard im IoT (Internet der Dinge). IoT bezieht sich einfach auf die wörtlichen Milliarden von physischen Geräten auf der ganzen Welt, die mit dem Internet verbunden sind und Daten sammeln und austauschen.
Wenn Sie es so betrachten, ist es klar zu sehen, wie beliebt Zigbee ist als drahtloser Kommunikationsstandard und nicht nur im Smart-Home-Bereich.
Verschiedene Arten von Zigbee-Netzwerken
Es gibt drei Haupttypen von Zigbee-Netzwerktopologien: Stern, Netz und Baum. Eine Topologie bezieht sich einfach auf das Layout und die Anordnung verschiedener Elemente innerhalb eines Kommunikationsnetzwerks.
Sterntopologie
Die Sterntopologie ist sowohl die einfachste als auch die kostengünstigste Art von Zigbee zu implementieren. Sie bestehen aus keinen Routern und alle Endgeräte kommunizieren direkt mit dem Koordinator.
Das größte Problem bei diesem Setup ist, dass bei einem Ausfall des Koordinators das gesamte Netzwerk abstürzt und keines der Endgeräte funktioniert, da niemand da ist, der ihnen Anweisungen gibt.
Sternnetzwerke sind auch durch die Reichweite des Koordinators selbst begrenzt und daher wirklich nur für kleinste Netzwerke geeignet, die nur aus wenigen Geräten bestehen.
Mesh-Topologie
In der Mesh-Topologie ist jeder Knoten mit einem benachbarten Knoten verbunden, mit Ausnahme der Endgeräte, die nur mit ihrem übergeordneten Knoten, einem Router, verbunden sind.
Der Koordinator stellt eine Verbindung zu den Routern in der Nähe her, die sich dann mit den anderen Routern in ihrer Nähe verbinden. Daher können einige Router mit dem Koordinator und einem anderen Router verbunden sein, während andere je nach Größe des Netzwerks mit drei oder vier verschiedenen Routern verbunden sein können.
Wenn ein Gerät mit einem anderen kommunizieren möchte, springt die Nachricht von einem Gerät zum anderen und nimmt den kürzest möglichen Weg, bis sie ihr Ziel erreicht.
Sollte ein bestimmter Knoten ausfallen, funktioniert das Netzwerk weiterhin, da die Nachricht einfach umgeleitet werden kann, indem ein anderer Pfad verfolgt wird. Dies wird als „Selbstheilungsprozess“ bezeichnet.
Die Mesh-Topologie eignet sich gut für Smart Homes, da sie normalerweise mehr Geräte haben, als eine Sterntopologie wirklich geeignet ist.
Baumtopologie
Die Baumtopologie ist der Mesh-Topologie sehr ähnlich, mit dem einzigen wirklichen Unterschied, dass die Router nicht miteinander verbunden sind.
Der Koordinator verbindet sich mit allen Routern in der Nähe und die Router verbinden sich mit den Endgeräten in der Nähe, aber das ist das Ausmaß der Verbindungen. Die Router verbinden sich nicht miteinander und kommunizieren nur mit dem Koordinator und den Endgeräten.
Es gibt eine andere Art von Setup, das als Cluster-Baum-Netzwerk bezeichnet wird und es den Routern ermöglicht, sich miteinander zu verbinden, was die Reichweite des Netzwerks erweitert.
Welches Frequenzband verwendet Zigbee?
Derzeit gibt es 3 Frequenzbänder, die Zigbee zur Verwendung zugewiesen sind.
Das 868-MHz-Band verwendet Kanal 0 und ist nur in Europa verfügbar, und das 915-MHz-Band verwendet die Kanäle 1 bis 10 und ist nur in Australien und den USA verfügbar.
Das 2,4-GHz-Frequenzband, mit dem Sie wahrscheinlich besser vertraut sind, kann weltweit verwendet werden und verwendet die Kanäle 11 bis 26.
Es ist zu beachten, dass nur der eine Kanal ausgewählt ist, den das Zigbee-Netzwerk beim ersten Aufbau verwenden soll.
Warum ist das wichtig?
Zigbee- und Wi-Fi-Netzwerke existieren beide am häufigsten innerhalb der 2.4-GHz-Band und haben das Potenzial, sich gegenseitig zu stören, wobei das Zigbee-Netzwerk normalerweise derjenige ist, der den Treffer erzielt.
Da Sie wahrscheinlich bereits ein Wi-Fi-Netzwerk in Ihrem Haus haben, ist ein wenig Planung erforderlich, wenn Sie Zigbee-Geräte verwenden möchten, um sicherzustellen, dass diese Störungen nicht auftreten.
Meine Empfehlung wäre, den Kanal, auf dem Ihr Wi-Fi-Netzwerk betrieben wird, zu ändern und sich vom sehr überfüllten Kanal 6 zu einem weniger überlasteten Teil des Frequenzbandes wie 1 oder 11 zu bewegen.
Dies kann leicht geändert werden, indem Sie sich im Admin-Bereich Ihres Routers anmelden, die WLAN-Einstellungen finden und einfach den ausgewählten Kanal ändern. Möglicherweise müssen Sie die „automatische Kanalauswahl“ deaktivieren, wenn sie aktiviert ist, damit Sie Ihren bevorzugten Kanal manuell auswählen können.
Es besteht auch die Möglichkeit, auf das 5-GHz-Band umzuschalten, das viel weniger überfüllt ist als das 2,4-GHz-Band, aber es gibt viel weniger Geräte, die dieses Band verwenden können, und Sie müssten bereits über einen Dual-Band-Router verfügen.
Das Ändern Ihres Wi-Fi-Netzwerkkanals kann nicht nur zu weniger Interferenzen mit Ihren Zigbee-Geräten führen, sondern auch zu einer Leistungssteigerung in Ihrem gesamten Netzwerk.
Wahrscheinlich hat Ihr Nachbar seinen Kanal nicht geändert, und da die meisten Produkte einen Standardkanal von 6 verwenden, verwenden Sie höchstwahrscheinlich denselben. Dies könnte Störungen für Sie beide verursachen.
Es gibt viele verschiedene drahtlose Scan-Tools, mit denen die Aktivität auf jedem Kanal gescannt werden kann (dieses Tool ist kostenlos und erfordert keine Installation). Wenn Sie feststellen, dass ein bestimmter Kanal stark überlastet ist, sollten Sie einen neuen Kanal für Ihr Netzwerk auswählen.
Häufigste Anwendungen für Zigbee
Es gibt viele verschiedene Anwendungen für die Zigbee-Technologie, die ihren geringen Stromverbrauch und ihre niedrige Datenübertragungsrate nutzen.
Die häufigsten sind Hausautomation, industrielle Steuerungssysteme, medizinische Datenerfassung, Rauch- und Einbruchwarnung sowie drahtlose Sensornetzwerke.
Der Hauptzweck des Zigbee-Standards besteht darin, entweder Informationen zu sammeln oder bestimmte Steuerungsaufgaben innerhalb eines Gebäudes auszuführen.
Im Falle der Hausautomation befindet sich in der Mitte ein Hausautomationscontroller, der allgemein als „Hub“ bezeichnet wird
Der Hub verbindet sich mit einem Gateway, das normalerweise Ihr Internetrouter ist und die Schnittstelle zwischen dem Zigbee-Hub und dem breiteren Internet darstellt. Da sowohl der Controller als auch das Gateway miteinander verbunden sind, können Sie Ihre Smart-Home-Geräte von überall auf der Welt aus steuern.
Zu den gängigsten Smart-Home-Geräten, die Zigbee unterstützen, gehören Leuchten, Türschlösser und Schalter.
An der Wand könnte sich beispielsweise ein Lichtschalter befinden, der nicht an das Stromnetz angeschlossen ist und nur mit Batterien betrieben wird.
Wenn Sie den Schalter ein- oder ausschalten, wird eine Nachricht drahtlos an den Controller (den Koordinator im Netzwerk) gesendet, der die Nachricht dann an die entsprechende Glühbirne weiterleitet, um sie ein- oder auszuschalten.
Es hört sich so an, als würde Zigbee sehr ähnlich wie Wi-Fi und Bluetooth funktionieren, warum werden sie also nicht einfach stattdessen verwendet?
Warum ist Zigbee wichtig?
Es gibt mehrere wichtige Gründe, warum Zigbee in bestimmten Szenarien wie den oben beschriebenen verwendet wird und nicht Wi-Fi oder Bluetooth.
Einfach ausgedrückt, sind weder Wi-Fi noch Bluetooth in Situationen geeignet, in denen nicht viel Strom oder Daten benötigt werden oder in denen Hunderte von Geräten im Netzwerk sind.
Wi-Fi verbraucht viel Strom zusätzlich zu einer hohen Datenrate, die in vielen Fällen einfach übertrieben ist. Zigbee verwendet auch nicht viel davon.
Bluetooth kann nur bis zu 7 Geräte in einem Netzwerk unterstützen, während Zigbee Hunderte unterstützen kann.
Vergleichen wir Zigbee mit Wi-Fi und Bluetooth und schauen uns die Vorteile an. Dies wird hoffentlich zeigen, wie Zigbee für ein Smart Home sehr gut geeignet ist.
Die Vorteile von Zigbee
Einer der Hauptvorteile der Verwendung von Zigbee über Wi-Fi oder Bluetooth besteht darin, dass es erheblich weniger Strom verbraucht. Da die Geräte den größten Teil ihrer Zeit im Energiesparmodus verbringen, laufen sie in der Regel mehrere Jahre, ohne dass die Batterien gewechselt werden müssen.
Zigbee-Geräte arbeiten auch mit einer sehr niedrigen Datenrate, insbesondere im Vergleich zu Wi-Fi und Bluetooth. Während Wi-Fi etwa 11 Mbit / s und Bluetooth 1 Mbit / s verwendet, verwendet Zigbee zwischen 20 Kbit / s und 250 Kbit / s. Dies ist eine sehr kleine Datenmenge, die jedoch für die Anwendung von Zigbee ausreicht.
Selbst bei 250 Kbit / s überträgt Zigbee Daten etwa viermal schneller als Bluetooth und vierzig Mal schneller als Wi-Fi.
Zigbee-Geräte funktionieren sehr gut bei kurzer Reichweite in Innenräumen bis zu 100 Metern, aber dies wird durch eine Sichtlinie auf 300 Meter und darüber hinaus im Freien erweitert.
Die Zeit, die benötigt wird, um einem Zigbee-Netzwerk beizutreten, ist im Vergleich zu Wi-Fi- und Bluetooth-Netzwerken ebenfalls viel geringer. Es dauert ungefähr 3 Sekunden, um einem Wi-Fi-Netzwerk beizutreten, und Bluetooth kann bis zu 10 Sekunden dauern! Zigbee benötigt nur 30 Millisekunden, um eine Verbindung herzustellen.
Zigbee unterstützt auch kleine und große Netzwerke. Theoretisch könnten bis zu 6.500 Geräte an ein einziges Zigbee-Netzwerk angeschlossen sein, in Wirklichkeit sind es jedoch eher 240. Dies sind immer noch viele Geräte im Kontext eines Smart Home.
Wi-Fi-Netzwerke unterstützen im Allgemeinen etwa 32 Geräte, während Bluetooth mit etwa 7 Geräten viel weniger unterstützt.
Ein weiterer Grund für viele Unternehmen, mit Zigbee an Bord zu gehen, ist, wie billig es zu implementieren ist. Im Vergleich zu Bluetooth und Wi-Fi, die beide sehr komplex sind, ist Zigbee eine sehr einfache Technologie, die einfach zu bedienen ist.
Es ist auch Open Source, was es für Unternehmen, die es verwenden, noch billiger macht, da sie keine Lizenzgebühren oder Lizenzgebühren zahlen müssen.
Zigbee ist auch sehr sicher.
Es verwendet AES-kryptografische Algorithmen für die Datenverschlüsselung und -authentifizierung. das gleiche wie das, was von Banken verwendet wird, so dass Sie wissen, dass es einen großartigen Job beim Schutz von Daten macht.
Wie Sie sehen, bietet Zigbee viele Vorteile, nicht nur für Unternehmen, die die Technologie zur Herstellung ihrer Smart-Home-Geräte verwenden, sondern auch für uns als Verbraucher.
Zigbee Einfach und billiger zu implementieren bedeutet für uns niedrigere Kosten, wenn wir unsere Smart-Home-Ausrüstung kaufen.
| WLAN | Bluetooth | Zigbee | |
| Datenrate | 11 Mbit/s | 1 Mbit/s | 250 Kbit/s |
| Zeit zum Beitritt zum Netzwerk | 3 Sekunden | 10 Sekunden | 30 Millisekunden |
| Anzahl der unterstützten Geräte | 32 | 7 | 240 |
Welche Geräte verwenden Zigbee?
Wie ich bereits in dem Artikel erwähnt habe, Zigbee bildete eine Allianz von Unternehmen, die sich für die Verwendung des Protokolls bei der Entwicklung und Herstellung ihrer Produkte angemeldet haben.
Die Allianz besteht nun aus über 400 Mitgliedern und hat insgesamt über 2,500 einzelne Produkte hergestellt, die mit Zigbee arbeiten.
Schauen Sie auf die Zigbee Alliance-Website und Sie werden alle großen Spieler im Smart-Home-Spiel wie Samsung mit ihrer SmartThings-Gerätelinie, Yale, Philips Hue, IKEA, Amazon Echo, Tuya und viele mehr sehen.
Hier können Sie alle Mitglieder der Zigbee Alliance sehen, um zu sehen, ob Ihre vorhandenen Smart-Home-Geräte Zigbee-kompatibel sind.
Hier sind einige der bekannteren Smart-Home-Geräte, die Sie möglicherweise bereits besitzen und die für die Arbeit mit dem Zigbee-Protokoll zertifiziert wurden:
- SmartThings Mehrzweck Sensor
- Philips Farbton
- Yale smart schlösser
- Amazon Echo Zeigen
- Honeywell Hause Energie Manager
- Tuya Temperatur und Feuchtigkeit Sensor
- Ecobee Smart Thermostat
Sollten Sie Pflege Über Zigbee?
Die Frage, die Sie sich jetzt wahrscheinlich stellen, ist, ob Sie sich für Zigbee interessieren sollten? Es ist absolut wichtig, dass alle Ihre Smart-Home-Geräte mit Zigbee arbeiten und Sie sollten alle Geräte vergessen, die nur Wi-Fi verwenden?
Ich glaube nicht, dass Sie sich zu viele Gedanken darüber machen müssen, ob Ihre Geräte Zigbee oder ein anderes Protokoll verwenden.
Es würde sicherlich das Leben ein bisschen einfacher machen, wenn sie alle das gleiche Protokoll verwenden würden, aber in Wirklichkeit ist das sehr schwierig zu erreichen, insbesondere bei der großen Anzahl verschiedener Geräte, die alle von verschiedenen Unternehmen hergestellt werden.
Wenn Sie nur möchten, dass alles mit einem Alexa- oder Google-Gerät funktioniert und nicht wie die meisten von uns die zusätzlichen Komplikationen eines Smart Hubs haben möchten, können Sie eine Kombination aus Wi-Fi- und Zigbee-Geräten verwenden.
Wenn Sie die lokale Steuerung wünschen, die mit einem Hub einhergeht, sind Geräte, die mit Zigbee arbeiten, Ihre bevorzugte Option.