Was ist ein ZigBee-Netzwerk? Ein kompakter Überblick

Eine kurze Beschreibung von ZigBee-Netzwerken und wie sie in der intelligenten Automatisierung und anderen Anwendungen mit geringer Bandbreite nützlich sein können.

Besprechen Sie Ihre Projektanforderungen

Die grundlegendste Erklärung für die ZigBee-Technologie ist, dass es sich um ein Netzwerk für den Austausch niedriger Datenraten über Geräte mit geringem Stromverbrauch in unmittelbarer Nähe handelt. Das macht ZigBee attraktiv für kleine Projekte, die drahtlose Kommunikation benötigen. In kommerzieller Hinsicht eignen sich ZigBee-Standardnetzwerke perfekt für die Heimautomatisierung, wie z. B. intelligente Beleuchtungs- und Temperatursteuerung, Home Entertainment, medizinische Datenerfassung, industrielle Steuerung, intelligente Energie, eingebettete Sensorik, Gebäudesicherheitssensorik und viele weitere Anwendungen, bei denen eine geringe Bandbreite verwendet wird und die Batterielebensdauer der Geräte erhalten bleiben muss. Die niedrige Leistungsaufnahme der Geräte bedeutet, dass die Datenübertragung auf eine Sichtweite von 10 bis 100 m begrenzt ist, aber innerhalb eines Netzwerks von ZigBee-Geräten können die Daten viel weiter verbreitet werden.

Warum nicht einfach Bluetooth verwenden?

Bluetooth ist für die Übertragung höherer Datenraten von bis zu 25 Mbit/s ausgelegt, damit Sie Aufgaben wie das Streaming von Musik durchführen können. Dies verbraucht eine vergleichsweise hohe Leistung von 1 Watt. ZigBee hat einen Datendurchsatz von nur 250 Kbps, verbraucht aber nur zwischen 10 und 100 Milliwatt (mW). Wenn Sie Geräte haben, die keinen hohen Datendurchsatz benötigen und batteriebetrieben sind, würde ein Bluetooth-Netzwerk unnötig Batteriestrom verbrauchen.

Die Bestandteile eines ZigBee-Standardnetzes werden in 3 Typen unterteilt:

Koordinator (ZC): Ein bestehendes Netz wird mit dem Koordinator verdrahtet. Er ist die Quelle des Netzwerks, die Wurzel des Baums, der Brücken zu anderen Netzwerken schlagen kann. Der ZC speichert Informationen über das Netz und verwaltet die Sicherheitsschlüssel und den Zugang und fungiert als Trust Center. Ein Beispiel für einen ZigBee-Koordinator wären die Modems, die Assured Systems am Ende dieses Artikels bereitstellt.

Router (ZR): ZRs können eine Funktion innerhalb des Netzes erfüllen sowie Daten von und zu anderen Geräten im Netz empfangen und weiterleiten. Ein Beispiel wäre ein Wasserzähler, der den Verbrauch abliest und dann die Daten an das Handgerät eines Außendienstmitarbeiters weiterleitet.

Endgerät (ZED): Ein ZED erfüllt eine Funktion für eine Anwendung, aber nicht viel mehr. Es kann seinen übergeordneten Knoten (Koordinator oder Router) empfangen und ihm antworten, aber es kann nicht mit anderen Geräten im Netz kommunizieren. Diese Beziehung ermöglicht es dem Knoten, sich auszuruhen und die Batterie zu schonen. Ein Beispiel wäre ein Lichtschalter in einem automatischen Hausverwaltungssystem.

Die gebräuchlichsten Netzwerkkonfigurationen für ein ZigBee-Netzwerk sind Stern, Mesh und Clusterbaum.

Sternförmiges Netzwerk: Es gibt einen Koordinator, der mehrere Endgeräte (Knoten) initiiert und verwaltet. Die Endgeräte kommunizieren nur mit dem Koordinator. Dies ist bis zu einem gewissen Punkt in Ordnung, bis der Koordinator einen Engpass hat.

Maschennetz: In einem Mesh-Netz wird das Netz über mehrere Router erweitert, die mit dem Koordinator verbunden sind. Jedes Gerät kann dann mit jedem benachbarten Knoten kommunizieren. Fällt ein Knoten aus, können die Daten an den nächsten Knoten weitergeleitet werden, wodurch Redundanz geschaffen wird, was in vielen Branchen ein wichtiger Faktor ist. Fällt jedoch der Router aus, sind die Knoten im Netz verloren. Dies ist der häufigste Typ von ZigBee-Netzwerken.

Cluster-Baum: Übergeordnete Router, die mit dem Koordinator verbunden sind, haben untergeordnete Endgeräte, und diese Familie wird zu einem Cluster. Ein Clusterbaum-Netzwerk ist vergleichbar mit mehreren sternförmigen Netzwerken, die vom Stamm eines Koordinators abzweigen.

Die ZigBee-Protokollarchitektur OSI-Modell

Die ZigBee-Protokollarchitektur besteht aus Schichten, die auf den Basisschichten (MAC und physikalisch) der Standardarbeitsgruppe IEEE 802.15.4 aufbauen, die den Betrieb von "drahtlosen persönlichen Netzwerken mit niedriger Rate" (LR-WPANs) definiert.

Anwendungsschicht: Innerhalb der Unterstützungsunterschicht werden die Dienste aktiviert, die es ZigBee-Geräteobjekten und Anwendungsobjekten ermöglichen, mit der Netzwerkschicht zu interagieren, um Daten zu verwalten. Das Framework bietet 2 Datendienste an, einen Schlüsselwert- und einen generischen Nachrichtendienst. Der generische Dienst wird vom Entwickler definiert, während der Schlüsselwert Attribute innerhalb der Anwendungsobjekte erhält.

Netzwerkschicht: Diese Schicht verwaltet Verbindungen und Trennungen zu Geräten, Routing und Konfigurationen.

Medium Access Control (MAC): Diese Schicht überträgt alle Daten zu und von verschiedenen Netzwerken mit Carrier Sense Multiple Access Collision Avoidance (CSMA). Die Bakenrahmen synchronisieren die Kommunikation.

Physikalische Schicht: Ermöglicht die Modulation und Demodulation für die Übertragung und den Empfang von Signalen innerhalb der festgelegten Frequenzen und Kanäle.

Industrielle M2M (Maschine zu Maschine) ZigBee-Modems

Assured Systems kann industrielle M2M-Modems für Ihr ZigBee-Netzwerk liefern. Diese Modems werden über serielle(MLB-Z1001) oder LAN(MLB-Z4001) mit bestehenden Netzwerken verbunden und fungieren als Koordinator für den Aufbau eines ZigBee-Netzwerks.

MLB-Z1001

Der MLB-Z1001 ist für die RS-232/422/485-Kommunikation über jedes verfügbare ZigBee ausgelegt und ermöglicht die Kommunikation zwischen Maschinen in Anwendungen wie der Fabrikautomation. Lesen Sie hier mehr über das MLB-Z1001.

MLB-Z4001

Das MLB-Z4001 ist ein Ethernet-zu-900-MHz-RF-Modem für die Ethernet-Kommunikation über ein ZigBee-Netzwerk. Mit Hilfe eines RJ45-Ethernet-Anschlusses kann das Modem Daten über ein Mesh-Netzwerk empfangen und senden. Lesen Sie hier mehr über das MLB-Z4001.

Über Assured Systems

Assured Systems ist ein führendes Technologieunternehmen, das qualitativ hochwertige und innovative angewandte Computerlösungen für den eingebetteten, industriellen und Digital-out-of-Home-Markt auf der ganzen Welt anbietet. Mit Hauptsitz in Stone, England, und Niederlassungen in Nordamerika ist unsere Reichweite wirklich global. Unser beeindruckendes Produktportfolio umfasst eine breite Palette an lüfterlosen Embedded-Computer-Systemen, Digital Signage- und Multimedia-Computer-Systemen, Touchscreen-Panel-PCs, Mensch-Maschine-Schnittstellen, Fahrzeug-Computern, Rackmount-Computer-Systemen, Single-Board-Computern, robusten Laptops und Tablets.