ZigBee Standard » Einfach erklärt
Aktualisiert: 20.05.2022 | Lesedauer: 8 Minuten
ZigBee ist ein bei der Heimautomation verbreitetes Kommunikationsprotokoll.
Es vernetzt LED-Leuchtmittel und viele weitere Produkte im Smart Home herstellerübergreifend. In unserem Ratgeber erfahren Sie, welche Vorteile der ZigBee-Standard bietet.
Das Licht dimmen, die Farbe ändern oder Lichtstimmungen auf Knopfdruck abrufen: Das und mehr zählt zu den Vorteilen kabelloser Lichtsysteme fürs Smart Home. Viele funkvernetzte Beleuchtungslösungen wie Philips Hue oder Osram Smart+ von Ledvance basieren auf dem beliebten ZigBee-Standard.
ZigBee ist ein vielseitiges, energieeffizientes Heimvernetzungs-Funkprotokoll, das für smarte Gebäude, Smart-Home-Lösungen, Embedded-Geräte und das Internet der Dinge (IoT) ausgelegt ist. Es wurde zur Übertragung von geringen Datenmengen und im Hinblick auf einen minimalen Energieverbrauch entwickelt und wird von einigen großen Herstellern verwendet. Wie die konkurrierenden Funkprotokolle Z-Wave, EnOcean und Bluetooth Smart (Bluetooth Low Energy) eignet sich ZigBee sehr gut für den Aufbau von maßgeschneiderten Hausautomatisierungssystemen, Sensornetzen und medizinischen Anwendungen. Durch die leichte Installation ist ZigBee der richtige Funkstandard für Nutzer, die sich nur wenig mit der Technik beschäftigen möchten.
Entwickelt hat das ZigBee-Protokoll die ZigBee Alliance als federführende Organisation. Zu den bekanntesten Herstellern, die ZigBee unterstützen, zählen Philips, General Electric, Innr/Ledvance (Osram/Lightify), Huawei, Somfy, Amazon, Ikea, Honeywell, Busch-Jaeger, Jung, Gira, Bosch, Samsung, Kärcher, Siemens, Telekom, Velux und ZTE.
Der ZigBee-Standard wird von smarten Beleuchtungslösungen wie Philips Hue eingesetzt.
Smart Home Ratgeber
Das Angebot an Smart Home-Systemen ist riesig: Es stehen viele unterschiedliche Hausautomationssysteme zur Auswahl.
In unserem Smart Home Ratgeber findest du nützliches und interessantes Wissen rund um alle Anwendungsgebiete zu Thema Smart Living. Wir erklären worauf du bei der Auswahl eines Smart Home-Systems achten musst und welche Möglichkeiten und Vorteile ein intelligentes Zuhause bietet.
ZigBee-Geräte, in diesem Beispiel Lampen, kommunizieren
drahtlos auch untereinander.
Die Einsatzmöglichkeiten von ZigBee sind vielfältig. Mit Hilfe des Standards können intelligente Hausautomationssysteme Geräte ein- und ausschalten sowie steuern, Lichter dimmen, motorisierte Rollläden und Jalousien automatisieren und viele Komfortanwendungen realisieren. Auch für Sensormessungen, Steuerungsanlagen und im medizinischen Bereich findet ZigBee Verwendung.
ZigBee-Geräte kommunizieren drahtlos untereinander. Das macht es leicht, die eigenen vier Wände mit einem ZigBee-System auszustatten. Weil keine Verdrahtung notwendig ist, eignet sich das System gleichermaßen für Neubauten und als Nachrüstlösung für Wohnungen und Häuser. Die einfache und schnelle Montage erfolgt ohne Stemmarbeiten und Schlitze ziehen. Bei einem Umzug nimmst du deine ZigBee-Komponenten einfach mit – das macht nach dem ZigBee-Standard funkende Geräte auch für Mieter empfehlenswert.
Aufgrund der stromsparenden Arbeitsweise und der kleinen Datenpakete eignet sich der ZigBee-Standard sehr gut zur Übertragung von Sensordaten bei akkubetriebenen oder batteriebetriebenen Sensoren wie Bewegungsmeldern oder Rauchmeldern und für batteriebetriebene Funkbedienelemente wie Handsender. Durch den geringen Energieverbrauch hält eine Batterie lange Zeit. Manche Sensoren oder Signalgeber arbeiten jahrelang, ohne dass die Batterie getauscht werden muss.
Ein weiterer Vorzug bei der Steuerung durch ZigBee: Mit der Technik können sich Geräte wie Lampen untereinander selbstständig vernetzen (Mesh-Netzwerk). Durch die Kommunikation zwischen den Sensoren, Schaltern oder Leuchten kann sich ein ZigBee-Verbund auch über größere Entfernungen erstrecken. Du kannst ZigBee daher auch in großen Räumen, Wohnungen und Häusern mit Hindernissen wie Stahlbetonwänden, Raumteilern und Glasflächen verwenden. Wie Mesh-Netzwerke funktionieren und welche Vorteile Ihnen die Technik bietet, erfährst du im Mesh-Netzwerke-Ratgeber.
Das ZigBee-Protokoll regelt, wie Geräte im vernetzten Heim miteinander kommunizieren und Signale übertragen. Der Standard verbindet vernetzte Produkte auf kurzen Entfernungen miteinander. Das Funksignal wird in den lizenzfreien ISM-Bändern mit 868 MHz, 915 MHz und 2,4 GHz übertragen.
Wie bei WLAN/WiFi und Bluetooth beträgt die Funkreichweite je nach Sendeleistung und baulicher Umgebung zwischen 10 und 20 Meter – unter Idealbedingungen sind theoretisch bis zu 100 Meter möglich. Die maximal erzielbare Datenübertragungsrate liegt bei 250 Kilobit pro Sekunde (kBit/s). Das ist deutlich geringer als bei den 802.11-WLAN-Standards für die Übertragung multimedialer Daten mit großen Datenraten, genügt für Steueraufgaben im Smart Home und zur Übermittlung von Statusmeldungen jedoch vollauf. Du kannst ZigBee für alle Arten von Wohnräumen, Häusern und Gewerberäumen verwenden. Es treten üblicherweise keine Interferenzen mit anderen elektronischen Geräten auf. Computer, WLANs, Alarmanlagen und schnurlose Telefone werden in der Regel nicht gestört.
Interessante ZigBee-Komponenten
ZigBee-Geräte können sich in einer Sternstruktur, einem Baumschema und per Peer-to-Peer-Topologie (vermaschtes Netzwerkschema, Mesh) verbinden und untereinander kommunizieren. Die Mesh-Übertragung sorgt für hohe Zuverlässigkeit und Effizienz, da jedes ZigBee-Gerät gleichzeitig Empfänger und Sender ist und damit als Repeater für die benachbarten Geräte funktioniert. Die Komponenten sind nicht nur in Kontakt mit dem einen zentralen Punkt, sondern auch untereinander. So wächst durch jede Lampe die Reichweite – mitunter sogar über die Grenzen des WLANs hinaus, etwa in angrenzende Stockwerke, entfernt liegende Räume, auf die Terrasse oder in den Garten. Selbst weitläufige Wohnungen und Häuser lassen sich dank Mesh-Funktion vollständig ansteuern, wenn du in jedem Zimmer mindestens ein ZigBee-Produkt installierst.
Die Mesh-Funktion verhindert überdies Funklöcher und sorgt für eine hohe Zuverlässigkeit: Im Falle einer Unterbrechung des Signalpfads durch ein abgeschaltetes oder ausgefallenes Gerät wird einfach eine alternative Route über die anderen Geräte verwendet, um das Datensignal ans Ziel zu bringen.
Durch die Kommunikation der Geräte untereinander erweitert jedes weitere Gerät gleichzeitig die Funkreichweite des ZigBee-Verbundes.
Nach dem ZigBee-Standard funkende Geräte verwenden eine Funkzentrale (Bridge, Gateway) als Basisstation, Kommunikationszentrale und Smart-Home-Zentrale. Das Gateway wird an eine freie Steckdose angeschlossen und per Netzwerkkabel oder WLAN mit dem Router verbunden. Anschließend kannst du das System über eine App als Controller auf dem Smartphone, Tablet oder PC einrichten, nach deinen Wünschen konfigurieren und bedienen. Weitere Geräte und Zubehör lassen sich über die App jederzeit hinzufügen. Die App zeigt den Status der verbundenen Geräte sowie Lampen an und bietet Automationsmöglichkeiten. Du kannst Lichtstimmungen oder wiederkehrende Abläufe in Szenen festhalten und mit einem Fingerzeig aktivieren. Auch eine zeitgesteuerte Lichtsteuerung oder eine Aktvierung bei Auslösen eines Sensors ist möglich.
Üblich ist eine Fernsteuerung von außerhalb des lokalen Netzwerks. So lassen sich die ZigBee-Produkte auch von unterwegs bedienen, um etwa das Licht ein- und auszuschalten.
ZigBee ist ein offener Smart-Home-Standard und basiert auf der Wireless-Data-Spezifikation IEEE 802.15.4. Der ZigBee-Protokollstapel besteht aus mehreren Schichten (Layer). Die Basis bildet das Physical Layer (Bitübertragungsschicht) mit den Grundfunktionen zum Senden und Empfangen. Drüber liegen die Medium Access Control Layer (MAC, Medienzugriffsschichten zum Aufbau logischer Kanäle), das Network Layer (NWK, Netzwerkschicht) und der Application Layer (APL, Anwendungsschicht). Die Anwendungsschicht ist anpassbar. Hersteller können dadurch eigene Ergänzungen zu ZigBee realisieren. Als Folge gibt es nicht DEN EINEN ZigBee-Standard, sondern eine Vielzahl an Profilen.
Die Profile enthalten spezifische Vorgaben für bestimmte Anwendungen. Am populärsten sind das Lichtsteuerungsprofil ZigBee Light Link und ZigBee Home Automation zur Steuerung smarter Geräte in kleinen Gebäuden. Weitere Profile sind etwa ZigBee Building Automation, ZigBee Health Care oder ZigBee Retail Services.
Die Vielfalt spezifischer Profile relativiert die Kompatibilität. ZigBee-Produkte, die das Profil ZigBee Light Link nutzen, können nicht direkt mit Produkten auf Basis von ZigBee Home Automation kommunizieren. Darin liegt auch der Grund, weshalb sich zum Beispiel viele, jedoch nicht alle LED-Leuchtmittel verschiedener Hersteller, die dem ZigBee-Standard entsprechen, an einer Philips Hue Bridge (Funkzentrale des smarten Hue-Beleuchtungssystems von Philips) anmelden lassen.
Mit einer Hue-Bridge kannst du etwa OSRAM-Lightify-Leuchtmittel auf ZigBee-Basis und Trådfri-Birnen von IKEA verbinden. Ein Hue-System wiederum ist kompatibel zu vielen Smart-Home-Systemen, darunter zu Qivicon (Magenta SmartHome und Vattenfall Smart Home, teilweise ist ein ZigBee-Funkstick erforderlich), eQ-3 HomeMatic IP, Bosch Smart Home, Devolo HomeControl, smarte Thermostate von Nest, Homee sowie Samsung SmartThings.
Die individuellen Anpassungen im Application Layer und die Unterschiede bei den Profilen machen es Nutzern nicht immer leicht, ZigBee-Produkte verschiedener Hersteller zu kombinieren. Das funktioniert im Einzelfall oder recht komfortabel über kleine Umwege wie die Alexa-Sprachsteuerung in Amazon Echo Plus als Smart-Home-Zentrale mit ZigBee-Unterstützung. Auch über Apple HomeKit und Google Assistant (Google Home) lassen sich ZigBee-Geräte wie die intelligenten Hue-Leuchtmittel von Philips mit Geräte anderer Marken verbinden.
Mit Einführung von ZigBee 3.0 profitierst du als Nutzer von einem einheitlichen Standard für alle Geräte in vernetzen Gebäuden. Die ZigBee Alliance hat in ZigBee 3.0 für eine herstellerübergreifende Interoperabilität viele verschiedene Profile unter einem Dach zusammengefasst. Im Einzelnen sind das Light Link, Home Automation, Building Automation, Retail Services, Health Care, Telecommunications Services und Green Power.
Durch die Vereinheitlichung brauchst du als Anwender bei der Anschaffung neuer Geräte für dein Heimautomationssystem nicht mehr auf die Profile zu achten: Sensoren und Aktoren, die gemäß ZigBee 3.0 zertifiziert sind, verstehen sich untereinander. Dadurch lassen sich die LED-Leuchten eines Herstellers an der Funkzentrale eines anderen Anbieters anmelden und umgekehrt. Das funktioniert beispielsweise mit der rechteckigen Hue-Bridge, die ZigBee 3.0 unterstützt. ZigBee 3.0 erlaubt dadurch den Mix verschiedener Marken und erweitert die Auswahlmöglichkeiten. Lediglich spezifische Extrafunktionen, die manche Hersteller über den Umfang von ZigBee 3.0 hinaus in ihre Produkte integrieren, stehen auch weiterhin exklusiv bei den betreffenden Fabrikaten zur Verfügung.
Großer Pluspunkt: ZigBee 3.0 ist abwärtskompatibel. Du kannst an einer Funkzentrale mit ZigBee 3.0 also weitere Geräte mit den bisherigen Profilen anmelden. An der rechteckigen Hue-Bridge sind das LED-Leuchten mit dem Profil ZigBee Light Link.
Auf den Punkt gebracht macht ZigBee 3.0 die kabellose Heimvernetzung zukunftssicher, komfortabler, einfacher und vielfältiger.
Die Datenübertragung zwischen der App als Controller auf dem Smartphone oder Tablet, dem Gateway (Bridge) und den smarten ZigBee-Geräten wie Lampen erfolgt verschlüsselt. Die Verschlüsselung nutzt gemäß ZigBee-Spezifikation den AES-CCM-Algorithmus mit 128 Bit und ist dadurch abhörsicher. In der Vergangenheit haben Sicherheitsforscher unter Laborbedingungen Sicherheitsbeeinträchtigungen durch Einschränkungen bei der ZigBee-Implementation bekannt gemacht. Viele Hersteller haben darauf mit Software-Updates für ihre Produkte reagiert, um die Effekte zu verringern. Wenn ZigBee innerhalb des Gebäudes hauptsächlich zur Lichtsteuerung verwendet wird, halten sich die Risiken in Grenzen.