Nachdem wir im zweiten und dritten Teil unserer Fachbeitragsserie „Es werde Licht!“ einen Blick auf DALI geworfen haben, beschäftigen wir uns in Teil IV mit den Grundlagen des Zigbee-Systems.
Zigbee ist ein seit den frühen 2000er Jahren etablierter Funkstandard, der sich insbesondere im Smart-Home-Bereich und in der Gebäudeautomation bewährt hat. Sein Hauptzweck ist die energieeffiziente Vernetzung kleinster Sensoren und Aktoren in lokalen Funknetzwerken, ohne dabei aufwändige oder teure Infrastruktur zu benötigen. Dank seiner Mesh-Architektur, niedrigen Datenraten und optimierten Protokollschichten verbindet Zigbee Zuverlässigkeit mit langen Batterielaufzeiten – ideale Eigenschaften für Anwendungen, bei denen Sensoren über Monate oder Jahre hinweg wartungsfrei arbeiten sollen.
Was ist Zigbee?
Zigbee beschreibt grundsätzlich ein Kommunikationsprotokoll, das auf dem IEEE-802.15.4-Standard aufsetzt. Während IEEE-802.15.4 die physikalische Übertragung (Frequenzbänder, Modulation, Kanalzugriff) regelt, definiert Zigbee sämtliche höheren Schichten: Netzwerkaufbau, Routing, Sicherheitsmechanismen und Anwendungsprofile. Dabei steht stets das Ziel im Vordergrund, mit minimalem Energieeinsatz ein zuverlässiges, selbstkonfigurierendes und skalierbares Funknetz zu schaffen.
Woher kommt Zigbee?
Die Entwicklung begann 2002, als sich Hersteller aus den Bereichen Funk- und Sensortechnik in der Zigbee Alliance (heute Connectivity Standards Alliance) zusammenschlossen. Die erste Spezifikation erschien 2004, gefolgt von der Pro-Version 2007. Seit 2016 fasst die aktuelle Zigbee 3.0-Version alle relevanten Anwendungsprofile (etwa Home Automation, Light Link, Smart Energy) in einem einheitlichen Standard zusammen. Dieser vereinheitlichte Ansatz erleichtert Herstellern die Interoperabilität ihrer Produkte und Endanwendern die Integration unterschiedlicher Geräte. Der Clou: Zigbee 3.0 ist Rückwärtskompatibel und bietet ein höheres Sicherheitsniveau, einschließlich individueller QR-Codes für jedes Produkt.
Welche Funktionen bietet Zigbee?
Zigbee ist vor allem für seine Mesh-Netzwerkfähigkeit bekannt: Jeder Teilnehmer kann Nachrichten nicht nur senden und empfangen, sondern auch weiterleiten. Das Ergebnis ist ein selbstheilendes Netz, das Ausfälle einzelner Knoten verschmerzen kann und immer den nächstbesten Funkpfad sucht. Hinzu kommt ein ausgefeiltes Energiemanagement: Endgeräte schlafen im Normalbetrieb und wecken sich nur zum Senden oder Empfangen von Daten, wodurch Batteriebetriebszeiten von mehreren Jahren realistisch sind.
Ein hierarchisches Schlüsselmanagement mit AES-Verschlüsselung sorgt dafür, dass nur autorisierte Geräte kommunizieren, und standardisierte Anwendungsprofile definieren, wie beispielsweise Lichtschalter und Lampen miteinander interagieren. Auf Wunsch lassen sich für verschiedene Anwendungen auch getrennte Schlüssel verwenden – etwa ein eigener Schlüssel für die Lichtsteuerung und ein anderer für die Alarmanlage.
Wie funktioniert Zigbee?
Die technische Grundlage bildet das weltweit freigegebene 2,4-GHz-Band. Durch eine Spreiz-Modulation erreicht man eine robuste Übertragung, während die Zugriffsschicht ein Verfahren zur Kollisionsvermeidung implementiert. Zigbee ergänzt dies um ein Routing, das in stark vernetzten Umgebungen automatisch optimale Pfade berechnet. Ein Coordinator (meist in einer Bridge oder einem Gateway) initiiert das Netzwerk, vergibt die Netzwerknummer (PAN-ID) und verteilt Verschlüsselungsschlüssel. Router übernehmen die Weiterleitung, und Endgeräte beteiligen sich nur dann am Funkverkehr, wenn sie selbst Daten senden oder bestimmte Nachrichten empfangen müssen.
Welche Bauteile werden für Zigbee benötigt?
Für ein vollständiges Zigbee-Netzwerk benötigt man in der Regel:
- Coordinator/Gateway (Leader): Übernimmt die Netzwerksteuerung und wird oft als USB-Stick oder LAN-Brücke angeboten wird.
- Router bzw. Repeater (Follower): Erweitert das Funkfeld; häufig sind das stromversorgte Leuchten oder spezialisierte Module.
- Endgeräte (Follower): Batteriebetriebene Sensoren (Bewegung, Temperatur) oder Aktoren (Funk-Wandtaster, Smart-Plugs).
Sensoren, Leuchten und Aktoren können sowohl Router als auch Endgerät sein – die Rolle entscheidet sich erst durch den Netzwerkaufbau selbst. Jedes Modul enthält einen Funktransceiver und einen Mikrocontroller, auf dem der Zigbee-Stack läuft. Zertifizierte Module (mit CE- und FCC-Prüfzeichen) garantieren zuverlässige Funktion und Interoperabilität.
Wie kommuniziert Zigbee?
Nach dem Beitritt beruht die Kommunikation auf drei Modi:
- Unicast für gezielte Punkt-zu-Punkt-Nachrichten,
- Broadcast bspw. für Firmware-Updates oder Netzwerkmanagement,
- Multicast (Gruppensteuerung), um mehrere Geräte gleichzeitig anzusteuern.
In der Praxis bedeutet das zum Beispiel: Ein Smartphone sendet einen Befehl an die Bridge, diese leitet das Kommando über das Mesh an die Ziellampen weiter. Verliert ein Router die Verbindung, übernimmt automatisch ein Nachbarknoten den Pfad, ohne dass der Nutzer eingreifen muss.
Zigbee Gerätearten
Drei verschiedene Arten von ZigBee-Geräten in einem ZigBee-Netzwerk:
Zigbee im Lichtmanagement
Die vielleicht eindrucksvollste Anwendung von Zigbee findet sich in smarten Beleuchtungssystemen. Hier wird das bereits im Zigbee-Standard integrierte Light-Link-Profil genutzt, um Leuchtmittel, Dimmer und Funktaster miteinander zu verknüpfen. In solchen Installationen kann der Nutzer einzelne Lampen oder ganze Lichtgruppen per App, Zeitplan oder Sprachbefehl ein- und ausschalten, dimmen und in der Farbtemperatur anpassen.
Durch das Mesh-Netzwerk spielt die Position einer Lampe eine untergeordnete Rolle: Selbst wenn ein Leuchtmittel sehr weit von der Bridge entfernt ist, reichen die Zwischenschritte über andere Lampen oder Router, um ein stabiles Signal zu gewährleisten. Fällt ein Knoten aus, sorgt Zigbee automatisch für eine alternative Route. Besonders elegant ist das Konzept der Gruppenszenen: In wenigen Sekunden lassen sich komplexe Lichtstimmungen abspeichern und bei Bedarf wieder abrufen – vom gemütlichen Leselicht bis zur „Party-Szene“ mit dynamischen Farbwechseln.
Ein weiterer Fortschritt ist das sogenannte Green-Power-Konzept, das batterielose Schalter ins System integriert. Diese Schalter gewinnen ihre Energie beispielsweise über mechanische Betätigung (wie bei Feuerzeugen mit Piezo-Element, Anm.), oder kleine Solarzellen und senden bei Druck Impulse an das Mesh. Router oder Lampen empfangen diese und wandeln sie in die entsprechenden Licht-Kommandos um. So lassen sich gänzlich wartungsfreie Bedienpanels realisieren.
Netzwerk Topologien
Zigbee setzt hauptsächlich auf die Mesh-Topologie aufgrund der Flexibilität und Robustheit:
- Stern (li.): Alle Geräte kommunizieren direkt mit einem zentralen Koordinator, was eine einfache Konfiguration, aber begrenzte Reichweite und Ausfallsicherheit bietet.
- Baum (Mitte): Geräte sind hierarchisch organisiert, wobei Daten durch Zwischenrouter weitergeleitet werden, was eine klare Struktur, aber weniger Flexibilität als ein Mesh-Netzwerk bietet.
- Mesh (re.): Ein Mesh-Netzwerk ermöglicht direkte Gerätekommunikation und Datenweiterleitung über mehrere Knotenpunkte, was die Reichweite und Robustheit verbessert.
Conclusio
Zigbee verbindet ein robustes, selbstheilendes Mesh-Netzwerk mit minimalem Energiebedarf und standardisierten Anwendungsprofilen. Gerade im Lichtmanagement erweist sich dieser Ansatz als extrem praxistauglich: Er ermöglicht flexible, skalierbare Installationen – von einzelnen Räumen bis hin zu ganzflächigen Gebäudekomplexen. Mit Blick auf die Zukunft spielt Zigbee in Kombination mit dem neuen Matter-Standard eine wichtige Rolle: Gateways übersetzen die Zigbee-Kommandos in einen offenen, herstellerübergreifenden Standard, der über WLAN, Thread und kabelloses Ethernet funktioniert. So wird es möglich, alle Geräte – egal welcher Marke – in einer gemeinsamen Smart Home-Umgebung zu nutzen.
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