ZigBee contra MiWi Das richtige Funkprotokoll für Sensornetze

Bei der Entwicklung drahtloser Anwendungen für Funknetzwerke auf Sensor- und Aktorebene kommt zunehmend das proprietäre Protokoll MiWi von Microchip als kostengünstige abgespeckte ZigBee-Variante ins Spiel. Ein Vergleich der beiden Protokolle zeigt die wichtigsten Unterschiede.

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Der offene Funknetzstandard ZigBee eignet sich für den Einsatz batterieloser, wartungsfreier Funkschalter und Funksensoren in schwer zugänglichen Bereichen, wo ein Batterieaustausch nur mit großem Aufwand möglich wäre.

ZigBee ermöglicht die Verbindung von Endgeräten – z. B. Haushaltsgeräte oder Sensoren – auf Kurzstrecken von 10 bis 100 m. Entwickelt wurde der Standard von der 2002 gegründeten ZigBee-Allianz. Unter diesem Dach haben sich derzeit weit über 200 Unternehmen zusammengeschlossen, um die weltweite Entwicklung dieser Technologie voranzutreiben. Erste ZigBee-Produkte kamen Anfang 2005 auf den Markt.

Kostenpflichtige Mitgliedschaft in der ZigBee-Allianz erforderlich

Will ein Unternehmen das ZigBee-Protokoll nutzen, ist eine kostenpflichtige Mitgliedschaft in der ZigBee-Allianz erforderlich. Außerdem müssen die Applikationen einem Lizenzverfahren unterzogen sowie jährliche Lizenzgebühren entrichtet werden.

ZigBee stellt einen Protokollstack dar, der nach dem OSI-Modell (Open Systems Interconnection Reference Model) auf den IEEE-802.15.4-spezifizierten OSI-Subschichten PHY und MAC aufsetzt. Das OSI-Schichtenmodell wurde als Designgrundlage für Kommunikationsprotokolle entwickelt.

Drei verschiedene ZigBee-Geräte für den Netzwerkaufbau

Mit dem ZigBee-Protokoll hat der Entwickler drei verschiedene ZigBee-Devices zur Auswahl, mit denen das Netzwerk aufgebaut wird:

• End Device – einfache Geräte, z. B. Lichtschalter, implementieren nur einen Teil der ZigBee-Protokolle und werden daher auch RFD (reduced function devices) genannt. Sie melden sich an einem Router ihrer Wahl an.
• Router – FFD-Geräte (Full Function Devices) können auch als Router agieren, melden sich an einem existierenden Router an.
• Coordinator – genau ein Router innerhalb eines Netzwerks übernimmt zusätzlich die Rolle des Coordinators. Er gibt grundlegende Parameter des Netzwerks vor und verwaltet das Netz. Für jedes Netzwerk wird genau ein Coordinator benötigt.

IEEE 802.15.4 definiert drei Frequenzbänder für den Betrieb: 2,4 GHz, 915 MHz und 868 MHz (siehe Tabelle). Jedes Frequenzband bietet eine feste Anzahl von Kanälen und eine unterschiedliche max. Übertragungsrate. Zu beachten ist, dass der tatsächliche Datendurchsatz aufgrund des Paket-Overheads und wegen Verarbeitungsverzögerungen niedriger liegen wird als die angegebene Bitrate.

MiWi empfiehlt sich als kostengünstiger ZigBee-Bruder

Da das gesamte ZigBee-Protokoll inzwischen für viele Anwendungen zu umfangreich und komplex geworden ist, nutzt ein hoher Prozentsatz der IEEE-802.15.4-konformen, drahtlosen Netzwerke alternative, proprietäre Protokolle – auch um die Kosten für eine ZigBee-Protokollzertifizierung und den damit verbundenen Aufwand zu umgehen.

Microchip bietet mit seinem MiWi Wireless Networking Protocol eine abgespeckte kostengünstige Variante des großen Bruders ZigBee. Es ist ein unkompliziertes Protokoll für kostengünstige Netzwerke mit niedriger Datenübertragungsrate über kurze Entfernungen im weltweit gültigen 2,4-GHz-Band. Entwicklungen im regional gültigen 868-MHz-Band (Europa und Asien) und 915-MHz-Band (USA) sind mit MiWi nicht möglich, da Microchip bewusst auf weltweite Standards setzt.

MiWi-Protokollsysteme erfordern keine Zertifizierung

MiWi basiert genau wie ZigBee auf der Norm IEEE 802.15.4 für Wireless Personal Networks (WPANs). Das MiWi-Protokoll ist weit weniger umfangreich als ZigBee und eignet sich vor allem für Entwickler, die nicht die volle Interoperabilität des ZigBee-Protokolls benötigen, aber IEEE-802.15.4-konforme Standard-Transceiver in kostengünstigen Peer-to-Peer-, Stern- und Maschennetzwerken einsetzen wollen.

Für MiWi-Protokollsysteme ist keine Zertifizierung erforderlich und der Protokollstack ist mit freier Lizenz erhältlich, wenn er mit Mikrocontrollern und dem MRF24J40-Transceiver von Microchip eingesetzt wird. Diese Microchip-Offerte gilt auch für ZigBee-Protokollsysteme.

Mehr Freiraum für Entwickler

MiWi basiert auf den MAC- und PHY-Layers und endet bereits über dem Network Layer. Es bietet daher wesentlich mehr Freiraum für eigene Entwicklungen, allerdings auf Kosten von Kompatibilität und Leistungsspektrum durch den Einsatz eines günstigeren Microcontrollers.

Die max. Netzwerkgröße sinkt, und auch die erforderliche Speichergröße, die Software ist weniger komplex und minimiert damit die benötigten Hardwareressourcen – ein kleinerer Microcontroller reicht daher vollkommen aus.

Damit bietet MiWi für einfache, nicht komplex zu vernetzende Anwendungen neben außerordentlichen Kostenvorteilen auch ein Plus hinsichtlich Miniaturisierung und Energieeffizienz der Applikation.

Ideal geeignet für isolierte drahtlose Anwendungen

Darüber hinaus stellt das Protokoll Funktionen zum Auffinden und Einrichten eines Netzwerks, zum Verbinden mit einem Netzwerk sowie zum Auffinden von Knoten im Netzwerk sowie das Routing zu diesen Knoten bereit. Es löst keine applikationsspezifischen Probleme, z.B. wie man auswählt, mit welchem Netzwerk man sich verbinden will, wann eine Verbindung als unterbrochen gilt oder wie häufig Geräte miteinander kommunizieren.

Daher ist MiWi vor allem für isolierte drahtlose Anwendungen geeignet, z.B. für die Sensorauswertung der Heizungssteuerung einer Wohnung oder die isolierte Lichtsteuerung. Sobald umfassende Kompatibilität und langjährige Investitionssicherheit sowie modulare Erweiterbarkeit gefordert sind, stößt das Protokoll an seine Grenzen.

Entwicklungskit für den Start mit ZigBee und MiWi

Zum Einstieg in die drahtlose Kommunikation auf Basis des IEEE-802.15.4-Standards bietet Microchip mit PICDEM Z ein umfangreiches Entwicklungskit für ZigBee und MiWi. Diese Komplettlösung ermöglicht eine rasche Evaluierung und den zügigen Start der Entwicklung einer IEEE-802.15.4-konformen drahtlosen Netzwerkanwendung, unabhängig vom jeweiligen Protokoll.

Das Kit wird mit der gesamten Hardware und dem Software-Quellcode für die schnelle Prototypentwicklung drahtloser Anwendungen geliefert. Es umfasst

• 2 PICDEM-Z-Boards mit PIC-18F4620-Controller
• 2 Tochter-RF-Transceiver-Karten mit MRF24J40
• ZENA-Netzwerkanalyse-Tool
• CD mit ZigBee- und MiWi-Stack und Anwenderhandbücher
• Software für das ZENA-Tool
• Layout-Dateien für die gedruckte Schaltung

Beim Einsatz des Kits zu Test- und Experimentierzwecken werden keine Lizenzgebühren fällig. Es enthält verschiedene Beispielprogramme und kostenfrei den kompletten Stack. Er ist einer der industrieweit kleinsten und stellt dem Entwickler ein Quellcode-Format zur Verfügung, das die kundenspezifische Anpassung seines Produktes mit einer großen Palette von PIC-Mikrocontrollern erlaubt.

Die PIC-18-Controller-Familie

Die Entwicklungsplattform basiert auf der leistungsfähigen Mikrocontroller-Familie PIC18 und stellt eine große Auswahl an Controllern mit bis zu 128 KByte Flash-Programmspeicher in 28- bis 100-poligen Gehäusen zur Verfügung.

Der PIC18F4620 beispielsweise verfügt über drei programmierbare Interrupts und vier Input Change Pins, bis zu zwei Capture-Compare-PWM-Module sowie eine erweiterte Capture/Compare-Einheit, einen Master Synchron Serial Port (SPI, I2C), ein USART-Modul (RS-458, RS-232, LIN 1.2), 10-Bit-A/D-Wandler mit bis zu 13 Kanälen sowie einen erweiterten Befehlssatz für den c18-Compiler.

Der MRF24J40-Transceiver

Der MRF24J40 ist Microchips erster HF-Transceiver. Es handelt sich um einen IEEE-802.15.4-konformen 2,4-GHz-Transceiver für ZigBee und andere proprietäre Funkprotokolle in Anwendungen mit niedriger Leistungsaufnahme bei bester HF-Qualität mit sehr wenigen externen Komponenten.

Der Baustein übertrifft alle standardisierten IEEE-802.15.4-Spezifikationen und bietet volle Unterstützung für Media Access Controller (MAC) und Advanced Encryption Standard (AES) auf Hardware-Verschlüsselungsbasis.

Der Transceiver leistet außerdem einen wertvollen Beitrag zur Platzersparnis auf der Platine und damit zur Miniaturisierung: der Oszillator des Chips steht zur freien Verfügung – somit entfällt ein Oszillator auf der Platine.

Der IEEE-802.15.4-konforme Transceiver MRF24J40 ist in einem 40-poligen, bleifreien QFN-Gehäuse (6 mm x 6 mm) untergebracht. Die Ansteuerung erfolgt über eine SPI-Schnittstelle. Geliefert wird das fertige Board mit Antenne.

Das ZENA-Tool für die Netzwerkanalyse

Der ZENA-Analysator für drahtlose Netzwerke nutzt eine einfache grafische Schnittstelle zur Konfiguration der freien ZigBee- und MiWi-Protokollstacks von Microchip. Mithilfe des Tools lässt sich der Code durch Entfernen optionaler Funktionen reduzieren, die Entwicklungszeit durch Vereinfachen der Interaktionen mit den Stacks verkürzen und der Stack an besondere Bedingungen anpassen.

Das Analyse-Tool besteht aus Hard- und Software. Es kann alle IEEE-802.15.4-konformen ZigBee- und MiWi-Protokollpakete dekodieren – von der untersten bis zur obersten Schicht (einschließlich der Sicherheitsmodule).

Das Fenster für die Netzwerkkonfiguration gibt den Datenverkehr von einem Netzwerkknoten zum anderen in Echtzeit wieder. Eine Sitzung kann auch als Datei abgespeichert werden, was eine spätere Analyse des Datenverkehrs im Netzwerk ermöglicht.

Vielfältiges Einsatzpotenzial vor allem in der Automation

Das Wireless-Paket von Microchip eignet sich für zahlreiche drahtlose Anwendungen, vor allem im Automation-Segment: etwa Beleuchtungseinrichtungen, Zugangskontrollen, industrielle Überwachung und Gebäudeautomation.

Bei der Gebäudeautomatisierung ist ZigBee theoretisch als Kabelersatz für eine serielle Schnittstelle mit geringer Datenrate denkbar. Interessantes für ZigBee und MiWi ist die Sensorauswertung über ein Endgerät, das innerhalb einer fest definierten Zeit einen Status/Wert an eine Hauptstation sendet.

Je höher jedoch die Anforderungen an die Kompatibilität, desto stärker geht die Wahl in Richtung ZigBee. Dies ist bei der Gebäudeautomation dann der Fall, wenn mehrere Anwendungen wie z.B. Licht, Rollladen und Heizungssteuerung miteinander vernetzt werden sollen.

Doch auch ZigBee hat seine Grenzen, allein schon durch die Bandbreite: In der Datenübertragung bei Bandbreiten von über 250 KBit/s empfiehlt sich BlueTooth.

Ideal für schwer zugängliche Applikationen oder als kostengünstige Kabel-Alternative

Wie bei jeder Technologie sollten auch bei ZigBee und MiWi vor der Entscheidung für eines der beiden Protokolle Pro- und Contra diskutieren und die Kosten-Nutzenfaktoren gegeneinander abgewogen werden. Wo sich drahtgebundene Bussysteme ohne großen Mehraufwand integrieren lassen, beispielsweise in neuen Gebäuden, setzt sich Wireless nur schwer durch.

Ihre besonderen Vorteile spielen Wireless-Technologien bei schwer zugänglichen Applikationen aus oder überall da, wo das nachträgliche Verlegen von Kabeln erhebliche Mehrkosten und deutlichen Mehraufwand bedeuten würde wie bei Altbausanierungen.

*Jeremias Eisner ist Field Application Engineer bei Rutronik Elektronische Bauelemente

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