Heimautomation Wann der Umstieg auf ZigBee wirklich lohnt

Die Standardisierung im Bereich der Funkkommunikation mit niedrigen Datenraten erweist sich im Gegensatz zu Drahtlosstandards wie IEEE802.11x (WLAN) als schwieriger. So haben die Bemühungen der ZigBee Alliance, Network und Application Support Layer zu standardisieren, bei vielen keinen überzeugenden Eindruck hinterlassen. Hat ZigBee angesichts dieser Herausforderungen eine Zukunft?

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Die Standardisierung für die Kommunikation mit niedrigerer Datenrate ist aus verschiedenen Gründen verlockend: an erster Stelle stehen potenzielle Skalenerträge, verkürztes Time-to-Market sowie die Möglichkeiten, eine umfassende Ad-hoc-Interoperabilität einzurichten.

Das ZigBee-Protokoll für die Kommunikation mit niedriger Datenrate wird meist als Wegbegleiter von Wi-Fi und Bluetooth gesehen, weil es im gleichen nicht-lizenzierten 2,4-GHz-Bereich des Funkspektrums arbeitet und sich im Leistungs-/Datenraten-Kontinuum sauber unter Bluetooth einpasst. Darüber hinaus spezifiziert ZigBee die nicht-lizenzierten niederfrequenten 915-MHz- und 868-MHz-Bänder, die dafür in Amerika beziehungsweise in Europa zur Verfügung stehen. Bei 2,4 GHz bietet ZigBee 16 Kanäle und unterstützt eine max. Datenrate von 250 KBit/s.

Power-Management-Strategie für sehr lange Batterielebensdauer

Der Standard wird von der ZigBee Alliance verwaltet. Er nutzt die etablierte physikalische Schicht (PHY) und die Media-Zugangsschicht (MAC) von IEEE802.15.4. Letztere stellt eine bequeme und robuste Funkspezifikation dar, zu deren Vorteilen eine einfache Power-Management-Strategie zählt, die lediglich Vollbetrieb und Stand-by-Betrieb umfasst. Sie bildet die Grundlage für eine sehr lange Batterielebensdauer, die je nach Anwendung bis zu mehreren Jahren betragen kann, während gleichzeitig die Anwendungsentwicklung vereinfacht wird.

Dennoch wird ZigBee von vielen als Sorgenkind betrachtet:. Derzeit liegt der Schwerpunkt der erwarteten Einsatzbereiche in der Heim- und Gebäudeautomatisierung, in der Zählerablesung von öffentlichen Versorgungsbetrieben sowie in industriellen, wissenschaftlichen und medizinischen (ISM-) Geräten.

Umstieg auf ZigBee muss ein Produkt deutlich verbessern

Um erfolgreich zu sein, muss ZigBee Produktentwickler davon überzeugen, ihre HF-Entwicklungen und zugehöriges Fachwissen sowie IP, die in bereits vorhandenen Produkten eingebettet ist, auszublenden. Zum Beispiel kann ein drahtloser Schüsselanhänger für das Türöffnersystem eines Fahrzeugs oder einer Garage mit einem proprietären Standards im 868-MHz- und 433-MHz-Band zufrieden stellend funktionieren.

Eine Migration der Lösung auf ZigBee wäre ein aufwändiges Unterfangen, das nur in Betracht gezogen wird, wenn damit ein Produkt signifikant zu verbessern wäre. Im Falle des Keyless-Entry-Systems könnte das etwa erhöhte Sicherheit oder besserer Manipulationsschutz sein.

Komplettmodule für die ZigBee-Entwicklung verfügbar

Die ZigBee Alliance hat von dem Network Layer bis zum Application Support Layer Standards definiert, die in Kombination mit den unteren Schichten der IEEE802.15.4 einen vollständigen drahtlosen Stack ergeben. Halbleiteranbieter wie Microchip, Atmel und Freescale brachten Komplettmodule für die ZigBee-Entwicklung auf den Markt, die die Funk-Layer der IEEE802.15.4 sowie die oberen ZigBee-Layer umfassen und in denen der Mikrocontroller für die ZigBee-Firmware und fürs Application Hosting integriert sind.

Beim Einsatz dieser Module können Ingenieure funktionsfähige Entwicklungen ausführen, ohne hoch spezialisierte Design-Kenntnisse wie HF-Abstimmung und Leiterplattenlayout zu benötigen. Entwicklungsplatinen, die diese Module unterstützen, kurbeln die Anwendungsentwicklung an. So behauptet Meshnetics, ein Anbieter von Softwareentwicklungs-Kits, dass ein ZigBee-Netzwerk innerhalb einer Stunde bis zur Evaluierung eingerichtet werden kann.

Schlüsselfertige proprietäre HF-Hardware-Designs sind die Alternative

Entwicklern werden zahlreiche andere Module angeboten, die schlüsselfertige HF-Hardware-Designs und zugelassene Funkspezifikationen gewährleisten. Wer z.B. IEEE802.15.4-Funkmodule einsetzt kann alternative oberer Layer verwenden, und die Anbieter von ZigBee-Modulen lassen Entwicklern eigene Wahlmöglichkeiten. Andererseits bringen manche Siliziumanbieter vollständige Transceiver-Module auf Basis proprietärer Funkspezifikationen auf den Markt, die bereits eine Vor-Zulassung bzgl. der Freigabekriterien in internationalen Gebieten aufweisen.

Die Funk-Transceiver-Chips RadioWire von Micrel beispielsweise unterstützen bidirektionale Kommunikation über Entfernungen bis mehr als 3 km bei Datenraten von 128 KBit/s. Micrels begleitende ASK/OOK-Technologie (Amplitude Shift Keyed/On-Off-Keyed) QuikRadio mit Amplituden-Umtastung/Ein-Aus-Tastung bietet für Anwendungen im Bereich unter 100 m (300 ft) und unter 10 KBit/s eine weitere Alternative zu ZigBee.

Die Tatsache, dass keinerlei Lizenzgebühren anfallen, stellt einen Hauptvorteil für Entwickler dar, die derartige proprietäre Lösungen einsetzen. Demgegenüber bieten ZigBee-basierte Lösungen möglicherweise größere Rationalisierungseffekte (Degressionsgewinne).

Die Stärken von ZigBee im Vergleich mit anderen Technologien

Überzeugende Argumente für ZigBee sind robuste Sicherheits-Features, eine große Zahl von Knoten und Interoperabilität sowie Unabhängigkeit von einzelnen Anbietern. Darüber bietet der Standard Eigenschaften, die hervorragende Leistung bei relativ geringer Verlustleistung ermöglichen. Beispielsweise erlaubt die Unterstützung von Kommunikation über mehrere Funkfelder (Multi-Hop) und von flexiblem Routing eine Erweiterung der effektiven Übertragungsentfernungen über den Einsprung-Bereich des Funkstandards IEEE802.15.4 hinaus, ohne zunehmende Senderleistung zu benötigen. Während die typische Reichweite mit einem Funkfeld bei ungefähr 30 m liegt (sie kann allerdings zwischen 10 m und 100 m liegen, je nach Umweltbedingungen, Antennenleistung und Betriebsfrequenzband), lässt sich die kumulative Reichweite eines ZigBee-Knotens auf Hunderte oder sogar Tausende Meter ausdehnen.

Über Datenraten bis 250 KBit/s im 2,4-GHz-Band hinaus kann ZigBee im Vergleich zu Netzwerken mit langsameren Protokollen zusätzliche Einsparungen der Senderleistung liefern. In Sensornetzen z.B., bei denen die Datenerfassungsraten bequem im Rahmen dieser Leistungsfähigkeit liegen, kann der Sender infolge der Fähigkeit von ZigBee, Datenbewegungen rasch durchzuführen, über längere Zeiträume abgeschaltet bleiben. Da die durch den Sender verbrauchte Leistung von seiner Betriebsgeschwindigkeit weitgehend unabhängig ist, liefert ZigBee Leistungseinsparungen durch eine Verringerung der durchschnittlichen Energie pro Bit.

Zudem trägt der Einsatz eines bewährten ZigBee-Moduls zur Typzulassung bei. Der Modulanbieter hat bereits die Mehrzahl der Konformitätshürden überwunden, was den Zulassungsprozesses verkürzt. Andererseits weisen auch viele proprietäre Angebote die relevanten Zulassungen nach.

Lizenzstruktur erhöht die Einstiegskosten der ZigBee-Entwicklung

Den Entwicklern stehen bei der Auswahl einer Plattform für die Vernetzung mit niedriger Datenrate über große Distanzen einige Alternativen zur Verfügung. Der Trend ein Funkmodul als schlüsselfertiges Modul zu liefern, ist sowohl bei proprietären Nicht-ZigBee-Lösungen als auch innerhalb der ZigBee-Umgebung verbreitet.

Zwar ist ZigBee nicht die einzige Lösung, die Wert auf eine einfache Entwicklung legt, doch kommt die durch die ZigBee Alliance aufrechterhaltene Lizenzstruktur zu den Einstiegskosten für die ZigBee-Entwicklung noch hinzu.

Insgesamt steht ZigBee einer stärkeren Herausforderung bei der Gewinnung von Anhängern gegenüber als entweder Bluetooth oder WiFi. Die potenziellen Marktbereiche sind sehr unterschiedlich und darüber hinaus tendenziell durch einen geringeren Gesamtwert gekennzeichnet. Viele gut eingeführte Lösungen sind bereits installiert, auch wenn diese nicht dasselbe Potenzial für allgegenwärtige Ad-hoc-Interoperabilität bieten – nicht zu vergessen die verhältnismäßig hohen Lizenzgebühren.

Killer-Anwendung als Triebfeder für den Masseneinsatz fehlt

Allerdings war die Zukunft von Bluetooth ebenfalls eine Zeit lang zweifelhaft, bis Gesetze zur Verwendung von Handys in Autos dem Markt für Bluetooth-Headsets neuen Schwung gaben. Ein vergleichbarer legislativer Katalysator für ZigBee ist schwer vorstellbar, eine „Killer-Anwendung“ als Triebfeder für den Masseneinsatz von ZigBee scheint ebenfalls unwahrscheinlich, wenn man das Verhalten von ISM-Märkten in Betracht zieht.

Andererseits ist mittlerweile ein weitgehendes Verständnis des Standards vorhanden, Entwicklungsplattformen und Silizium sind leicht verfügbar und die Nachfrage nach drahtlos vernetzten Produkten in den Consumer- und Profi-Bereichen wächst weiterhin stark.

Wenn derartig stichhaltige technische Rechtfertigungen für ZigBee bestehen, könnte möglicherweise das Senken der Einstiegskosten zur Sicherung einer erfolgreichen Zukunft ausreichen.

*Dietmar Veith ist Produktmarketing Manager bei Farnell

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