ZigBee und Bluetooth

ZigBee® und Bluetooth® sind drahtlose Kommunikationsprotokolle, die eine Reihe von Spezifikationen für die drahtlose Datenübertragung von Geräten vorschreiben. Ein neueres Bluetooth-Protokoll, Bluetooth Low Energy (BLE) oder Bluetooth Smart, wurde als energiesparendes Protokoll eingeführt. Das ursprüngliche Bluetooth wird heute als Bluetooth Classic bezeichnet.

Die älteren Technologien ZigBee und Bluetooth Classic wurden in den 1990er Jahren eingeführt. Bluetooth Classic sollte ursprünglich RS232-Kabelverbindungen ersetzen, wie sie beispielsweise zum Anschluss von Tastaturen an PCs verwendet werden. Es kann Daten, Sprache und Text verarbeiten und ermöglicht so die drahtlose Kommunikation von Ohrhörern, Headsets und Tastaturen mit PCs und Mobiltelefonen. ZigBee war für die Haus- und Gebäudeautomation konzipiert, um Geräte unabhängig von Stromleitungen zu steuern. Es wurde für einen niedrigen Stromverbrauch entwickelt und ist nicht wiederaufladbar, da es jahrelang mit einer Knopfzelle betrieben werden kann. Ein Gerät muss eine Batterielebensdauer von mindestens zwei Jahren aufweisen, um die ZigBee-Zertifizierung zu erhalten.

Ein ZigBee-Modul

Bluetooth Smart, das neueste Protokoll der Gruppe, war ursprünglich ein von Nokia entwickeltes Protokoll für stromsparende Kommunikation, das 2006 in den Bluetooth-Standard integriert wurde. Es verarbeitet kurze Datenströme, beispielsweise wenn ein Sensor abgefragt wird und mit Daten antwortet. Bluetooth Smart ist nicht mit Bluetooth Classic kompatibel und verarbeitet keine Sprache. Wenn ein Gerät als Bluetooth Smart Ready gekennzeichnet ist, bedeutet dies, dass beide Standards, Bluetooth Classic und Bluetooth Smart, im Gerät enthalten sind.

Die Entwicklung von Bluetooth

Zertifizierungen und Compliance

Die ZigBee Alliance ist ein offener, gemeinnütziger Verein mit rund 400 Mitgliedern, der für die Entwicklung des ZigBee-Standards sowie für die Prüfung und Zertifizierung der Gerätekonformität verantwortlich ist. Bluetooth/BLE wird von der Bluetooth Special Interest Group (SIG) verwaltet, einer gemeinnützigen Gesellschaft ohne Aktiengesellschaft. Die SIG besitzt die Bluetooth®-Marken und überwacht die Entwicklung des Bluetooth-Standards.

Mit diesen Standards ist gewährleistet, dass ein konformes Gerät eines beliebigen Herstellers mit jedem anderen konformen Gerät kompatibel ist. Konforme Geräte werden zur Prüfung und Zertifizierung eingereicht. Sowohl für die Teilnahme als auch für die Zertifizierung fallen Gebühren an. Nur Geräte, die die Zertifizierung bestehen, dürfen das Technologie-Logo tragen.

Topologien und Protokolle

Das Open System Interconnection Model (OSI-Modell) standardisiert Kommunikationssysteme und -protokolle in einem siebenschichtigen Modell. Die physikalische Schicht bildet die unterste Schicht (Schnittstelle zur Hardware) und die Anwendungen die oberste Schicht (z. B. Schnittstelle zum Menschen). Eine Netzwerktopologie beschreibt die Struktur des Netzwerks, und ein Netzwerkprotokoll beschreibt die Struktur einer einzelnen Nachricht. Abbildung 1 zeigt eine verkürzte Darstellung des OSI-Modells mit der Anwendungsschicht an der Spitze, verschiedenen Schichten dazwischen und der physikalischen Schicht, die mit dem Funksender verbunden ist. ZigBee und Bluetooth definieren ihre Standards etwas unterschiedlich: Bei ZigBee sind die MAC- und PHY-Schichten, in denen die Daten formatiert, paketiert und die Signale moduliert und gesendet werden, durch den IEEE-Standard 802.15.4 definiert. Die oberen Schichten sind im ZigBee-Protokoll enthalten, das Netzwerk-, Sicherheits- und Anwendungssoftware adressiert und zusammen den ZigBee-Standard bildet. Mit 802.15.4 können auch andere Protokolle entwickelt werden, die nicht ZigBee sind. Der Bluetooth-Standard spezifiziert die unteren Schichten gut und bietet eine Kernspezifikation sowie Spezifikationen auf höherer Ebene, um jeden Teil des Protokolls unter den Bluetooth-Spezifikationen zu definieren.

ZigBee verwendet eine Maschentopologie, und das Netzwerk wächst mit der Erkennung und Verbindung von Geräten. ZigBee fügt Knoten einer Nachbarliste für Routing-Informationen hinzu. Bluetooth-Geräte koppeln und verbinden sich, sobald sie in Reichweite kommen. Routing-Tabellen an jedem ZigBee-Knoten enthalten benachbarte Knoten. Fällt ein Knoten aus, werden Nachrichten automatisch umgeleitet. Es können viele Knoten hinzugefügt werden, wodurch große Netzwerke entstehen. Das Piconet von Bluetooth Classic umfasst maximal 8 Geräte in einer Master/Slave-Konfiguration. Der Master steuert den Zeitpunkt der Nachrichtenübermittlung. Jeder Knoten kann sich mit anderen Piconet-Netzen verbinden und so ein Scattered-Netzwerk bilden. Bluetooth Smart kann ebenfalls als Scattered-Netzwerk Verbindungen herstellen, wobei sich aktuelle Anwendungen auf die Kommunikation zwischen Geräten konzentrieren.

Profile

In jedem Protokoll gibt es definierte Profile, die Nachrichten für bestimmte Anwendungen standardisieren. Die Profile sorgen für Konsistenz, und Anbieter müssen nicht für denselben Zweck unterschiedliche Nachrichten implementieren.

Zu den ZigBee-Profilen zählen Gebäudeautomation, HF für Unterhaltungselektronik (Home Entertainment), Smart Energy (Smart Grid/Zähler) und Gesundheit/Medizin. Bluetooth Classic bietet zahlreiche Profile, darunter Alarme, Bildgebung, Vision, Audio, Find Me und Gesundheitsgeräte. Beispielsweise definiert das Find Me (FMP)-Profil das Verhalten, wenn eine Taste auf einem Gerät gedrückt wird, um ein Alarmsignal auf einem anderen Gerät auszulösen. Bluetooth Smart hatte ursprünglich nur zwei Profile: Fernanzeige und Sensoren. Mit der Weiterentwicklung der Anwendungsbereiche werden weitere Profile hinzugefügt.

ZigBee ist im Allgemeinen weniger komplex und verfügt über einen kleineren Protokollstapel als Bluetooth. ZigBee bietet schnellere und kürzere Verbindungszeiten. ZigBee-Geräte befinden sich die meiste Zeit im Ruhemodus und haben einen Arbeitszyklus von weniger als 1 %. Sie werden aktiviert, prüfen (empfangen Daten), ob der Kanal frei ist, senden Daten und wechseln dann wieder in den Ruhemodus. Batterien können jahrelang halten. Bluetooth Classic kann ständig verwendet werden und muss bei starker Beanspruchung täglich aufgeladen werden. Auch Bluetooth Smart-Geräte befinden sich die meiste Zeit im Ruhemodus und werden aktiviert, um Daten zu übertragen.

Zusammenfassung

ZigBee, Bluetooth Classic und Bluetooth Smart sind Kommunikationsprotokolle für die Datenübertragung über drahtlose Netzwerke. Diese Technologien mit kurzer Reichweite erkennen automatisch Geräte in Reichweite und richten Ad-hoc-Netzwerke mit erkannten Geräten ein. Die Geräte funktionieren nur innerhalb ihrer Netzwerke und haben derzeit keine Verbindung zum Internet. ZigBee wird hauptsächlich in der Gebäude- und Heimautomatisierung eingesetzt, um Licht, Temperatur und Geräte zu steuern. Bluetooth Classic ermöglicht drahtlose Verbindungen für PCs und Mobilgeräte wie Headsets, Ohrhörer und Tastaturen; es verarbeitet Sprache und Daten; die Geräte müssen häufig aufgeladen werden. Bluetooth Smart bietet die gleiche Reichweite und die gleichen Verbindungen wie Bluetooth Classic, ist jedoch für Sensor- und Fitnessgeräte besonders stromsparend.

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