ZigBee. Communication for Bees. Vorgelegt von: Martin Wunderlich, Meysam Haddadi,

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1 ZigBee Communication for Bees Vorgelegt von: Martin Wunderlich, Meysam Haddadi, im Sommersemester 2005

2 ZIGBEE ABSTRACT EINFÜHRUNG: WAS IST ZIGBEE? GRÜNDE FÜR EINEN NEUEN FUNKSTANDARD HISTORISCHE ENTWICKLUNG VON ZIGBEE TECHNOLOGIE AND APPLICATIONS DER PROTKOLLSTACK DIE PROTOKOLL-SCHICHTEN PHY-Layer MAC-Layer Network Layer (NWK) Network Layer Data Entity (NLDE) Application Support Sub-Layer ZigBee Device Objects Application Framework NETZTOPOLOGIE STRUKTUR DES PROTOKOLL- RAHMES IEEE STANDARDS IEEE b IEEE IEEE BLUETOOTH VS ZIGBEE REAKTIONSZEIT STACKAUFBAU ENERGIEBEDARF KONKURRENTEN ODER KOMPLEMENTÄR? BEISPIELE LICHTSCHALTER GEBÄUDETECHNIK FAZIT QUELLEN... 22

3 1 Abstract ZigBee und der zugrunde liegende Standard IEEE sind spätestens seit der Standardisierung im Dezember 2004 [2] auf dem besten Weg den Markt zu erobern. Faktoren hierfür sind eine hohe Zuverlässigkeit bei geringen Kosten, sowie mannigfaltige Anwendungsgebiete. Der Markt wird zunehmend von den Herstellern entdeckt und viele der momentan in der Entwicklung befindlichen Produkte sind auf dem Sprung in die Produktreife. In diesem Dokument werden die Vor- und Nachteile dieser Technologie betrachtet und grundlegende Eigenschaften werden gegenüber anderen, bereits etablierten, Systemen dargestellt. In diesem Zusammenhang werden des Weiteren die zugrunde liegenden Standards IEEE , IEEE [2] und die IEEE erläutert.

4 2 Einführung: Was ist ZigBee? 2.1 Gründe für einen neuen Funkstandard Es gibt eine Menge von Funkstandards, die für eine mittlere bis hohe Datenübertragung einer Sprach- oder Videoübertragung geeignet und konzipiert sind (Tabelle 2.1, Bild 2.1). Bis jetzt jedoch gab es keinen Standard, der für die Gegebenheiten von Sensoren und Steuerungen ausgelegt war. Sensoren z. B. benötigen im Allgemeinen keine hohe Datenrate. Jedoch sind in diesem Sektor eine schnelle Reaktionszeit und ein geringer Stromverbrauch unerlässlich. Aus diesem Grunde wurde eine Menge von proprietären Funksystemen von unterschiedlichen Firmen entwickelt. Die Firmen entschieden sich ein solches System aufzubauen, da kein Standard vorhanden war der ihre Bedürfnisse erfüllte. Diese Systemhinterlassenschaften hatten Probleme mit der Kompatibilität zueinander. Tabelle 2.1: Frequenzbänder und ihre Übertragungsgeschwindigkeit Frequenz Frequenzbandbezeichnung Abdeckung Datenrate Zahl der Kanäle 2.4 GHz ISM Worldwide 250 kbps MHz Europe 20 kbps MHz ISM America 40 kbps 10 TEXT GRAPHICS INTERNET HI-FI AUDIO STREAMING VIDEO DIGITAL VIDEO MULTI-CHANNEL VIDEO SHORT < RANGE > LONG ZigBee Bluetooth1 Bluetooth b (WLAN) a/HL2 & g (WLAN) LAN PAN LOW < DATA RATE > HIGH Bild 2.1: Datenraten der aktuellen Funkstandards [2] 2.2 Historische Entwicklung von ZigBee Zigbee baut auf den IEEE Standard auf. Die ersten Aktivitäten zu diesem Standard begannen Ende 1998 [1]. Zu dieser Zeit arbeitete eine Gruppe von Phillips Electronics an

5 einen störungsunempfindlichen Funkstandard mit dem Namen Home-RF-Lite. Diese Arbeitsgruppe entwarf das Protocoll for Universal Radio Links. Auf der Basis dieses Protokolls wurde dann im Jahr 2001 die IEEE Arbeitsgruppe gebildet. Von dieser Arbeitsgruppe wurden die Überlegungen zu der Bitübertragungs- und der Sicherheitsschicht übernommen. Die ZigBee-Alliance wurde als Zusammenschluss aus Industrieunternehmen im Jahr 2001 gegründet. Aufbauend auf den unteren Schichten des Protokolls werden von ihr die oberen Protokollschichten mit der Applikationsschicht definiert. Die Namensgebung leitet sich aus dem Zickzack-Tanz der Biene her. Sie deutet damit den Weg zur Weg zur nächsten Nahrungsquelle [3]. Der Standard des ist mit dem 18. Entwurf weites gehend abgeschlossen. Die Halbleiterindustrie hat somit eine Vorlage zur Herstellung von integrierten Schaltkreisen. Zu erwähnen sind Chipcon, Motorola, Atmel und ZMD [3].

6 3 Technologie and Applications 3.1 Der Protkollstack Bild 3.1 zeigt den Protokollstack in der Version 0.9. Er ist wie folgt aufgebaut: Bild 3.1: ZigBee Protokollstack (Vers. 0.9) [1] Der im Bild 3.1 gezeigten PHY- und MAC-Layer entsprechen den IEEE Standard. Alle hellblau gezeichneten Blöcke wurden von der ZigBee-Alliance definiert. Die in rot gezeichneten Application Object s werden vom Entwickler des jeweiligen Gerätes bestimmt. Der Entwickler kann dabei den Empfehlungen der ZigBee Alliance folgen, oder aber auch eigene Objects definieren. Dabei besteht eine größtmögliche Freiheit in der Auslegung der Application Object s. Da die Normung bei IEEE und der ZigBee-Alliance unabhängig voneinander durchgeführt wurde, ist die Verwendung unterschiedlicher Begriffe unvermeidlich. Tabelle 3.1 stellt die Begriffe von IEEE denen von ZigBee gegenüber. ZigBee definiert den Coordinator, Router und das End Device als ein logisches Device. Tabelle 3.1: Unterschiedliche Bezeichnungen der ZigBee- [1] und IEEE Spezifikation [2] IEEE Spezifikation Physikalische Begriffe Personal Area Network-Coordinator PAN Coordinator ZigBee Spezifikation Logische Begriffe ZigBee Coordinator Full Function Device (FFD) Reduced Function Device (RFD) ZigBee Coordinator, Router oder End Device End Device

7 3.2 Die Protokoll-Schichten PHY-Layer Die physikalische Übertragungsschicht (PHY-Layer) beschreibt die Übertragung der Bits mit Hilfe von Frequenzverfahren im 868-/915- bzw [Vgl. hierzu und i.f. (1)]. im 2,4-GHz-Band. Eine Bruttodatenrate von 250 kbit/s kann hier erreicht werden MAC-Layer Die Kanalzugriffschicht regelt die Adressierung der Stationen, die grundlegende Verwaltung von kleinen Peer-to-Peer- oder Stern-Netzen sowie den Kanalzugriff. Als Kanalzugriffsalgorithmus dient ein sog. Listen-Before-Talk-Verfahren (LBT). Das LBT ist zusätzlich für die Kollisionsvermeidung sowie der Übertragung periodischer Datenströme (Carrier Sense Multiple Access, Collision Avoidance, CSMA/CA) zuständig. Die Schichten 1 und 2 wurden IEEE im Standard im Oktober 2003 verabschiedet. Bereits sind PHYund MAC-Funktionen in den gegenwärtigen verfügbaren Produkten in Software auf dem Host-Controller ausgeführt Network Layer (NWK) Der Network Layer (NWK) ist verantwortlich für die Vergabe von 16 Netzwerkadressen. Nur mit dieser werden Pakete im Netz weitergeleitet. Weiterhin beschreibt sie den Aufbau des Netzwerkes, die Teilnahme und das Verlassen von Devices in bzw. aus einem Netz, die Sicherheit des zu übertragenden Frames und das Routing von Frames in einem Mesh oder Tree Netzwerk. Der ZigBee Network Layer (NWK) unterstützt Star, Tree und Mesh Topologien. In einer Star Topologie wird das Netzwerk vom ZigBee Coordinator kontrolliert. Der Coordinator ist führt den Verbindungsaufbau mit anderen Devices zuständig. Alle anderen Devices kommunizieren mit dem Coordinator. In einer Mesh oder Tree Topologie ist der Coordinator für den Aufbau des Netzes zuständig. Das Netzwerk kann aber durch die Verwendung von Routern vergrößert werden. Dabei wird ein hierarchischer Routing Algorithmus verwendet. Im Tree Netz erfolgt die Weiterleitung der Daten entlang (Auf/Ab) des Tree basierend auf den Netzwerkadressen. Bei Mesh erfolgt die Verwendung eines vereinfachten Ad Hoc On Demand Distance Vector Routing (AODV) Verfahrens. Im NWK wird die Datenlieferung nicht garantiert. Fragmentation und Reassembly wird nicht unterstützt. Für die Vergabe von garantierter Bandbreite an bestimmte Nodes im Netz, können so genannte Beacons (Zeitschlitze) verwendet werden. Beacons werden im Star und Tree Netzwerk, nicht aber im Mesh Netzwerk über Router hinaus verwendet. Um diese Funktionalität realisieren zu können, besitzt der NWK ein Interface zum MAC Sub-Layer. Dieses Interface stellt in einem Funktionsblock Services für Daten und das Management zur Verfügung. Diese Funktionsblöcke (bei ZigBee: Entity) sind die NWK Layer Data Entity (NLDE) für die Datenübertragung und die NWK Layer Management Entity (NLME) für das Management der Verbindungen eines Devices. Die NLME verwaltet auch eine Liste (Network Information Base, NIB) der zu verwalteten Objekte bzw. Devices Network Layer Data Entity (NLDE) Die zu übertragenden Daten werden im NWK als Application Protocol Data Units (APDU) abgebildet und zwischen den beteiligten Devices übertragen. Die beteiligten Devices müssen sich im selben Netzwerk befinden. Die Datenpakete werden mit zusätzlichen Protokoll Headern und Informationen für das Routing versehen. Die Routing Informationen beinhaltet entweder den nächsten Hop (Router) oder das endgültige Ziel. Network Layer Management Entity (NLME)

8 Für die Konfiguration eines Devices und den Betrieb innerhalb des Netzwerks können bestimmte Parameter gesetzt werden. Diese sind: Betriebsart als ZigBee Coordinator oder End Device bzw. Router Start des Netzwerks J/N - die Möglichkeit in ein Netzwerk aufgenommen zu werden bzw. dieses zu verlassen. Möglichkeit das Coordinator oder Router ein Device zum verlassen des Netzes auffordern Möglichkeit der Adressvergabe durch den Coordinator und Router Erkennung der nächsten (One Hop) Nachbarn Erkennung des Routing Pfades Möglichkeit für ein Device zu erkennen, ob und für wie lange der Empfänger aktiv ist. Die ZigBee Hardware (IC) wird mit einem angepassten Network Layer gemäß Network Specification geliefert. Eine ZigBee konforme Anpassung ist heute (September 2004) für Chipcon und Motorola Hardware lieferbar. Mit diesen Anpassungen wird dem Entwickler der Einsatz von ICs dieser Hersteller wesentlich erleichtert. Die Anwendungsschicht ist neben der Beschreibung der Initialisierung des Verbindungsaufbaus mit Hilfe des so genannten Generic Device Object (GDO) auch für die detaillierte Beschreibung des Gerätefunktionsumfangs zuständig Application Support Sub-Layer Der Application Support Sub-Layer ist für die Verwaltung der Binding Tabelle und der Weiterleitung der Messages zwischen Devices, die über die Binding Tabelle verbunden sind zuständig. Binding ist die Herstellung einer logischen unidirektionalen Verbindung zwischen einem Source Endpoint/Cluster und einem Destination Endpoint, der sich auf einem oder mehreren Devices befindet. Binding kann mit oder ohne Anwendereingriff erfolgen. Binding ermöglicht die Verbindung von Devices basierend auf deren Services und Anforderungen. Der Application Support Sub-Layer übernimmt folgende Aufgaben im Netzwerk: - Definition des logischen Device Typ - Multiplexing der eingehenden Daten - Anwendung/Entfernung von Sicherheitsmechanismen auf dem Applikation Layer - Message Reflection für indirekte Adressierung Der Application Support Sub-Layer hat ein Datenformat. Im NWK wird die Datenlieferung nicht garantiert. Fragmentation und Reassembly wird nicht unterstützt ZigBee Device Objects ZigBee Device Objects (ZDO) ist zuständig für die Initialisierung aller ZigBee Layer auf dem Devices außer den Endpoint Anwendungen zuständig. Darunter fallen die Festlegung der Rolle (Coordinator oder End Device) eines Devices im Netzwerk, die Veranlassung und Bearbeitung von Binding Requests und den Aufbau einer sicheren Verbindung. ZDO ist auch für das Suchen (Discovery) von Devices im Netzwerk und die Bestimmung der unterstützten Services zuständig. Im ZDO erfolgt die Festlegung der eigentlichen ZigBee Funktionalität eines Devices. Über den NWK und MAC bzw. PHY Layer erfolgt die Umsetzung der Device Konfiguration auf die Layer, die diese Funktionen letztendlich ausführen müssen. Beispiele einer solchen Konfiguration sind: - Festlegung des verwendeten Kanals für Network Scan. Default ist die Verwendung aller Kanäle im ausgewählten Frequenzband (868 MHz, 915 MHz oder 2,4 GHz).

9 - Auswahl eines Kanals für den Aufbau eines Netzwerks. - Re-Join eines Netzwerks - Direktes Join und Join über Proxy ZDO ist eine wesentliche Komponente eines jeden ZigBee Devices. Im ZDO wird das Verhalten des Devices im Netz bestimmt Application Framework Das ZigBee Application Framework ist eine Umgebung in welcher die Applikationsobjekte auf einem ZigBee Device abgelegt werden. Innerhalb dieser Umgebung senden und empfangen die einzelnen Objekte Daten über Service Access Points (SAP). Diese Operationen werden mittels Request, Confirm, Response und Indication durchgeführt. Es können maximal 240 Endpoints per ZigBee Device (0 ist reserviert für die generischen Merkmale und Funktionen eines Devices, 255 ist reserviert für Broadcast, ist reserviert für zukünftige Anwendungen) angelegt werden. Für die Kommunikation mit den Endpoints stehen 2 Services zur Verfügung: Key Value Pair Service (KVP) Damit ist es möglich, definierte Attribute im Application Object mit GET, SET, GET RESPONSE und EVENT TRANSACTION zu manipulieren. Acknowledgement (empfohlen) kann optional gesendet werden. Das Format ist ein komprimiertes XML. Das ist sehr gut für kleine Devices mit nur begrenzten Ressourcen geeignet. Message Service (MSG) Viele ZigBee Anwendungen werden kundenspezifische Anwendungen einsetzen. Diese lassen sich nicht gut auf den Key Value Pair Service abbilden. Auch ist der Overhead bei KVP für die Abbildung der State Variablen u. U. nicht erwünscht. Dafür wird ein generischer Message Service (MSD) verwendet. Der Transport ist identisch zum KVP. Der Unterschied ist, dass das Datenfeld im APS Frame nicht definiert ist und frei spezifiziert werden kann. 3.3 Netztopologie Der IEEE Standard beschreibt zwei Geräteklassen - Reduced Function Device (RFD) - Full Function Device (FFD) Ein FFD kann dabei mit RFDs oder anderen FFDs kommunizieren. Ein RFD kann nur mit einem FFD kommunizieren. Die Software-Realisierung ist auf einem 8-bit-Mikrocontroller möglich. Mit diesen beiden Geräteklassen können grundlegenden Stern- und Peer-to-Peer-Topologien (Bild 3.2) gebildet werden. Mit diesen Topologien lassen sich dann leistungsfähige und flexible vermaschte Netzwerke aufbauen. Die Protokolle für diese Vermaschung sind nicht Bestandteil des Standards. Allerdings werden mögliche Realisierungen vorgeschlagen, z.b. Cluster-Trees, bei denen einzelne Netz- Cluster zusammengekoppelt werden. Damit wird eigentlich der Rahmen des 802-Standards verlassen, der ja die beiden untersten Schichten des OSI-Referenzmodells beschreibt.

10 Star Mesh PAN coordinator Full Function Device Reduced Function Device Cluster Tree Bild 3.2: ZigBee Topologien [1] Im IEEE ist die Funktion eines Koordinators sehr wichtig; hierbei handelt es sich um ein FFD, das Synchronisationsdienste durch die Versendung von Broadcast-Paketen (Beacons) leistet [8]. Dabei hat ein IEEE Netzwerk genau einen PAN-Koordinator. Neben diesem kann es noch einen oder mehrere alternative PAN-Koordinatoren in einem PAN geben, die die Aufgabe des PAN-Koordinators übernehmen, falls dieser das PAN verlässt. Ein FFD kann folglich in drei unterschiedlichen Betriebsmodi betrieben werden: als PAN-Koordinator, als Koordinator oder als Gerät (Device). Die folgenden Arten der Kommunikation bestehen: - Ein Device überträgt Daten an einem Koordinator - Ein Koordinator überträgt Daten an eine Device - Daten werden zwischen zwei Stationen im Netzwerk ausgetauscht Im PAN werden sog. Beacons zur Konfiguration oder auch Network Association von Stationen im Netzwerk eingesetzt. Weiterhin kann man mit Beacons bestimmte Zeitschlitze für einen Datenstrom reservieren. 3.4 Struktur des Protokoll- Rahmes Die Übertragung der Daten erfolgt in Frames. Diese bilden die Daten der höheren Schichten auf den MAC bzw. den PHY Layer ab. Bild 3.3 zeigt die bei IEEE und ZigBee verwendete Framestruktur.

11 Bild 3.3: Der Rahmen [3] Der Rahmens entspricht weitestgehend der des Standards. Diese Parallelität bezieht sich auf folgende Merkmale: - Auf MAC-Ebene stehen vier verschiedene Rahmenarten zur Verfügung: Beacon, Data, ACK, MAC command. - Auch die PHY-Ebene ergänzt den zu übertragenen Rahmen um layerbezogene Steuerinformationen. - Diese werden durch einen Synchronisations-Header ergänzt, der wie auch bei den drahtgebundenen Systemen die Synchronisation des Empfängertakts auf den Sendetakt ermöglicht. Die maximale Größe der Rahmen beträgt auf MAC-Ebene 127 Byte [2]. ZigBee definiert darüber hinaus die Möglichkeit, auch größere Pakete fragmentiert zu versenden. Mit Hilfe eines 5 byte langen Acknowledgement-Rahmens wird der erfolgreiche und fehlerfreie Empfang eines Datenpakets an den Sender zurückgemeldet. Die Command-Rahmen (Bild 3.4) stellen einen Mechanismus zur Steuerung und Konfiguration von Knoten zur Verfügung. Hierüber hinausgehend, erlauben die Beacon-Rahmen aus Bild 3.5 eine zusätzliche Erweiterung der Netzfunktionalität. Bild 3.4: Command-Rahmen [3] Bild 3.5: Beacon-Rahmen [3]

12 3.5 IEEE Standards Technologies IEEE b Bluetooth ZigBee Standards IEEE b IEEE IEEE Power Profile Hours Days Years Complexity Very Complex Complex Simple Nodes/Master Latency Enumeration up to 3 Seconds Enumeration up to 10 seconds Enumeration 30ms Range 100 m 10m 70m-300m Extendibility Roaming Possible No YES Data Rate 11Mbps 1 Mbps 250Kbps Battery Rechargeable Rechargeable Non-rechargeable Security Authentication Service Set ID (SSID) 64 bit, 128 bit 128 bit AES and Application Layer user defined RF Frequencies 2.4 and 5GHz 2.4 GHz 915 MHz / 2.4 GHz Modulation DSSS and OFDM FHSS DSSS Architecture Star-access point Peer to peer Mesh network Typical Current 350 ma 65 to 170 ma 30 ma Success Metrics Speed, Flexibility Cost, Convenience Reliability, Power, Cost Internet access Streaming audio Wireless sensors Computer networks Cell phone Industrial controls Applications Retail inventory Printer cable Wireless switches Wireless networks Multimedia Meter reading..... Bild 3.6: IEEE-Standards [1] IEEE b Der b oder Wi-Fi Standard ist von den hier vorgestellten Standards der am weitreichsten entwickelte. Produkte, die auf diesem Standard basieren, haben sich in den letzten Jahren in allen Anwendungsbereichen etabliert und erfreuen sich nach wie vor an großer Nachfrage. Ein entscheidender Grund hierfür ist sicherlich der massive Ausbau der erforderlichen Infrastruktur. Passende Zugangspunkte werden mehr und mehr in Universitäten, Bürogebäuden, Restaurants, Raststätten, Hotels, etc. eingerichtet.

13 Die markanten Technischen Merkmale sind dem Bild 3.6 zu entnehmen, eine weitergehende Betrachtung dieses Standards würde den Rahmen dieser Ausarbeitung sprengen IEEE Der oder Bluetooth Standard ist zu einem Standard Interface für Mobiltelefone und Laptops geworden, aber auch eine neuere Applikation, das Streaming Audio, gewinnt immer mehr an Bedeutung. Dank der geringen Kosten die mit einer Bluetooth Applikation verbunden sind ist es möglich, Bluetooth Verbindungen als Ersatz für Datenkabel, wie z.b. Druckerkabel oder Kabel für Freisprecheinrichtungen, zu nutzen. Verbindungen über längere Strecken und Netzwerke mit einer hohen Teilnehmerzahl sind jedoch nicht ohne zusätzlichen Aufwand realisierbar und somit ist Bluetooth in der aktuellen Version nur bedingt für den industriellen Bereich einsetzbar IEEE Der oder ZigBee Standard ist ein inzwischen vollständig beschriebener Standard [1,2], der für die Industrie eine exzellente Basis für die Entwicklung neuer Produkte darstellt, wie bereits unter den Punkten 2.1 und 2.2 dargelegt wurde. Auch hier wurde bei der Entwicklung des Standards Wert darauf gelegt, dass die Kosten für die Produktentwickler möglichst niedrig sind. Weitere wichtige Faktoren sind der geringe Energiebedarf dieser Technologie, sowie die hohe Teilnehmerzahl. Allerdings ist auch diese Technologie nur bedingt einsetzbar, da die Datenrate im Vergleich zu den anderen hier untersuchten Standards relativ gering ist.

14 4 Bluetooth vs. ZigBee Wie aus dem Bild 3.6 ersichtlich ist, gleichen sich in einigen Bereichen die markanten Merkmale des Bluetooth und ZigBee Standards, da beide Technologien ausgelegt sind um unter anderem Kabelverbindungen im Nahbereich zu ersetzen. Fur den Entwickler stellt sich nun die Frage, welcher Technologie er den Vorzug geben sollte, wenn beide Technologien in der Lage sind die Anforderungen zu erfüllen. Im Folgenden sollen nun die Vor- und Nachteile von Bluetooth und ZigBee gegeneinander abgewogen werden und es gilt die Frage zu beantworten, ob Bluetooth und ZigBee in direkter Konkurrenz zueinander stehen oder ob beide Systeme koexistieren können. Um diese Frage zu beantworten, werden hier drei Beispiele angeführt: - Reaktionszeit - Stackaufbau - Energiebedarf 4.1 Reaktionszeit Für industrielle Anwendungen ist die Reaktionszeit, d. h. die Zeit die ein Netzwerkteilnehmer nach verlassen des Netzwerkes braucht um wieder in Kontakt mit den anderen Teilnehmern zu treten, ein wichtiger Faktor. Angenommen ein Schalter zum starten einer Maschine (z. B. eine Rolltreppe), der von Hand betätigt wird, ist nicht über Kabel, sondern über Funk mit der Maschine verbunden. Betätigt man nun den Schalter ist es relativ egal, ob die Maschine sofort reagiert oder einige Sekunden verzögert anläuft, da es sich nicht um einen zeitkritischen Prozess handelt. In diesem Fall wären sowohl ZigBee als auch Bluetooth zur Realisierung der Funkverbindung geeignet. Betrachtet man nun einen einzelnen Sensor, der die Aufgabe hat die Maschine durch eine Fehlermeldung sofort zu stoppen (z. B. es wird angezeigt, daß sich eine Person oder ein Gegenstand am Ende der Treppe eingeklemmt hat), so ist dies ein Zeitkritischer Prozeß. Verwendet der Konstrukteur hier zur Kommunikation des Sensors (vorausgesetzt dies geschieht kabellos) die Zigbee Technologie, so wird die Fehlermeldung in etwa 30ms weitergegeben, was sich aus dem Bild 3.7 entnehmen läßt. Wird hingegen Bluetooth verwendet, so dauert es bis zu drei Sekunden bevor die Fehlermeldung gesendet wird. Da dies in so einem Fall natürlich nicht akzeptabel ist, muß hier ZigBee gegenüber Bluetooth vorgezogen werden oder es muß in Kauf genommen werden, daß der Sensor ein permanent aktives Element im Netzwerk ist, was wiederum hohe Energiekosten bedeutet. Allgemein läßt sich somit sagen, daß ZigBee im industriellen Bereich für zeitkritische Anwendungen wesentlich besser geeignet ist als Bluetooth, was auch durch die hohe Teilnehmerzahl zusätzlich unterstützt wird.

15 Bild 4.7: Reaktionszeit [1] ZigBee: Network join time = 30ms typically Sleeping slave changing to active = 15ms typically Active slave channel access time = 15ms typically Bluetooth: Network join time = >3s Sleeping slave changing to active = 3s typically Active slave channel access time = 2ms typically ZigBee protocol is optimized for timing critical applications 4.2 Stackaufbau Application Application Interface Network Layer Data Link Layer MAC Layer MAC Layer PHY Layer Silicon ZigBee Stack Zigbee Application Voice Intercom Headset Cordless Group Call vcard vcal vnote Telephony Control Protocol User Interface vmessage OBEX Dial-up Networking RFCOMM (Serial Port) L2CAP Host Control Interface Link Manager Link Controller Baseband RF Bluetooth Silicon Applications Stack Bluetooth Fax Service Discovery Protocol Bild 4.8: Protokoll Stack Bluetooth-ZigBee [7]

16 Der Stackaufbau des ZigBee Standards wurde bereits im dritten Kapitel erläutert und an dieser Stelle solll nicht weiter auf die technischen Einzelheiten des Bluetooth Standards eingegangen werden. Wenn ein Softwareentwickler vor der Aufgabe steht einen der beiden hier verglichenen Standards zu implementieren, ist aus dem Bild 3.8 rein optisch schon zu ersehen, daß der Aufbau des ZigBee Stacks wesentlich einfacher ist, als der des Bluetooth Stack. Der Entwickler wird also im Allgemeinen weniger Kosten und Zeit aufwenden müssen um seine Software auf den ZigBee Stack abzustimmen. Hierbei ist allerdings auch anzumerken, daß der Entwickler auf der Basis des Bluetooth Stacks mehr Möglichkeiten hat, als bei der ZigBee Technologie. 4.3 Energiebedarf Bluetooth ist ein synchronisiertes System. Deshalb ist der Energiebedarf auch nur bedingt von der Anzahl der Zugriffe des Devices abhängig. ZigBee hingegen ist kein synchronisiertes System. In der unteren Graphik (Bild 3.9) ist der Energiebedarf eines ZigBee Systems dem eines Bluetooth Systems gegenüber gestellt. Die grüne Kurve zeigt die Lebensdauer einer Batterie eines Bluetooth Gerätes. Zwar ist die Batterie eines Bluetooth Gerätes prinzipiell aufladbar, jedoch muß auch davon ausgegangen werden, daß z. B. bei einem nachträglich installierten Gerät wie beispielsweise einem Bewegungsmelder keine externe Stromversorgung zur Verfügung steht. Die rote Kurve zeigt die Lebensdauer eines äquivalenten ZigBee Gerätes. Die Lebensdauer hängt in diesem Fall von den Abständen der bereits beschriebenen Beacons ab. Sind die Beacon Intervalle kleiner als 0,246s so ist die Lebensdauer der ZigBee Batterie geringer als die der Bluetooth Batterie. Sind die Intervalle jedoch größer als 0,246s, so steigt die Lebensdauer schnell auf ein Vielfaches der Bluetooth Batterie an. Für Netzwerke in denen manche Teilnehmer nur gelegentlich aktiv sind und sonst in einen Ruhezustand versetzt werden, eignet sich also die Anwendung der ZigBee Technologie besonders. At beacon interval ~60s, 15.4/ZigBee battery life approx 416 days /ZigBee more battery-effective at all beacon intervals greater than 0.246s At beacon interval ~1s, 15.4/ZigBee battery life 85 days Bild 4.9: Energiebedarf [1]

17 4.4 Konkurrenten oder Komplementär? Es stellt sich die Frage, ob ZigBee und Bluetooth auf Dauer nebeneinander bestehen können oder ob sich eines der beiden Systeme durchsetzen und somit das andere verdrengen wird. Wie bereits in 2.1 beschrieben gab es gute Gründe für die Entwicklung eines neuen Funkstandards. Zwar konkurrieren Bluetooth und ZigBee sicherlich in einigen Bereichen, jedoch hat jedes System durch seine eigenen Besonderheiten auch eine Berechtigung und deckt jeweils ein Anwendungsgebiet ab, für das das andere System nicht geeignet ist. So ist z. B. ZigBee besonders für Sensor-Aktornetzwerke mit vielen Teilnehmern und kleinen Datenmengen gut geeignet, während Bluetooth besser für große Datenmengen ausgelegt ist.

18 5 Beispiele 5.1 Lichtschalter In diesem Beispiel betrachten wir einen kabellosen Lichtschalter. Ein solcher Schalter ist für den Anwender einfach zu installieren und besonders attraktiv wenn eine derartige Applikation nachträglich in ein Gebäude integriert werden soll, da die Verkabelung des Schalters und die oft damit verbundenen Putz- und Tapezierarbeiten entfallen. Implementierung des Lichtschalters mit Bluetooth: Eine Bluetooth Anwendung hat hier grundlegend zwei Optionen: 1. Option: Ein interner Zähler wird benutzt um die Schaltfrequenz des Schalters aufzuzeichnen und so Erfahrungswerte zu sammeln. Auf diese Weise versucht man vorherzusagen wann ein Schalter betätigt wird. So wird ein Lichtschalter in einem Raum mit Fenstern zur Mittagszeit wahrscheinlich weniger oft betätigt als derselbe Schalter am Abend. In einem Bürogebäude z. B. ist es wahrscheinlicher, daß der Schalter während der Arbeitszeit betätigt wird, als nach Dienstschluß. Da Bluetooth ein synchronisiertes System ist, sind die einzelnen Teilnehmer darauf angewiesen miteinander zu kommunizieren um ihre Zähler abzugleichen. Mit einem Standardquarz (z. B. 30ppm) sollte dies ca. einmal pro Sekunde geschehen. Da es sich hier nicht um eine Sicherheitsanwendung handelt nehmen wir an, daß ein ausreichender Abgleich noch gewährleistet ist, wenn die empfohlene Zeit mit dem Faktor 100 multipliziert wird. D. h. die Teilnehmer müssen alle 100 Sekunden miteinander in Verbindung treten; pro Tag sind es damit 900 Zählerabgleiche. Wird der Schalter nun z. B. vier mal an einem Tag betätigt, bedeutet dies, dass 900 Kommunikationen ohne Information (Schalter wurde betätigt) vier Kommunikationen mit Information gegenüber stehen. Auf diese Weise wird 99,5 % der Batterieleistung verschwendet [1]. 2. Option: Der Schalter nimmt nach Betätigung auf dem Standardweg Kontakt mit dem Licht auf. Gegenüber der ersten Option wird dadurch Energie gespart. Das Problem hierbei ist, daß die Network join time bei der Version Bluetooth 1.1 bei bis zu 10 Sekunden liegt und auch bei der neueren Version Bluetooth 1.2 immer noch bei 3 Dekunden liegt. Diese Zeiten sind für den Endverbraucher nicht akzeptabel.

19 Implementierung des Lichtschalters mit ZigBee: Da ZigBee ein DSSS Interface nutzt, muß der Schalter nach der Betätigung lediglich das bereits beschriebene CSMA Protokoll durchführen, bevor die Kommunikation gestartet werden kann. Durch die kurze Network join time von ~30ms und den einfachen Sendemechanismus wird so gegenüber der äquivalenten Anwendung mit Bluetooth Energie gespart. 5.2 Gebäudetechnik Die folgenden Bilder zeigen verschiedene Anwendungsmöglichkeiten für ZigBee Implementierungen in der Gebäudetechnik und sollen das Potential verdeutlichen, daß diese Technologie in sich trägt [1].

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21 6 Fazit ZigBee verfügt trotz relativer Langsamkeit und geringer Datenmengen über großes Potenzial. Im Bereich der Überwachungstechnik und der Telematik können schon in naher Zukunft vollkommen neue Möglichkeiten entsehen, die mit anderen Wireless Technologien so bisher nicht umsetzbar sind. Statt ein Gebäude zu verkabeln, ermöglicht ZigBee die drahtlose Überwachung von Sicherheitssystemen, Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen zu weitaus geringeren Kosten. Die Wirtschaftlichkeit von ZigBee ist sicherlich eines der entscheidensten Kriterien. Trotz großen Potential bedroht ZigBee nicht die Bluetooth Technologie: Bluetooth eignet sich besser für die Synchronisation von Mobiltelefonen und PDAs, ebenso wie für freihändige Audio- und Ad-hoc- Funktionen. Trotzdem hat der neue Funkstandard seine Existenzberechtigung und sogar gute Marktchancen: Geht es um eine große Anzahl von Geräten, eine gelegentliche Nutzung und kleine Datenmengen, wird sich ZigBee bewähren.

22 7 Quellen [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8]