9 Inhalt 1 IEEE 802.15.4 und ZigBee als Nahbereichsdatenfunk 15 1.1 Definition 15 1.2 Besonderheiten aktueller Entwicklungen 16 1.3 Motivation für IEEE 802.15.4 und ZigBee 18 1.4 Vielfalt der Nahbereichsfunknetze 19 1.5 Aufbau von IEEE 802.15.4 und ZigBee 20 1.6 Mögliche Protokollimplementierungen 21 1.7 IEEE-Standardisierung 24 1.7.1 Grundaufbau 24 1.7.2 IEEE 802.15.1 -BluetoothinIEEE-Sprache 25 1.7.3 IEEE 802.15.2 - Koexistenz 25 1.7.4 IEEE 802.15.3 - Hohe Datenraten 25 1.7.5 IEEE 802.15.4-Geringe Datenraten, wenig Energie 26 1.7.6 IEEE 802.15.5-Vermaschung 27 1.8 ZigBee-Standardisierung 27 1.9 Alternative Nahbereichsfunksysteme 28 2 Besonderheiten drahtloser Netzwerke 31 2.1 Überblick 31 2.2 Kanalmultiplexverfahren 32 2.3 Kanalzugriffsverfahren 34 2.4 Hidden-Station-Problem 36 2.5 Kanaleigenschaften 38 2.5.1 Übersicht 38 2.5.2 Nutzung eines gemeinsamen Kanals 38 2.5.3 Passive Eigenschaften des Kanals 38 2.6 Vorgaben der Aufsichtsbehörden 41 2.6.1 Überblick 41 2.6.2 Aufsichtsbehörden für Telekommunikation 41 2.6.3 Standardsund Standardisierungsgremien 42 2.6.4 De-facto-Standards und Interessenvereinigungen 43 2.7 Open-Source-Projekte 44 2.8 Administration und Protokollstapel 45 3 Die Bitübertragungsschicht 49 3.1 Überblick 49 3.2 Frequenzbereiche und Kanäle 50 3.2.1 Diskussion der Frequenzauswahl 50
10 Inhalt 3.2.2 Das 868/915 MHz-Band 50 3.2.3 Das 2,4 GHz-Band 52 3.2.4 Ausbreitungscharakteristiken im Vergleich 52 3.2.5 Reichweitenmessungen 53 3.3 Frequenzspreizverfahren 54 3.3.1 Grundsätzliches Vorgehen 54 3.3.2 Frequenzsprangverfahren (FHSS) 55 3.3.3 Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) 56 3.4 Festlegungen des IEEE 802.15.4 57 3.4.1 Überblick 57 3.4.2 Variante 1: BPSK/DSSS im 868 / 915 MHz-Band 57 3.4.3 Variante 2: O-QPSK/DSSS im 2.4 GHz-Band 58 3.4.4 Variante 3: O-QPSK/DSSS im 868 / 915 MHz-Band 58 3.4.5 Variante 4: ASK/PSSS im 868 / 915 MHz-Band 60 3.5 Koexistenz 60 3.6 IEEE 802.15.4-Realisierung 63 3.6.1 Vorbemerkung 63 3.6.2 Dienstprimitive für den Datenverkehr 63 3.6.3 Dienstprimitive für das Management 63 3.6.4 PAN Information Base 64 4 Die Sicherungsschicht 65 4.1 Überblick 65 4.2 Rahmenformate 66 4.2.1 Einführung 66 4.2.2 Rahmentypen 67 4.3 Gerätetypen und Topologien 67 4.3.1 Gerätetypen 67 4.3.2 Topologien 68 4.4 Adressierung 69 4.5 Verkehrsablauf 70 4.5.1 Vorbemerkung 70 4.5.2 Aufbau eines Netzes 70 4.5.3 Anmeldung 71 4.5.4 Datentransport 72 4.5.5 Zuverlässigkeit 72 4.5.6 Abbau einer Verbindung 73 4.6 Kanalzugriff 74 4.6.1 Vorbemerkung 74 4.6.2 CSMA/CA 74 4.6.3 Direkte und indirekte Datenübertragung 77 4.6.4 Beacon-Enabled Modus 78 4.6.5 Reservierter Kanalzugriff-GTS 79
Inhalt 11 4.7 Security 80 4.7.1 Einführung 80 4.7.2 Maßnahmen 81 4.7.3 AES beim IEEE 802.15.4 82 5 ZigBee-Netzwerke 83 5.1 Die ZigBee Alliance 83 5.2 Rollenkonzepte im ZigBee-Netzwerk 84 5.2.1 ZigBee-Koordinator 84 5.2.2 ZigBee-Router 86 5.2.3 ZigBee-Endknoten 86 5.3 Aufbau des ZigBee-Stacks 87 5.3.1 Architektur 87 5.3.2 Network Layer 88 5.3.3 Application Layer 90 5.3.4 ZigBee Device Object 90 5.3.5 Application Framework 92 5.4 Arten von ZigBee-Netzwerken 92 5.5 ZigBee-Adresszuweisung 94 5.6 Routing der Daten in ZigBee-Netzwerken 96 5.7 ZigBee-Datenpakete 99 5.8 Abläufe beim Aufbau eines Netzwerkes 99 5.9 Die Funktion des Binding" 101 5.10 ZigBee-Lizenzkosten 103 6 Hardware-Lösungen für IEEE 802.15.4 / ZigBee 105 6.1 Prinzipielle Hardware-Beschreibung 105 6.2 Chipsatz ZRP-1 als Beispiel für eine IEEE 802.15.4 Hardware-Lösung. 106 6.3 Lösungen der zweiten Generation: System-in-a-Package" 113 6.4 Strategien zum Stromsparen 114 6.5 Die Funkreichweite von IEEE 802.15.4 / ZigBee 118 7 IEEE 802.15.4 / ZigBee-Implementierungen 121 7.1 Starterkits und Evaluationboards 121 7.2 Antennen und tatsächliche Reichweiten 123 7.3 Funkmodule 127 7.4 USB-Dongle 129 7.5 Einsatz von ZigBee in der Hausautomatisierung 130 7.6 Einsatz von ZigBee zum Auslesen von Zählern 133 7.7 Industrielle Sensoren 134 7.8 Andere ZigBee-Anwendungen 135
12 Inhalt 8 Software-Lösungen für IEEE 802.15.4 / ZigBee 137 8.1 Verschiedene Optionen 137 8.2 Datenübertragung mit IEEE 802.15.4 PHY und Simple MAC 139 8.3 Datenübertragung mit IEEE 802.15.4 MAC 142 8.4 BeeStack als ZigBee-Stack 144 8.5 Freescale BeeKit 146 8.6 Verwendung von IEEE 802.15.4 für Modemanwendungen 148 8.6.1 Zielstellungen 148 8.6.2 AT-Befehlssatz 149 8.6.3 WMCS Software 150 8.7 Verwendungeines Sniffers 152 9 Systementwicklung mit ZigBee 155 9.1 ZigBee-Profile und ihre Anwendung 155 9.2 Öffentliche Profile (Public Profiles) 157 9.2.1 Home Automation (HA) Profile 157 9.2.2 Commercial Building Automation (CBA) Profile 158 9.2.3 Wireless Sensor Application (WSA) Profile 159 9.2.4 Advanced Metering Infrastructure (AMI) Profile 159 9.2.5 Industrial Plant Monitoring (IPM) Profile 160 9.3 Erstellung eigener Profile 160 9.4 Applikationsentwicklung 161 9.5 Installation und Inbetriebnahme (Commissioning) 162 9.5.1 Automatische Inbetriebnahme 163 9.5.2 Manuelle Inbetriebnahme 164 9.5.3 Inbetriebnahme mit speziellen Werkzeugen 165 9.6 Sicherheit (Security) 165 9.7 ZigBee-Zertifizierung 170 10 Arbeit mit der beiliegenden CD 173 10.1 Inhalt der CD und Installation der Programme 173 10.2 Wireless UART als Beispiel eines SMAC-Projekts 176 10.3 Licht-Ein- und Ausschalter als Beispiel eines ZigBee-Projekts 187 10.4 ZeD (ZigBee environment Demonstration) 196 11 Zukünftige Entwicklungen 197 11.1 Anbindung an einen 32-Bit-Prozessor 197 11.2 Alternative Netzwerk-Layer 198 11.2.1 Proprietäre Erweiterungen basierend auf IEEE 802.15.4 198 11.2.2 Alternative Standards basierend auf IEEE 802.15.4 201 11.3 IP über IEEE 802.15.4 204 11.3.1 Positionierung und Diskussion 204 11.3.2 Architekturen 206
Inhalt 13 11.3.3 Beispiel 207 11.4 Weiterentwicklung der ZigBee-Spezifikation 208 11.4.1 ZigBeePRO 209 11.4.2 Batteriebetriebene Router 211 11.4.3 Neue Profile 212 Abkürzungen 213 Literatur 227 Stichwortverzeichnis 235