ZigBee

ZigBee ist ein Funkstandard für Geräte, die wenig Daten senden und lange mit einer Batterie auskommen müssen: Fensterkontakte, Bewegungsmelder, Temperaturfühler, Lampen, Zwischenstecker, Heizkörperthermostate. Es ist neben Z-Wave das verbreitetste Funksystem der Hausautomation.

Die Schreibweise hat sich geändert. Bis 2021 trug der Standard den Namen ZigBee und wurde von der ZigBee Alliance gepflegt; seitdem heißt das Gremium Connectivity Standards Alliance (CSA) und schreibt die Technik als Zigbee. Beide Schreibweisen bezeichnen dasselbe.

Verhältnis zu IEEE 802.15.4

ZigBee ist kein vollständiger Funkstandard, sondern ein Aufsatz. Die Funkschicht und den Medienzugriff liefert IEEE 802.15.4, ein Standard für drahtlose Nahbereichsnetze. ZigBee ergänzt darüber die Vermaschung, die Adressierung und eine Anwendungsschicht, die festlegt, wie ein Schalter mit einer Lampe spricht.

Die Unterscheidung ist wichtiger geworden, als sie klingt: Thread nutzt dieselbe Funkschicht, setzt aber IPv6 darüber statt des ZigBee-Netzwerkteils. Zwei Geräte können also auf demselben Funk arbeiten und trotzdem kein Wort miteinander wechseln. Viele Funkbausteine beherrschen beides, und ob ein Gerät ZigBee oder Thread spricht, entscheidet nur die Firmware.

Frequenzen und Datenrate

In der Praxis läuft nahezu alles auf 2,4 GHz, weil nur dieses Band weltweit nutzbar ist und die Geräte dadurch überall verkauft werden können.

250 kbit/s sind wenig und sollen es sein. Ein Fensterkontakt überträgt im Jahr vielleicht ein paar Kilobyte; die Auslegung zielt nicht auf Durchsatz, sondern darauf, dass der Sender nur Millisekunden aktiv ist und danach wieder schläft. Daher die Batterielaufzeiten von ein bis mehreren Jahren.

Drei Rollen

Jedes Gerät in einem ZigBee-Netz nimmt eine von drei Rollen ein:

• Coordinator — genau einer je Netz. Er eröffnet das Netz, vergibt Adressen und verwaltet die Schlüssel. In der Praxis der Stick oder das Gateway.
• Router — leitet fremde Nachrichten weiter und erweitert damit die Reichweite. Muss dauerhaft empfangsbereit sein.
• End Device — sendet und empfängt nur für sich selbst und darf schlafen.

Daraus folgt die praktisch wichtigste Regel, die in keiner Verpackungsaufschrift steht: Batteriegeräte erweitern das Netz nicht. Ein Fensterkontakt oder ein Thermostat schläft und kann deshalb nichts weiterleiten. Wer Reichweite braucht, braucht netzbetriebene Geräte — Zwischenstecker, Lampen, Unterputzaktoren. Ein Netz aus lauter Batteriesensoren bleibt auf die Reichweite des Coordinators beschränkt.

Die Vermaschung selbst heilt sich: Fällt ein Router aus, suchen die Nachrichten einen anderen Weg, sofern einer besteht.

Störung durch WLAN

2,4 GHz teilt sich ZigBee mit WLAN, Bluetooth, Mikrowellenherden und schnurlosen Kameras. WLAN ist dabei der ernsteste Gegner, weil es mit erheblich mehr Sendeleistung und breiteren Kanälen arbeitet.

Die ZigBee-Kanäle liegen aber nicht deckungsgleich mit den WLAN-Kanälen. Bei der üblichen WLAN-Belegung mit den Kanälen 1, 6 und 11 bleiben Lücken, in die sich ZigBee legen lässt — in der Praxis die Kanäle 15, 20, 25 und 26. Kanal 26 ist am saubersten, wird aber von manchen Geräten nicht unterstützt und ist in der Sendeleistung beschränkt.

Zeigt ein Netz sporadische Aussetzer, ist die WLAN-Kanalwahl der erste Ort zum Nachsehen — besonders dort, wo ein Router auf 40 MHz Kanalbreite steht und damit doppelt so viel Band belegt.

Sicherheit

ZigBee verschlüsselt mit AES im 128-Bit-Modus. Jedes Netz hat einen Netzwerkschlüssel, den alle Teilnehmer kennen, dazu optional paarweise Schlüssel.

Die historische Schwachstelle liegt im Beitritt. Damit Geräte verschiedener Hersteller überhaupt zusammenfinden, war ein herstellerübergreifender Standardschlüssel festgelegt, der öffentlich bekannt ist. Wer den Moment des Anlernens mitschneidet, kann den Netzwerkschlüssel daraus gewinnen — ein Zeitfenster von Sekunden, aber eines, das sich durch Herbeiführen eines Neuanlernens erzwingen lässt.

ZigBee 3.0 entschärft das durch Beitritt mit gerätespezifischem Schlüssel, der als Zahlencode oder QR-Code auf dem Gerät steht. Vorhandene Geräte unterstützen das nicht immer.

ZigBee 3.0 und der Ruf der Inkompatibilität

Lange war ZigBee berüchtigt dafür, dass zwei ZigBee-Geräte nicht zusammenarbeiteten. Der Grund waren getrennte Anwendungsprofile: ZigBee Home Automation, ZigBee Light Link, ZigBee Smart Energy und weitere, jeweils mit eigenem Beitrittsverfahren und eigener Gerätebeschreibung. Ein Leuchtmittel nach Light Link und ein Schalter nach Home Automation fanden nicht zueinander.

ZigBee 3.0 (2016) führt diese Profile zusammen. Seitdem ist die herstellerübergreifende Zusammenarbeit der Regelfall. Der schlechte Ruf stammt aus der Zeit davor und hält sich länger als die Ursache.

Verhältnis zu Matter

Matter ist bei derselben CSA entstanden, die ZigBee pflegt — der Zusammenhang wird deshalb oft falsch verstanden. Matter ersetzt ZigBee nicht. Es ist eine Anwendungsschicht über IP und läuft über WLAN, Ethernet und Thread, nicht über ZigBee.

ZigBee-Geräte lassen sich dennoch einbinden, über eine Bridge: Das Gateway, das ohnehin als Coordinator arbeitet, meldet die angeschlossenen Geräte als Matter-Geräte weiter. Für den Bestand ist das der übliche Weg.

In der Praxis

Verbreitet ist der Betrieb über einen USB-Funkstick am eigenen Rechner oder Kleinrechner, mit einer Software, die die Geräte ausliest und ihre Zustände als MQTT-Nachrichten weitergibt. Das löst die Geräte vom Gateway des Herstellers und macht sie in beliebigen Hausautomationslösungen verwendbar — der Grund, warum ZigBee bei Selbstbauern beliebter ist als geschlossene Systeme.

Abgrenzung

Z-Wave arbeitet unterhalb von 1 GHz und hat deshalb keinen Streit mit WLAN, dafür weniger Geräteauswahl.

Bluetooth Low Energy ist in jedem Telefon vorhanden und braucht kein Gateway, reicht aber kürzer und ist auf einzelne Verbindungen ausgelegt.

KNX ist die verdrahtete Lösung für denselben Zweck und wird dort eingesetzt, wo bei Neubau oder Sanierung Leitungen gelegt werden können.

Insteon war der nordamerikanische Mitbewerber und ist in Europa nie angekommen.

Quellen

• IEEE 802.15.4 – Low-Rate Wireless Personal Area Networks, Funkschicht und Medienzugriff
• ZigBee 3.0 – Vereinheitlichte Anwendungsprofile der Connectivity Standards Alliance