Drahtlose Qual der Wahl

Netzwerkprotokolle für die Hausautomation

| Autor / Redakteur: Mark Patrick (Red.: Margit Kuther) / Andreas Donner

XBee PRO von Digi International: bieten eine günstige drahtlose Verbindung zu Geräten in ZigBee-Mesh-Netzwerken
XBee PRO von Digi International: bieten eine günstige drahtlose Verbindung zu Geräten in ZigBee-Mesh-Netzwerken (Bild: Mouser/Digi)

Jeder spricht vom vernetzen Zuhause, wenige aber von den verschiedenen, konkurrierenden Protokollen. Lesen Sie, wann Zwave, Zigbee, Thread oder WLAN die richtige Wahl ist.

Das Internet of Things breitet sich zunehmend in unserem persönlichen und professionellen Alltag aus. Einer der ersten Orte, die davon beeinflusst wurden, ist unser Zuhause. Die allgegenwärtigen drahtlosen Netzwerke, Smartphones und Cloud-Netzwerke haben Geräteherstellern reichlich Chancen gegeben, mit smarten, vernetzten Haushaltsgeräten einen Mehrwert für unser Zuhause zu schaffen.

Diese Chancen bringen aber auch Wettbewerb mit sich. In der drahtlosen Heimautomation gibt es eine verblüffend hohe Anzahl konkurrierender Protokolle. In dem ganzen Durcheinander steckt allerdings System. Kein einzelnes Protokoll ist optimal für jeden Anwendungsfall. Viele dieser Protokolle sind jedoch hervorragend für bestimmte IoT-Applikationen. Im Folgenden werfen wir einen Blick auf die besten drahtlosen Protokolle, die aktuell für Smart-Home-Vernetzung genutzt werden, sowie auf einen neuen, vielversprechenden Standard, der alle vereinen möchte.

Z-Wave, ein proprietäres Drahtlosprotokoll

Mit über eintausend Geräten und weit über einhundert Unternehmen, die kompatible Produkte herstellen, ist Z-Wave derzeit der am weitesten verbreitete drahtlose Kommunikationsstandard. Ein Abschwung ist nicht in Sicht. Z-Wave ist ein proprietäres Drahtlosprotokoll für die Heimautomation, das für den niedrigen Energie- und den geringen Bandbreitenbedarf des Internet of Things entwickelt wurde.

Z-Wave nutzt den IEEE-802.15.4-PHY-Funkstandard und vermaschte Netzwerke, um Reichweite und Netzwerkstabilität zu erhöhen. Anders als Bluetooth und ZigBee, die beide im 2,4-GHz-Band betrieben werden, arbeitet Z-Wave in Europa im 868-MHz-Frequenzband (915-MHz-Band in Nordamerika). Durch den Betrieb in Sub-1-GHz-Frequenzen hat Z-Wave ein robustes, für Bluetooth- oder WLAN-Netzwerke undurchdringliches Signal. Mit der niedrigeren Frequenz hat Z-Wave auch eine bis zu dreimal höhere Reichweite als beispielsweise ZigBee.

Die Z-Wave-Netzwerktopologie ist ein Mesh-Netzwerk, bei dem jeder Knoten als Repeater agiert, der die Reichweite erhöht. So wird die Funktionsfähigkeit des Netzwerks gewährleistet, selbst wenn ein Knotenpunkt ausfällt. Jedes Z-Wave-Netz hat mindestens einen Controller, üblicherweise ein über WLAN verbundener Hub, der Befehle über das Netzwerk gibt und regelmäßig als Internetzugang fungiert.

Da es ein propriertäres Protokoll ist, müssen alle Hersteller, die Z-Wave-Geräte produzieren, den von Sigma Designs lizenzierten SoC-Chip verwenden. Die meisten Designs können mit dem SoC-Ansatz direkt auf dem Funkchip umgesetzt werden. So wird der Einsatz eines externen MCUs vermieden, was die Hardware-Entwicklung wesentlich vereinfacht. Die Software wird mit einem Standard-SDK von Sigma entwickelt.

Die neuen Z-Wave-SoCs der 500-Serie bieten eine höhere Reichweite von bis zu 150 Metern, eine 50% längere Batterielaufzeit und eine um 250% höhere Bandbreite. Gleichzeitig sind sie mit den Geräten aller Z-Wave-Generationen kompatibel. Um das Z-Wave-Logo zu erhalten, müssen Produkte nach der Entwicklung zertifiziert werden. Zwar sind die Preise wegen des geschlossenen Systems etwas höher, doch Z-Wave-Produkte sind problemlos und vollständlig interoperabel.

Die robuste und schnittstellenfreie Signaltechnik des Z-Wave sowie seine hervorragende Interoperabilität mit über Eintausend anderen Z-Wave-Produkten auf dem Markt, machen es zu einer guten Option für die IoT-Ausrüstung in der Heimautomation.

ZigBee, Drahtlosprotokoll speziell für IoT

ZigBee, das im Jahr 2005 als offener Protokollstandard entwickelt wurde und die physikalische IEEE 802.15.4-Schicht nutzt, ist das erste große Drahtlosprotokoll, welches speziell für IoT konzipiert wurde. Wie Z-Wave weist ZigBee einen niedrigen Stromverbrauch und ein vermaschtes Netzwerk auf.

Obwohl die Funkreichweite im Freien auf bis zu 100 Metern festgelegt ist, erzielt ZigBee-Zubehör oft nur eine viel geringere Reichweite, da das Funknetzwerk auf Energieeffizienz statt großem Betriebsbereich eingestellt ist. Das Maschennetz von ZigBee lässt jedoch große Netzwerke zu, die weit über die Reichweite eines einzelnen ZigBee-Gerätes wachsen können. Dieses vermaschte Netz ermöglicht den Betrieb eines Netzwerks über die Sichtlinie hinaus, über Ecken, durch Hindernisse oder über verschiedene Stockwerke.

Die Zukunft von ZigBee ist ungewiss. Seine Energieeffizienz wird von Bluetooth Low Energy und mehreren neuen bzw. aufkommenden Protokollen übertroffen, die ebenfalls mit einem vermaschten Netz arbeiten. Dazu gehört auch eine neue Version von BLE. Nur wegen der Verfügbarkeit kostengünstiger, qualifizierter ZigBee-Module ist ZigBee noch so beliebt. Für IoT-Projekte mit geschlossenen Netzwerken ist es zwar angemessen, wegen seiner schlechten Kompatibilität wird ZigBee in Zukunft aber kaum als Hauptprotokoll für die Heimautomation hervorgehen.

Thread, IP-gestütztes Protokoll für das Heim

Thread ist ein neues, sehr vielversprechendes, auf IP gestütztes Protokoll zur Smart-Home-Vernetzung. Es wurde von Google Nest in Zusammenarbeit mit führenden Indus-triegrößen wie Samsung, Freescale und ARM entwickelt und im Juli 2015 veröffentlicht. Thread zielt darauf ab, Produkte zur Heimautomation unter einem zukunftsweisenden Protokoll zu vereinen, das auf existierender Hardware läuft. Thread-Ausstattung nutzt 6LowPan auf der Netzwerkebene und gibt jedem einzelnen Gerät eine Ipv6-Adresse, weshalb sie im Gegensatz zu Z-Wave und ZigBee grundsätzlich über IP adressierbar sind. Dadurch können Thread-Netzwerke leicht die Brücke ins Internet schlagen. So wird die Integration von Cloud-Applikationen wesentlich vereinfacht.

Statt einer neuen physikalischen Ebene setzt Thread wie ZigBee und Z-Wave auf 802.15.4. Thread-Funkmodule sind bereits auf dem Markt erhältlich und viele ZigBee-Funkmodule können auch auf Thread-Fähigkeit nachgerüstet werden. Zusätzlich zur einfachen Entwicklung neuer Thread-Geräte bedeutet das auch, dass aktuelle ZigBee-Produkte Thread problemlos unterstützen können. Um den Stromverbrauch so gering wie möglich zu halten, unterstützt Thread die Übertragung kleiner Datenpakete sowie Equipment im Schlaf-Modus. Wie ZigBee und Z-Wave nutzt Thread ein vermaschtes Netz für eine robuste Netzwerkarchitektur.

Wichtig ist auch, dass der Thread Stack (Bild 1) zwar sowohl die physikalische als auch die Netzwerkebenen bestimmt, die Applikationsebene aber in der Luft hängen lässt. Bisher wird Thread nur von Nest Weave als native Netzwerkebene genutzt. Die ZigBee Cluster Library (ZCL) hat jedoch die Kompatibilität mit dem neuen Protokoll angekündigt. Applikationen, die für ZCL konzipiert wurden, können jetzt auf Thread-Netzwerken laufen.

Als ein relativ neues Protokoll ist Thread noch nicht so weit verbreitet wie Z-Wave. Mit dem gut durchdachten, IP-adressierbaren Design, der Unterstützung durch Industriegrößen und der Fähigkeit, mit vorhandenen Chips zu arbeiten, hat es viel zu bieten. Von IoT-Geräteherstellern sollte dieses Protokoll daher nicht vernachlässigt werden.

Bluetooth LE, direkter Gerätezugriff via Smartphone

Bluetooth Low Energy (BLE) hatte im Jahr 2010 seinen großen Durchbruch als Teil der Bluetooth 4.0 Spezifikation. Bluetooth ist bereits in Android- und iOS-Betriebssysteme integriert. Das heißt, die Smartphones sind bereits BLE-fähig. Vor allem für Verbraucherzubehör, einschließlich Heimautomation, ist es deshalb ein extrem attraktives Protokoll. Während der Zugriff auf Geräte mit anderen IoT-Protokollen (selbst Thread) nur über ein Gateway funktioniert, ist der Zugriff auf BLE-Geräte direkt über ein Smartphone oder Tablet möglich.

Im Gegensatz zum gängigen, für Datenstreaming ausgelegten Blue-tooth, ist Bluetooth Low Energy auf die unregelmäßige, stoßweise Kommunikation in geringen Bandbreiten optimiert und daher bestens für die Übertragung von Mess- und Kontrollinformationen geeignet. BLE kann außerdem sehr energieeffizient sein: auf Effizienz optimierte BLE-Funksensoren können Batterielaufzeiten von Wochen, Monaten oder sogar Jahren erzielen.

Master-Slave-Verbindungen kommen in der BLE-Topologie am häufigsten vor. In einer Master-Slave-Topologie kann sich ein BLE-Master mit mehreren Slave-Geräten vernetzen, ein Slave wird sich jedoch mit nur einem Master verbinden. Diese Topologie ist sehr gut für kleine, asymmetrische Netzwerke geeignet, zum Beispiel ein Smartphone und seine Peripheriegeräte, ein Auto und seine elektronischen Bauteile oder ein Industriecomputer und die Sensoren im Equipment. Weniger geeignet ist die Master-Slave-Topologie für die Vernetzung vieler Geräte in einem lokalen Netzwerk.

Neben den Master-Slave-Verbindungen sind Bluetooth-Low-Energy-Geräte durch Datenübertragung in der Lage, mit nahegelegenen Komponenten zu kommunizieren. In diesem Modus überträgt ein BLE-Sender ein Signal an eine unbegrenzte Zahl von Empfängern. Ein Thermostat könnte zum Beispiel diesen Modus nutzen, um regelmäßig Temperaturwerte zu übermitteln.

Es ist ein sehr beliebtes Protokoll und BLE-Chips sind inzwischen sehr viel günstiger und erschwinglich. Viele BLE-Chips sind als SoC mit integriertem Applikationsprozessor erhältlich, was die einfache und kostengünstige Entwicklung energieeffizienter IoT-Geräte und Sensoren ermöglicht.

Das in Smartphones allgegenwärte Bluetooth Low Energy ist perfekt für das Smart-Home-Equipment. Durch seine Energieeffizienz ist es auch für die M2M-Kommunikation attaktiv. Um Störungen zu vermeiden, verwendet es ein Frequenzsprungverfahren und kann gleichzeitig mit anderen Drahtlosprotokollen wie WLAN betrieben werden. Es sollte jedoch berücksichtigt werden, dass BLE kein Mesh-Netzwerkprotokoll ist. Die Reichweite hängt also von der Funkleistung und von Hindernissen in der Umgebung ab.

WLAN, schnelle Vernetzung dank vorhandener Basis

WLAN war eigentlich nie für die Heimautomation vorgesehen. Bei Applikationen mit geringer Bandbreite ist es verglichen mit anderen Protokollen nicht energieeffizient. Da aber fast jeder Haushalt über ein drahtloses Netzwerk verfügt, ist und bleibt es ein ungemein wichtiges Protokoll für das vernetzte Zuhause.

Statt ein Netzwerk einrichten zu müssen, können WLAN-Geräte bereits existierende nutzen. Als Protokoll für Smart-Home-Zubehör, das sich so problemlos mit vorhandenen Heimnetzwerken verbinden kann, ist es deshalb extrem attraktiv.

Andererseits hat WLAN neben der unzulänglichen Energieeffizienz einen relativ großen Stack und erfordert mehr Speicher- und Rechenleistung als andere Protokolle. Durch die Allgegenwärtigkeit von drahtlosen, auf IP basierenden Netzwerken stellt die WLAN-Unterstützung für Geräte, die über die nötigen Ressourcen verfügen, die einfachste Möglichkeit dar, Verbrauchern eine einfache Vernetzung und Interoperabilität zu garantieren.

Stärken und Schwächen der Drahtlosprotokolle

Jedes der Top-Drahtlosprotokolle für die Heimautomation hat seine Stärken und Schwächen und eignet sich für manche Applikationen besser als für andere.

Ist Interoperabilität wichtig, sollte Z-Wave berücksichtigt werden. Derzeit hat es das größte Ökosystem interoperabler Geräte. Z-Wave kann mit sehr guter Energieeffizienz und einem vermaschten Netzwerk mit besserer Reichweite als ZigBee aufwarten. Außerdem hat es ein stabileres Signal, da es in Frequenzen unter 1 GHz betrieben wird.

Für Cloud-Konnektivität und „Zukunftstauglichkeit“ bietet das relativ neue Protokoll Thread ein sehr gut durchdachtes, IP-addressierbares Design und wird von Industriegrößen unterstützt. Es zeichnet sich durch geringe Leistung, Mesh-Netzwerk und IPv6-Adressierung für die problemlose Integration von Cloud-Applikationen aus. Obwohl es ein neues Protokoll ist, ist ein Support einfach, weil es auf dem bereits vorhandenen 802.15.4-Funknetzwerk läuft und neben ZigBee betrieben werden kann.

Für Applikationen mit extrem niedriger Leistung ist Bluetooth Low Energy zur Zeit das Protokoll mit dem geringsten Energieverbrauch und das mit dem kleinsten Stack. Es ist sehr gut geeignet für kleines, günstiges Zubehör, das lange ohne Aufladen auskommen muss. Hinzu kommt, dass User mit ihrem Smartphone oder Tablet direkt darauf zugreifen können, ohne über ein sogenanntes Edge-Device oder einen Hub gehen zu müssen.

Die ultimative Benutzerfreundlichkeit von WLAN lässt sich kaum bestreiten. Es ist optimal für Geräte, die an das Stromnetz angeschlossen werden können, da es nicht sehr energieeffizient ist. Mit Geschwindigkeit macht WLAN diese Schwäche aber wieder wett. Hervorragend ist WLAN für Applikationen mit hohen Bandbreiten wie Sicherheitskameras. Darüber hinaus machen die Allgegenwärtigkeit der WLAN-Netzwerke und die damit einhergehende IP-Adressierbarkeit es zu einem attraktiven Protokoll für jedes WLAN-fähige IoT-Gerät.

Über den Autor

Mark Patrick ist Mitarbeiter bei Mouser Electronics.

Dieser Beitrag stammt von unserer Schwesterpublikation ELEKTRONIKPRAKIS.

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