ZigBee – Zuverlässige Datenübertragung per Funk

ZigBee ist ein offener Funknetzstandard. Mehr als 200 Firmen haben sich in der Zigbee-Alliance zusammengeschlossen, um die Weiterentwicklung und Verbreitung der ZigBee-Technologie voranzutreiben. Der Protokollstack basiert im Sinne des OSI-Schichtenmodells auf dem IEEE 802.15.4 Standard für Wireless Personal Area Networks (WPANs) und übernimmt damit aus den unteren Schichten bereits bewährte Standards aus der Funktechnologie. ZigBee nutzt zur Datenübertragung das lizenzfreie ISM-Funkband (ISM = Industrial-Scientific-Medical) im 2,4GHz, sowie im 915MHz und 868MHz-Band. Der 2,4GHz Bereich darf weltweit frei genutzt werden, die unteren Bänder sind je nach Region (Nord-Amerika, Europa, Australien) unterschiedlich freigegeben. Die meisten Geräte nutzen daher das auch von anderen Technologien wie WLAN und Bluetooth in Anspruch genommene 2,4GHz Band. In diesem Bereich stehen 16 Kanäle zur Verfügung, im eher selten genutzten 868MHz Bereich gibt es einen Kanal. Die ZigBee-Technologie stellt einige Mechanismen bereit (DSSS, Multiple Channels, Scanning and Reporting, CSMA) um die Beeinflussung durch andere Technologien zu umgehen. Die Datenübertragungsrate beträgt 250kBit/s. Ein Netz kann theoretisch bis zu 65536 Knoten (Nodes) besitzen. Es gibt 3 verschiedene Arten von ZigBee-Geräten in einem ZigBee-Netzwerk: – Koordinator = Master (HOST):Genau 1 ZigBee Gerät übernimmt im ZigBee-Netz die Rolle des Koordinators. Dieser legt die PAN-ID fest, speichert die Konfigurationsparameter des Netzwerks und ist zuständig für die optimierten Übertragungswege zwischen beliebigen Endgeräten. Des Weiteren übernimmt er im sogenannten \’Slotted Mode\‘ die Synchronisation aller Netzknoten. – Router / Repeater: Diese Module dienen zum Überbrücken größerer Distanzen. Sie leiten das Funksignal an die Endgeräte weiter. Als \’Full Function Devices\‘ können Sie sich an vorhandenen Routern anmelden und das ZigBee-Netzwerk in Baumstruktur oder sogar als vermaschtes Netzwerk erweitern. Damit sind zwischen zwei Modulen Alternativ-Routen möglich, die die Datenpakete im Falle von Problemen auf einer Route dann über einen anderen Weg zum Ziel bringen. Das macht die Übertragung zuverlässig. Der Benutzer kann bei der Konfiguration einen von drei Betriebsmodi anwählen: Broadcast, User Defined Route, User Defined Route mit Backup-Pfad. Die Standard-Geräte haben eine Reichweite von bis zu 100m. Modelle mit erhöhter Reichweite (bis zu 700m) sind ebenfalls lieferbar. – Endgeräte mit Ein- und Ausgängen oder Datenschnittstellen: ZigBee-Endgeräte haben als Reduced Function Device (RFD) keinerlei Routing oder Repeaterfunktionen. Sie dienen lediglich zum Einlesen digitaler oder analoger Prozesssignale wie z.B. Temperaturwerte, Drehzahlen oder Verbräuche. Oder sie geben Prozesswerte aus und schalten Lampen, Ventile, Motoren usw. Auch eine reine Daten-Kon- vertierung von ZigBee auf serielle (RS-232/485) oder Ethernet-Schnittstelle ist eine mögliche Funktion der ZigBee-Endgeräte. Ein-/Ausgabemodule als Teilnehmer Im industriellen Umfeld werden bei der Kommunikation mit Sensoren und Aktoren, oft nur kleine Datenpakete ausgetauscht und der Datenstrom ist meist nicht kontinuierlich, sondern erfolgt in zeitlichen mehr oder weniger großen Abständen. Genau für diesen Einsatz sind die Ein-/Ausgabemodule der Serie ZB-2000 geeignet. Für die kontinuierliche Übertragung von Massendaten (z.B. Audiostream, High-Speed-Datenlogger) sind dagegen WLAN oder Bluetooth die geeigneteren Technologien. Im ZigBee-Netzwerk sind mit PAN-ID, Node-ID und Funkkanal die wesentlichen Parameter schon eingestellt, das Netzwerk praktisch konfiguriert. Die maximale Anzahl der ZB-2000 Ein-/Ausgabemodule in einem WPAN beträgt 256. Der Host wird dann mit dem übergeordneten Rechner über die Datenschnittstelle verbunden. Diese kann als RS-232, RS-485 oder Ethernet ausgewählt werden. Für die Anwendungssoftware auf dem PC stellt sich der Aufbau ähnlich wie in einem kabelgebundenen Netzwerk dar. Die Reichweite der Ein-/Ausgabemodule beträgt bis zu 100m. Schnittstellen-Konvertermodule als Teilnehmer Neben den Ein-/Ausgangsmodulen sind auch Schnittstellen-Konvertermodule erhältlich, über die verschiedenste serielle oder Ethernet-basierende Endgeräte in das ZigBee-Netz eingebunden werden können. In diesem Fall erfolgt die Kommunikation fast immer nach einem Master-Slave Modell. Die Anwendungssoftware schickt seriell oder per Ethernet ein Anforderungspaket an den Master (Koordinator). Dieser leitet das Paket über Funk an das Slave-Modul weiter, wo es an der kabelgebundenen Schnittstelle wieder herauskommt und an das Endgerät weitergeleitet wird. Das realisiert einen seriellen bzw. Ethernet-Tunnel über die kabellose ZigBee-Verbindung. Diese Verbindungsarten der ZB-2000 Konvertermodule sind direkt ausgelegt für das Zusammenspiel mit den bekannten, von Spectra vertriebenen seriellen Ein-/Ausgabemodulen der I-7000/M-7000 Serie sowie den Ethernet-basierenden ET-6000/ET-7000 Serie. Verschiedene Betriebsmodi Je nach Anforderung und Modultyp können verschiedene Betriebsmodi gefahren werden: Im seriellen transparenten, addresslosen Modus schickt der Host das Datentelegramm per Broadcast (ohne spezifische Adresse) ins ZigBee-Netz. Nur das Gerät, welches die im Datentelegramm angegebene Geräte-Adresse besitzt, wird antworten. Der ZigBee-Slave schickt diese Antwort zurück an den Master. Im seriellen transparenten, adressierbaren Modus, schickt dagegen der Host das Datentelegramm an genau einen, per Adresse vorgegebenen Zigbee-Slave. An diesem befindet sich ein nicht-adressierbares Endgerät, z.B. ein Barcode-Leser. Nur dieses Endgerät wird dem anfragenden Host antworten. Entsprechende Modi sind auch für die Kommunikation über Ethernet (TCP/IP) auswählbar. Zusätzlich gibt es noch Modi für die Unterstützung von Endgeräten, die Modbus RTU/ASCII oder Modbus TCP sprechen. Sogar eine Umwandlung von Modbus RTU/ASCII in Modbus /TCP ist möglich. Auf die Art und Weise können z.B. Modbus/TCP-Endgeräte über die ZigBee-Funkstrecke von einem seriellen, Modbus/RTU sprechenden Host angesteuert werden. Einsatzfelder Der Einsatz des Wireless Systems liegt in den Bereichen industrielle Überwachung, Gebäudeautomation, Erfassen medizinischer Daten, Rauch- und Einbruchmelder und anderes mehr. Überall dort, wo Zuverlässigkeit, Flexibilität und Erweiterungsmöglichkeiten gefordert sind, hat das System seine Stärken. Alle ZigBee-Module der ZB-2000 Serie können auf DIN-Schiene montiert werden, sind für 10 bis 30VDC Versorgungsspannung ausgelegt und in einem weiten Temperaturbereich von -25°C bis 75°C einsetzbar. LEDs zeigen den Power-, ZigBee- bzw. Ein-/Ausgangs-Status an. Autor: Uwe Hollarek, Spectra Computersysteme GmbH