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13. September 2016
Smart Building ›

Troubleshooting in ZigBee Netzwerken

Das Funkprotokoll ZigBee wird vorrangig in Privatbauten eingesetzt, und einige Fachartikel beschreiben sowohl positive als auch negative Seiten. Doch wie sieht der Einsatz in Zweckbauten aus? DIAL bietet den Service »Troubleshooting« vor Ort an, um die langjährige Erfahrung im Bereich der Gebäudeautomation anzuwenden. Das folgende Praxisbeispiel einer Beleuchtungsanlage in einem Zweckbau erläutert die Vorgehensweise der Fehlersuche.

Zuvor ein kurzer Einblick in den Automationsstandard ZigBee: ZigBee ist ein Automationsstandard im 2,4 GHz Funknetz mit der aktuellen Version 3.0. Die Funkspezifikationen sind im IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) Standard 802.15.4 definiert. Der Standard bezieht sich auf die beiden unteren Schichten des OSI/ISO Schichtenmodels, den »Physical Layer« und den »Data Link Layer«. Auf der Applikationsebene benutzt ZigBee derzeit 13 Profile, davon sind die bekanntesten »ZigBee Light Link«, »ZigBee Home Automation« und »ZigBee Health care«. Der Automationsstandard überträgt und übernimmt geringe Datenmengen. Dazu wurde das Profil »Green Power« für den batterielosen Einsatz entwickelt. Im Hintergrund werden hierfür Energieerzeuger eingesetzt, die bei EnOcean verwendet werden.

ZigBee benutzt im 2,4 GHz Band 16 Kanäle, zwischen 2,400GHz und 2,4835 GHz. Die Bandbreite der einzelnen Kanäle liegt durch die geringe Telegrammgröße bei 5MHz. Es können maximal 50 ZigBee-Geräte in einer Zone importiert und in 16 Gruppen eingeteilt werden. Jede Zone verwendet einen eigenen Kanal und wird von einem Koordinator zugewiesen. Dieser vergibt die Kanäle an die einzelnen ZigBee-Geräte.

Zum Schutz vor Angriffen und das Auslesen von außen wird das erweiterte Verfahren der CCM-Mode-Verschlüsselung verwendet. Als Verschlüsselungsalgorithmus wird AES-128 eingesetzt.


Mögliche Hindernisse + Lösungen für die Praxis

Da ZigBee in dem offenen 2,4GHz Funknetz funkt, gibt es hierdurch existenzielle Probleme. Es wird von verschiedenen Funkprotokollen benutzt: z.B. Bluetooth, EnOcean (2,4GHz), Z-Wave, DECT und Wifi. Die Systeme dürfen erst funken, wenn diese angesprochen werden (Listen before talk) oder das Gerät darf bei einer maximalen Sendeleistung von 100mW höchstens 10 Prozent der Zeit senden, die es aktiv ist. Im Januar 2015 ist in der EN 300328 der Abschnitt für Wifi bzw. WLAN-Geräte verabschiedet worden. Da viele ältere Geräte, gemäß alter Norm, verwendet werden, funken diese dauerhaft in die Umwelt. Hierdurch droht ein kompletter Verlust der Kommunikation.

Spektrum Analyzer ZIGBEE Überlagerung mit WIFI

Damit nicht die gesamte Automation beeinflusst wird, hat ZigBee Maßnahmen getroffen. Ein Telegramm wird bis zu drei Mal wiederholt, sollte keine Antwort von dem angesprochenen Gerät ankommen. In einem Einfamilienhaus mit nur einem WLAN Netz und mit nur einem benutzten Kanal ist das eine gute Lösung. Doch was passiert in einem Mehrfamilienhaus oder in Zweckbauten mit vielen verschiedenen Wifi Netzen mit unterschiedlichen Kanälen?

Hierfür verwendet ZigBee die Mesh-Topologieform von Geräten in einer Gruppe.

Mesh Netzwerk

Ein Koordinator übernimmt die Steuerung und ZigBee-Router werden eingesetzt, um die Telegramme über verschiedene Wege an die einzelnen Geräte zu verteilen. Falls eine fehlerhafte Verbindung oder Störung auftritt, leitet ein anderer Router das Telegramm weiter. Dieses Netzwerk nennt man »Full-Mesh-Network«. Hierfür werden hauptsächlich Router-Geräte verbaut.

Ein namhafter Hersteller hat für die Lichtsteuerung zwei Arten von ZigBee-Geräten entwickelt. Ein Master Gerät, mit Daylight und Motion Sensor und integriertem Router. Sowie ein End-Device, das Telegramme verschicken und empfangen kann, jedoch über keinen Router verfügt. Diese können keine Telegramme weiterleiten sondern nur empfangen und bestätigen.

Praxisbeispiel: Troubleshooting DIAL

Eine Industriehalle verfügt über einen 100 m langen und 10 m breiten Produktionsbereich. Die Leuchtmittel hängen in einer Höhe von ca. 10 m. Geräte von einem Hersteller mit End-Devices sind verbaut, und ZigBee-Geräte mit integriertem Router sind in geringem Maße vorhanden. Somit ist kein vollständiges »Mesh-Netzwerk« gegeben, und die Vorteile von ZigBee sind nicht ausgenutzt worden. Darüber hinaus werden verschiedene Wifi-Netze verwendet, die auf verschiedenen Kanälen funken. Hierdurch kann es zu kompletten Ausfällen der Anlage kommen, da die Regelparameter nicht übermittelt werden können.

Beim Troubleshooting wird zunächst Folgendes betrachtet: Funkbelegung im 2,4 GHz Funknetz, Anzahl Wifi-Kanäle und Verwendung anderer Systeme wie Bluetooth, EnOcean oder Z-Wave. Durch die Funkbelegung ist erkennbar, ob eine Funklösung oder eine kabelgebundene Automationslösung sinnvoll ist. Relevant sind außerdem der Ort der Leuchtmittel und die Anzahl, die in einer Gruppe geschaltet werden soll. In Zweckbauten können 30 oder sogar 50 Geräte in einer Zone vorhanden sein. Die maximale Geräteanzahl von 50 ZigBee-Geräten führt zu Instabilitätsproblemen und ist nicht zu empfehlen. Geplant werden sollte mit einer Anzahl von 30 bis 40 Geräten. Zuletzt sollte ein »Full-Mesh-Netzwerk« aufgebaut werden, um alle Vorteile des ZigBee-Funknetzes auszunutzen. End-Devices können zum Beispiel Taster sein. Bei Leuchten sollte darauf geachtet werden, dass die Funktion eines Routers gegeben ist, um keine Telegrammverluste zu verursachen und ein stabiles Netzwerk zu erzeugen.

Folgende zusätzliche Vorteile ergeben sich bei Nutzung von ZigBee für den Kunden: Durch das automatisierte Abschalten und Dimmen der Leuchten wird Energie eingespart. Darüber hinaus wurde das Überwachen der Beleuchtungsanlage vereinfacht, und der Kunde kann mit einem Tablet auf die Anlage zugreifen. Es wurden zusätzliche Installationskosten durch das Verwenden von Funk eingespart. Darüber hinaus bietet das automatisierte Einschalten des Lichtes bei Bewegung eine zusätzliche Sicherheit vor Einbrechern.