Wenn über Smart-Home-Lösungen gesprochen wird, ist es unvermeidlich, von Zigbee zu hören, doch viele aktuelle und zukünftige Besitzer von Smart-Home-Systemen stellen sich die Frage, was ist Zigbee eigentlich? 

Lese weiter und erfahre mehr über das Zigbee-Kommunikationsprotokoll, die Notwendigkeit einer speziellen Bridge oder eines Gateways und die daraus resultierenden Vor- und Nachteile.

Bitte beachte, dass wir in diesem Blogbeitrag nicht detailliert auf die Schritte zur konkreten Einrichtung des Netzwerks eingehen, die ausführlichen Schritte findest du hier.

ZigBee ist ein standardisiertes und vielseitiges Funkprotokoll für smarte Gebäude. Es umfasst die Steuerung von verschiedenen Gerätearten und kann, eine entsprechende Zigbee-Zentrale vorausgesetzt, auch über das Internet der Dinge (IoT) angesteuert werden. Die Steuerung von Licht ist dabei nur eine von vielen Gerätearten.

Das Zigbee-Protokoll wurde zur Übertragung von kleinen Datenmengen, der Minimierung des Funkverkehrs und für einen minimalen Energieverbrauch entworfen. Der geringe Energieverbrauch ermöglicht Bediengeräte, welche mit einer 3V Batterie langfristig betretbar sind oder die sich sogar den benötigten Strom selbst im Moment der Schalterbedienung erzeugen können.

Durch die leichte Installation ist ZigBee optimal für Nutzer, die sich nicht intensiv mit der Technik beschäftigen möchten. Trotzdem ist es möglich, komplexe und maßgeschneiderte Hausautomatisierungssysteme damit aufzubauen.

Ursprünglich entwickelt hat das Zigbee-Protokoll die Zigbee Alliance, eine Kooperation von bekannten Herstellern wie Philips, Osram, Amazon, Ikea, Bosch, um nur einige zu nennen. Heute wird das Zigbee-Protokoll von der csa, connectivity standards alliance, neben anderen Aktivitäten rund um IoT weiter entwickelt.

Zigbee benutzt die gleichen Frequenzen im freien 2,4 GHz-Band wie Bluetooth und WiFi. Durch die spezielle digitale Codierung kommen sich die Systeme in der Regel nicht in die Quere. Ein starker Datentransfer im WLAN wie beispielsweise der Download von Filmen kann aber die Reaktionsgeschwindigkeit im Zigbee-Netzwerk beeinflussen.

Analog zu einem WLAN besteht ein Zigbee-Netzwerk aus mindestens einer Zentrale und einem Gerät, welches gesteuert werden soll. In diesem Netzwerk kommunizieren alle Geräte drahtlos untereinander. Die Zentrale steuert die Kommunikation und vergibt, wie der WLAN Router, nach einer Anmeldung jedem Gerät eine eindeutige Netzwerk-ID. Nur mit dieser ID und weiteren Sicherheitsinformationen darf ein Gerät vollständig in dem Netzwerk teilnehmen.

Es ist problemlos möglich, mit mehreren Zigbee-Zentralen separate Netzwerke nebeneinander aufzubauen. Diese funktionieren dann nebeneinander ohne sich gegenseitig zu stören. So können beispielsweise zwei Wohnungen im gleichen Haus jeweils ein eigenes Zigbee-Netzwerk unabhängig voneinander betreiben.

Die Datenübertragung der in das Netzwerk aufgenommenen Geräte untereinander und mit der Zigbee-Zentrale erfolgt abhörsicher verschlüsselt. Wie bei jeder digitalen Kommunikation hängt jedoch die Sicherheit von der jeweiligen Software auf den Geräten ab. Dort gibt es naturgemäß Lücken. Unter Laborbedingungen wurden bereits solche Netzwerke kompromittiert.

Es vollzieht sich bei Zigbee das gleiche Katz- und Maus- Spiel wie bei der Computerinfrastruktur: es werden Lücken aufgezeigt und die Hersteller schließen diese mit dem nächsten Update.

Sofern Zigbee innerhalb des Gebäudes hauptsächlich für das Smart Home genutzt wird, sind die Risiken überschaubar. Sie haben definitiv nicht die Brisanz wie Bankgeschäfte auf dem eigenen Computer oder Smartphone.

Ausgehend von einer Zigbee-Zentrale (Fachbegriff: Koordinator) werden verschiedene Geräte in das Netzwerk eingebunden. Beispiele für Zigbee-Zentralen sind Philips Hue, Amazon Echo Plus oder Homee. Die Zigbee-Zentralen werden üblicherweise per LAN mit dem Router verbunden, damit ein Zugriff auf das Internet möglich ist. Dieser ist für Softwareupdates und einen optionalen Fernzugriff erforderlich. Die Konfiguration und Steuerung ist in der Regel über eine App möglich.

Die App kann nur mit dem Koordinator kommunizieren, sofern ein WLAN vorhanden ist. Dieses wird neben einem LAN vorausgesetzt. Das LAN muss dann an allen Orten im Gebäude verfügbar sein. 

Die Abbildung zeigt verschiedene Gerätearten, die in einem Zigbee-Netzwerk unterstützt werden. Die Darstellung ist nicht vollständig und fokussiert sich auf übliche Anwendungen in einem Smart Home.

Es ist auch üblich, dass die Hersteller ihre Koordinatoren funktional einschränken.

Beispielsweise unterstützt Philips Hue aktuell nur die Lichtsteuerung und schaltbare Steckdosen. Amazon Echo und Homee bieten eine größere  Palette von Gerätearten an.

Mit dem iluminize Rolladen-Aktor adaptieren wir die Lichtsteuerung und übersetzten das Schalten und Dimmen in Befehle für die Motoren in Auf und Ab. So ist es möglich, auch mit Zentralen, die nur die Lichtsteuerung unterstützen, Rolladen oder Leinwände einzubinden.

Der Aufbau eines Zigbee-Netzwerks schematisch dargestellt

Im Zigbee-Netzwerk werden zwei grundsätzliche Gerätetypen unterschieden: Aktoren und Sensoren.

Aktoren führen Befehle der Zigbee-Zentrale aus und schalten beispielsweise das Licht oder bewegen einen Rolladen. Sie werden üblicherweise mit einer externen und dauerhaften Spannung versorgt.

Sensoren erteilen der Zentrale (oder den Aktoren) Befehle, was getan werden soll. Sensoren wie eine Fernbedienung oder ein Wandschalter speisen Ihre Energie oft aus Batterien oder erzeugen sie sich selbst. Sie sind dementsprechend eingeschränkt und senden nur Signale in das Zigbee-Netz, wenn sie bedient werden. 

Im Gegensatz zu den Aktoren, die immer von einer Zigbee-Zentrale akzeptiert werden, schränken die Hersteller die Sensoren leider stark ein. Oft werden nur die Bedienungen aus eigener Herstellung oder solche von Partnern vernünftig und konfigurierbar angezeigt. Die Gründe liegen teilweise in der Komplexität der Sensoren mit vielen Funktionen, oft ist es aber leider nur wirtschaftliches Kalkül.

Mit dem neuen Zigbee-Standard der Version 3.0 wurde das sogenannte Touchlink in das Protokoll aufgenommen. Damit lassen sich, unabhängig vom Willen der Herstellern, erstmalig Fernbedienungen und Wandschalter direkt und ohne zentrale Konfiguration auf dem Koordinator mit einzelnen Geräte verbinden. Beide Geräte, der Sensor und der Aktor, müssen das Verfahren unterstützen.

Mit den iluminize Fernbedienungen und Wandschaltern/-dimmern ist dieses möglich. Der Vorgang ist in der jeweiligen Bedienungsanleitung und in dem folgenden Beitrag beschrieben:  "Wie richte ich mein Zigbee-Netzwerk ein"

Die Reichweite der Funksignale ist eingeschränkt. Im optimalen Fall sind bis zu 30 Meter möglich. Im Gebäude verwendete Metalle und auch Stein und Beton behindern aber die Signalausbreitung, so dass die Reichweite in der Praxis erheblich geringer ausfällt. Im ungünstigen Fall sind die Geräte der oberen Etage nicht von der Zentrale aus zu erreichen.

Zur Verbesserung des Empfangs und der Reichweite senden alle Aktoren, die ein Signal aus dem Netzwerk empfangen, dieses weiter. Sie werden so zu einem Router, welcher als Signalverstärker dient. Das Verfahren ist beim WLAN schon bekannt. Die Signalkette kann theoretisch beliebig lang werden. In der Praxis lassen sich bei geschickter Platzierung von Aktoren im Gebäude auch die letzten Winkel und die obere Etage gut erreichen.

Vereinfachte Darstellung eines Zigbee Mesh-Netzwerks

Da sie in der Regel keine stabile Energieversorgung haben, sind die Sensoren kein Teil des Mesh-Netzwerks. Diese sind also kein Teil der Signalweiterleitung (Mesh), können diese aber nutzen. Siehe blaue Pfeile im Bild für exemplarische Signalwege.

Hinweis: soll ein Gerät erstmalig mit dem Koordinator verbunden werden, kann dieses nicht über das Mesa-Netzwerk erfolgen. Das neue Gerät ist zu diesem Zeitpunkt noch kein bekannter Zigbee-Teilnehmer und seine Signale werden ignoriert. Führe die erstmalige Verbindung (auch Kopplung genannt) immer in der Nähe der Zentrale durch.

Durch den Komfort einer Bedienung im Browser oder per App empfehlen wir von iluminize immer den Einsatz einer Zigbee-Zentrale. Dabei ist die Auswahl vom Ziel, welches erreicht werden soll, abhängig. Soll "nur" das Licht und ggf. einige Steckdosen und die Rolladen smart gesteuert werden, ist eine Philips Hue Bridge möglicherweise die kostengünstigste und einfachste Lösung. Soll das gesamte Gebäude smart werden, müssen andere Zentralen zum Einsatz kommen.

Für kleine Projekte, bestehend aus einem Paar Sensor und Aktor pro Raum, gibt es die Möglichkeit des Betriebs ohne externe Zigbee-Zentrale. Unsere iluminize Aktoren und Controller übernehmen in solchen Anlagen die Funktion eines Koordinators.

Die Konfiguration, welche die Bedienungsanleitung und der Beitrag:  "Wie richte ich mein Zigbee-Netzwerk ein" ausführlich beschreiben, erfolgt dann ohne komfortable App sondern nur über wenige Tasten und Signale durch das mehrfache Blinken von LED. Umfangreiche Anlagen lassen sich so nur schwer umsetzen, obgleich es möglich wäre. 

Wir empfehlen dieses Vorgehen für größere Anlagen nur im Notfall, wenn beispielsweise die Anlage mobil sein soll und kein WLAN verfügbar ist, oder eben für Paare von Aktoren und Sensoren.

Du möchtest damit beginnen, dein eigenes Smart Home mit Zigbee aufzubauen? Folge diesen einfachen Schritten, um die richtigen Entscheidungen zu treffen. Gerne sind wir dir auch persönlich dabei behilflich. Gerne beantworten wir deine Fragen im Rahmen unseres Helpdesk (für einfache Fragen) oder in einem kostenlosen und für dich unverbindlichen und ausführlichen Telefonat. Bitte plane dafür einen Termin in unserem Kalender.

Wie oben dargestellt, ist eine Zigbee-Zentrale für das gesamte Gebäude eine sinnvolle und langfristige Investition. Die Kosten dafür variieren zwischen ca. 50 € für eine Philips Hue Bridge und einigen hundert Euro für eine Zentrale, welche die komplette Hausautomatisierung einschließlich Heizung und Wetter beherrscht. Basierend auf Computern, Raspberry PI und Zigbee-USB-Sticks existieren komplette und teilweise auch kostenlose Zigbee-Systeme. Viele Systeme lassen sich zudem in die Sprachsteuerungen von Apple, Google und Amazon integrieren. Der Markt ist sehr breit und täglich erscheinen neue Anbieter. Eine umfassende Auflistung aller Möglichkeiten sprengte diesen Beitrag.

Soll nur Licht, Steckdosen und Rolladen / Leinwände angesteuert werden, ist die Philips Hue Bridge, auch in Kombination mit einer Sprachsteuerung die optimale Lösung. Sie ist kostengünstig, ausgereift und sehr einfach zu konfigurieren und bedienen.

Die Zigbee-Zentrale ist die Basis für jedes Zigbee-Netzwerk und jeder weitere Schritt ist von der Auswahl abhängig. Sie sollte deshalb am Anfang erfolgen und ist von deinen Wünschen heute und in Zukunft abhängig. Folge der Tabelle.

Entscheidungskriterien für eine passende Zigbee-Zentrale

Ein entscheidender Faktor in einem komplexen Zigbee-Netzwerk ist die spätere Bedienung in den einzelnen Räumen. Auch über zentrale Funktionen wie "Zentral Ein/Aus" an der Türe, "Kinderzimmer aus", "Kommen und gehen" per GPS am Smartphone musst du dir frühzeitig Gedanken machen.

Jeder Hersteller hat in seiner Zigbee-Zentrale verschiedene Möglichkeiten zur Steuerung implementiert und es steht ein Sortiment möglicher Bedienungen mit direkter Einbindung und Konfigurationsmöglichkeit in der App zur Verfügung. Wie schon dargestellt, interagieren die Bediengeräte der Hersteller nicht immer untereinander. Die Entscheidung für eine Zigbee-Zentrale bedeutet so auch immer eine Entscheidung für eine Auswahl von Bediengeräten.

Ist Philips Hue eine optimale Wahl für dich, empfehlen wir den Einsatz von "Friends of Hue" Schaltern. Diese sind für einige Schalterhersteller verfügbar: Busch Jäger, Gira (Scenic) und Jung. Diese Schalter lassen sich in Philips Hue (aber auch andere Zentralen) einfach einbinden und später frei konfigurieren. In der Regel benötigen diese keinen Stromanschluss und keine Batterien. Sie erzeugen sich beim Drücken den Strom selbst.

Mit den vorhandenen Druckpunkten, die wie Taster funktionieren, lassen sich frei Lampen, Räumen oder Zonen zuordnen. Innerhalb dieser Zone schaltest du per Druck eine Szene an, welche alle Lampen und Leuchten deines Raums in eine vorher gespeicherte Stimmung  fährt. Diese Szenen bekommen einen Namen, beispielsweise "Fernsehen", "Essen", "Kochen" oder "Zentral aus". Ein Klick und dein Raum hat das perfekte Licht für "Fernsehen" oder "Essen". Es lassen sich so bis zu 4 Szenen oder 3 Szenen und Raum zentral auf einem solchen Schalter abspeichern.

Die Bedienung ist für jedermann möglich, auch kleinen Kindern oder Senioren, und leicht verständlich. Oben links bedeutet "Fernsehen", oben rechts bedeutet "Essen" und unten links bedeutet Raum komplett ausschalten.

Andere Schalter und Fernbedienungen sind auch möglich und werden beispielsweise benötigt, wenn Farben dynamisch ohne die Nutzung der App eingestellt werden sollen. Das können die vorgenannten Schalter nicht.

Beispiele für "Friends-of-Hue" Wandschalter

Nicht jede Lampe lässt sich gut in eine Zigbee-Steuerung einbinden. Kaufst du deine Lampen ausschließlich nach Geschmacks- und Designaspekten, kann das später ärgerlich oder teuer werden, wenn diese nicht oder nur zu hohen Kosten unter Zigbee funktioniert.

Wir bieten zahlreiche Zigbee-Vorschaltgeräte an, aber die Erfahrung der letzten Jahre zeigte uns, dass für viele Leuchten keine Lösung existiert. Achte bitte insbesondere auf die folgenden Restriktionen.

230V Leuchten die sich per Phasenschnitt dimmen lassen

Beim Phasenschnitt (Phasen-AN-Schnitt oder Phasen-AB-Schnitt) wird die 230V Versorgungsspannung gleichzeitig zum dimmen genutzt. Das Verfahren stammt ursprünglich aus der Zeit der Glühlampen, welche über einen Glühdraht verfügten. Bei diesen Lampen ist es kein Problem, wenn die Sinuswelle an- oder abgeschnitten wird. Sie leuchten einfach nicht so hell, wenn gedimmt wird.

LED-Lampen haben jedoch eine aktive Elektronik, welche die Spannung reduziert und für die LED umwandelt. Diese Elektronik, oft Treiber genannt, kann durch den Phasenschnitt beeinflusst werden. Oft sind solche Leuchten, die über einen weniger hochwertigen Treiber verfügen, nur bis 40%-50% der maximalen Helligkeit dimmbar. Danach stellt sich ein Flimmer- oder Flackereffekt ein.

Es gibt jedoch auch Lampen und leuchten, die perfekt funktionieren und sich bis 0% flimmerfrei dimmen lassen. Im Zweifelsfall solltest du die Leuchte zusammen mit einem Zigbee-Treiber für Phasenschnitt testen. Mit unseren Zigbee Dimm- und Schaltaktoren lassen sich, unter Beachtung der obigen Restriktionen, viele mit 230V betriebene Lampen und Leuchten in ein Zigbeesystem integrieren

Leuchten mit Konstantstrom

Eine LED funktioniert grundsätzlich mit konstantem Strom. Die Spannung ist der LED dabei unwichtig. Die effizienteste Art eine LED zu betreiben, ist also die Versorgung mit einem geeigneten, konstanten Strom. Jeder LED-Typ hat aber einen individuellen, optimalen Strom bei dem das Verhältnis zwischen Wärme, Lebensdauer und Helligkeit optimal ist. Der Treiber, welcher der Lampe meistens beiliegt, wird deshalb auf der Primärseite mit 230V versorgt und es gelten die Restriktionen aus dem vorstehenden Abschnitt. Sekundärseitig liefert der Treiber den für die LED optimalen Strom in einem Spannungsbereich. Beispiel: 5W LED bei 700mA. Die Spannung liegt dann für eine einzelne LED bei etwa 7,15V.

Soll der mitgelieferte Treiber jedoch durch einen direkt Zigbee-fähigen Treiber ohne die oben genannten Restriktionen ersetzt werden, muss dieser Treiber 700mA im Spannungsbereich um 7V liefern. Werden drei LED in Reihe betrieben, sind es immer noch 700mA, jedoch muss die Spannung des Treiber 3 x 7.15V = ca. 21-22V betragen. Ein solcher Treiber ist bei uns verfügbar. Es könnte aber auch sein, dass die Lampe 96mA bei 156V benötigt. Dafür ist am Markt definitiv kein Zigbee-Treiber erhältlich.

Es ist also wichtig, dass du zuvor prüfst, ob 1. der 230V Treiber ausreichend dimmbar ist und wenn nein, 2. den Strom/Spannungsbereich zu ermitteln und einen passenden Zigbee-Treiber im Vorfeld zu suchen. 

Hersteller wechseln oft ohne Ankündigung ihre LED und damit den Strom-/Spannungsbereich. Gerade bei den aktuell problematischen Lieferketten muss oft auf Ersatzprodukte ausgewichen werden. Die Angaben sollten deshalb besser vor Typenschild des Treibers und nicht aus dem Katalog entnommen werden.