ZigBee: Energiesparender Funkstandard
ZigBee ist einer der am meisten verwendeten Funkstandards im Smart-Home-Bereich. Er besticht durch die außerordentlich gute Energieeffizienz bei batteriebetriebenen Sensoren und ermöglicht trotzdem eine hohe Gebäudeabdeckung wenn netzbetriebene Aktoren im System vorhanden sind. Diese Leiten die Signale durch das Mesh-Netzwerk an weit entfernte Teilnehmer weiter. Wir geben die wichtigsten Informationen zum Funkstandard.
Die Geschichte des ZigBee-Funkstandards
ZigBee ist eine Spezifikation für drahtlose Netzwerke, die bereits seit 2002 von der ZigBee-Allianz entwickelt wird. Die Organisation vereint dabei über 200 weltweit agierende Unternehmen mit dem Ziel, einen gemeinsamen Standard für das Internet der Dinge zu entwickeln und zu nutzen. Nachdem die erste Version des Funkstandards im Jahr 2004 auf den Markt gekommen war, überarbeitet die Allianz ihre Technik immer weiter.
Der Durchbruch zur Massenanwendung gelang mit ZigBee Light Link. ZigBee Light Link ist die technische Grundlade von Philips Hue, Osram Lightify, Ikea Tradfri und weiteren Beleuchtungssystemen. Historisch gab es verschiedene Anwendungsprofile: ZigBee HA (HomeAutomation) für die Heizung, ZigBee SE (SmartEnergy) ist für SmartMeter weit verbreitet und ZigBee LL (Ligh Llink) für Beleuchtung.
Hierbei muss man beachten, dass ZigBee SE ein anderes Verschlüsselungsverfahren als zum Beispiel HA benutzt. Dies führt dazu, dass trotz ZigBee-Zeichen Geräte nicht kompatibel sind, was als Inkompatibilität im Standard kritisiert wurde.
Mit ZigBee 3.0 gibt es jetzt einen Standard der HA und LL zusammenführt und auch in einem Netzwerk nutzbar macht, vorausgesetzt der Hersteller lässt fremde Geräte zu.
Die Eigenschaften der modernen Lösung
Grundsätzlich ist ZigBee für das Versenden kleiner Datenmengen über geringe Reichweiten ausgelegt. Die Kommunikation erfolgt verschlüsselt über die 2,4-GHz- oder die 868-MHz-Frequenz. Letztere steht zwar in der Spezifikation, ist in Europa durch die Frequenzregulierung aber nicht nutzbar. Die kommerziell erhältlichen Systeme arbeiten deshalb alle bei 2.4 GHz
Der Standard ist nicht proprietär, d.h. verschiedene Hersteller können diesen nutzen und ihre Produkte dahingehend entwickeln. Ein besonderer Vorteil des Systems ist der einfache und flexible Aufbau. Dabei treten Sensoren und Aktoren dem Netzwerk selbst bei, bevor sie über dieses kommunizieren. Die Einrichtung ist unkompliziert und meist schnell erledigt.
Der Datentransport erfolgt bei ZigBee unter anderem über ein sogenanntes Mesh-System, wobei jedes Gerät gleichzeitig Empfänger und Sender ist. Auf diese Weise lassen sich Informationen schnell und sicher im Netzwerk versenden. Durch die hohe Energieeffizienz eignet sich der Standard ganz besonders für batteriebetriebene Geräte. Denn diese können mit einem geringen Verbrauch oft jahrelang ohne einen Batteriewechsel arbeiten.
Aufbau und Geräte im ZigBee-Netzwerk
Für den Aufbau eines Smart-Home-Systems gibt es im ZigBee-Standard drei unterschiedliche Gerätearten. Das sind Endgeräte, Router und Koordinatoren.
Endgeräte (kurz ZED) sind Sensoren oder Aktoren, die in der Regel mit Batterien arbeiten. Sie können in den Schlafmodus versetzt werden und kommunizieren nur mit dem Router, an dem sie sich angemeldet haben.
Router (kurz ZR) organisieren den Transport der Informationen im Netzwerk. Diese wandern dabei in Form von Datenpaketen zwischen den unterschiedlichen Geräten hin und her. Indem die Router den einzelnen Komponenten eine eindeutige Adresse geben, stellen sie sicher, dass keine Informationen verloren gehen. Verschiedene Router lassen sich hierarchisch in einer Baumstruktur oder dynamisch in einem Mesh-System miteinander verbinden.
Koordinatoren (kurz ZC) starten die Netzwerke mit vorgegebenen Einstellungen. Im Anschluss fungieren die speziellen Komponenten als Router.
Anwendung von ZigBee im smarten Zuhause
Durch die Zusammenarbeit mit namhaften Herstellern aus aller Welt, gibt es Smart-Home-Geräte für das ZigBee-System heute aus nahezu allen Bereichen. So können Verbraucher beispielsweise über intelligente Heizkörperthermostate ihre Heizung steuern, das eigene Zuhause mit facettenreichen Beleuchtungsmöglichkeiten in Szene setzen oder Jalousien intelligent steuern.
Beispiele hierfür sind:
• Philips Hue und Ikea (ZigBee LL)
• Amazon Echo hat in der aktuellen Version einen ZigBee hub integriert und versucht Geräte so gut wie möglich zu unterstützen, z.B. Beleuchtung sowie Sensoren für die Messung der Temperatur / Feuchtigkeit.
• Samsung SmartThings. In Deutschland allerdings noch nicht sehr verbreitet.
Zu empfehlen sind universelle Zigbee USB-Gateways zum Vereinen herstellerübergreifender Zigbee-Produkte.
ZigBee und Sicherheit
In allen ZigBee Home Automation Implementierungen gibt es eine Sicherheitslücke beim Anlernen von neuen Geräten. Beim Anlernen wird der Netzwerkschlüssel verschlüsselt übertragen. Bei den ZigBee Home-Automation Netzwerken ist der Schlüssel, mit dem der Netzwerkschlüssel verschlüsselt wird allerdings den Entwicklern bekannt und somit entsteht hier eine Sicherheitslücke.
Bei manchen Produkten ist die Sicherheit gewährleistet, indem ein QR-Code auf dem Gerät gescannt werden muss, um es anzulernen. Dabei wird aus dem QR-Code ein Schlüssel berechnet mit dem der Netzwerkschlüssel verschlüsselt wird. Somit kann das Paket, mit dem der Netzwerkschlüssel übertragen wird, nicht entschlüsselt werden.
Es gibt eine bekannte Sicherheitslücke in der Implementierung, das verschiedene Hersteller und Produkte betrifft. Ein weiteres herstellerübergreifendes Sicherheitsproblem gibt es bei der Implementierung. .
Wird der Netzwerkschlüssel neu übertragen, dann kann bei einer unverschlüsselten Übertragung der Netzwerkschlüssel mitgelesen werden. Insbesondere ZigBee basierte Türschlösser sind hier negativ aufgefallen, indem Geräte gezwungen werden konnten, den Schlüsselaustausch neu zu beantragen.
Bei ZigBee Light Link gibt es ein Pairing, bei dem die Lampen sehr dicht an den Koordinator müssen, weil der Schlüsseltausch mit geringer Sendeleistung / Reichweite durchgeführt wird. (Touchlink commissioning).
Dies kann mit besseren Antennen und mehr Sendeleistung erfolgreich umgangen werden. Hier kann über Drohnen aus der Entfernung auf das Beleuchtungssystem zugegriffen werden.