Was ist Zigbee? So funktioniert das Zigbee-Mesh-Protokoll

Zigbee ist ein stromsparendes Funk-Mesh-Protokoll für Sensoren, Zähler und Steuerungen. Es läuft auf dem Funkstandard IEEE 802.15.4, meist bei 2,4 GHz, und sendet kleine Frames mit 250 kbit/s. Netzbetriebene Geräte arbeiten als Router, die Frames für ihre Nachbarn weiterleiten; Messwerte springen so von Gerät zu Gerät, bis sie einen Koordinator in einem Gateway erreichen, und das Netz findet einen neuen Pfad, wenn ein Router verschwindet. Batteriegeräte schlafen die meiste Zeit und können jahrelang laufen. Die Connectivity Standards Alliance (früher Zigbee Alliance) pflegt die Spezifikation, und Zigbee 3.0, Ende 2015 verabschiedet, ist die Version, die die meisten installierten und aktuellen Geräte tragen.

Zigbee im Überblick

Koordinator, Router und Endgeräte

Ein Netz hat genau einen Koordinator. Die Zahl der Router entscheidet, wie gut das Mesh ein Gebäude abdeckt: Jeder Router bringt Abdeckung und Ausweichpfade. Nehmen Sie nicht an, dass jedes netzbetriebene Gerät ein Router ist; prüfen Sie den Knotentyp im Datenblatt. Endgeräte leiten nie weiter; eine Etage mit Batteriesensoren ohne Router in der Nähe hängt also von den Routern auf anderen Etagen ab.

So routet das Zigbee-Mesh und repariert sich selbst

Braucht ein Gerät einen Pfad zu einem anderen, kann es eine Route-Anfrage per Broadcast senden; die Router, die sie weitergeben, legen einen Eintrag in der Routingtabelle für den besten gefundenen Pfad an. Weil in einem Sensornetz der meiste Verkehr zum Koordinator geht, kündigt der Koordinator stattdessen meist Many-to-one-Routen an: Jeder Router lernt aus einem Broadcast seinen nächsten Sprung zum Koordinator, und der Koordinator antwortet per Source Routing.

Selbstheilung bedeutet, dass eine unterbrochene Verbindung eine neue Routensuche auslöst und der Frame einen anderen Weg nimmt. Das funktioniert nur, wo ein anderer Pfad existiert. Wird ein Router ausgeschaltet, für Wartung freigeschaltet oder entfernt, müssen die Endgeräte, die ihn als übergeordneten Router genutzt haben, einen neuen in Reichweite finden. Gibt es keinen, melden sie nichts mehr, bis der Router zurück ist.

Jeder Sprung sendet den Frame erneut auf demselben Kanal. Ein Messwert über drei Sprünge belegt den Kanal dreimal; eine lange Router-Kette entlang eines Flurs füllt den Kanal also schneller als ein flaches Mesh mit mehreren Pfaden zum Gateway. Eine praktische Planungsregel: Router so platzieren, dass jeder Bereich mindestens zwei Router in einem Sprung erreicht.

Zigbee 3.0, Cluster und Attribute

Vor Zigbee 3.0 wurden Geräte für ein Anwendungsprofil zertifiziert, etwa Home Automation oder Smart Energy, und die Profile arbeiteten nicht immer zusammen. Zigbee 3.0 hat die Profile für Wohnung und Gebäude zu einem zusammengeführt, mit gemeinsamen Regeln für Beitritt, Sicherheit und Gerätesuche. Seit 2016 werden Geräte nach Zigbee 3.0 zertifiziert, und die meisten installierten und aktuellen Geräte tragen diese Version. Am 18. November 2025 hat die Connectivity Standards Alliance Zigbee 4.0 und Suzi, eine Variante unter 1 GHz, angekündigt.

Was ein Gerät melden kann, legt die Zigbee Cluster Library (ZCL) fest. Ein Cluster ist eine Gruppe von Attributen und Befehlen für eine Funktion, gekennzeichnet durch eine Nummer:

Zwei Geräte können beide für Zigbee 3.0 zertifiziert sein und unterschiedliche Cluster oder optionale Attribute unterstützen. Ein Zwischenstecker, der Leistung im Cluster Electrical Measurement meldet, aber keine Energiesumme im Cluster Metering, liefert ohne Integration im Gateway keine kWh. Lesen Sie die Liste der Cluster und Attribute, bevor Sie ein Gerät wählen, nicht nur das Zertifizierungslogo. Die Werte sind skalierte Ganzzahlen: Die Summe im Cluster Metering hat einen Multiplikator und einen Divisor, die den Rohzählwert in kWh umrechnen.

Geräte senden Messwerte per Attribute Reporting: Das Gateway konfiguriert für jedes Attribut ein minimales Intervall, ein maximales Intervall und eine meldepflichtige Änderung, und das Gerät meldet, wenn sich der Wert um diesen Betrag ändert oder das maximale Intervall abläuft. Diese drei Zahlen bestimmen, wie aktuell die Daten sind und wie stark der Kanal belegt wird.

Zigbee-Sicherheit und Beitritt

Jeder Frame in einem Zigbee-Netz wird mit AES-128 und dem Netzschlüssel verschlüsselt und authentifiziert. Das Trust Center, normalerweise der Koordinator, gibt einem neuen Gerät beim Beitritt den Netzschlüssel, geschützt durch einen Link Key.

Ältere Geräte nutzten einen allgemein bekannten Standard-Link-Key; wer während eines Beitritts mithörte, konnte den Netzschlüssel erfahren. Zigbee 3.0 ergänzt Installationscodes: einen auf das Gerät gedruckten Code, aus dem das Trust Center einen eindeutigen Link Key ableitet, sodass der Netzschlüssel nie nur durch einen allgemein bekannten Schlüssel geschützt übertragen wird. Nutzen Sie Installationscodes, wo die Geräte sie unterstützen, öffnen Sie das Netz für Beitritte nur, während Sie Geräte hinzufügen, und dokumentieren Sie, welche Geräte beigetreten sind.

Zigbee und WLAN bei 2,4 GHz

Die Zigbee-Kanäle 11 bis 26 liegen im Abstand von 5 MHz zwischen 2405 und 2480 MHz. Die WLAN-Kanäle 1, 6 und 11 belegen den größten Teil des Bands, und die Zigbee-Kanäle 15, 20, 25 und 26 liegen in den Lücken dazwischen. Ein Zigbee-Kanal, der sich mit einem stark genutzten Access Point überschneidet, verliert am Rand des Mesh Frames. Erfassen Sie die genutzten WLAN-Kanäle, bevor Sie den Zigbee-Kanal wählen, und erneut, wenn der Standort Access Points ergänzt. Der Vergleich Zigbee und LoRaWAN enthält den vollständigen Kanalplan und die Fehlerbilder, auf die Sie achten sollten.

Zigbee im Vergleich mit anderen Funkprotokollen

Matter, der neuere Smart-Home-Standard, läuft über Thread und WLAN, nicht über Zigbee; Zigbee-Geräte erreichen Matter-Systeme über eine Bridge. Für Sensoren, die über einen Campus verteilt oder unter der Erde liegen, eignet sich ein Langstreckennetz wie LoRaWAN besser, und viele Standorte nutzen beides.

Rechenbeispiel: Technikraum und Büroetage abdecken

Ein zweigeschossiges Gebäude hat 40 zu messende Stromkreise in zwei Unterverteilungen im Obergeschoss, 12 Temperatursensoren auf den 2.500 m² Büroflächen dieser Etage und ein Gateway im Technikraum im Erdgeschoss. Die Energiemonitore in beiden Verteilungen sind netzbetriebene Router. Nach dem Durchschnittswert von EpiSensor deckt ein netzbetriebenes Gerät etwa 1.000 m² Gewerbefläche ab; 2.500 m² brauchen also drei Router für einfache Abdeckung und etwa fünf, gleichmäßig verteilt, damit jeder Sensor zwei mögliche übergeordnete Router hat. Die Monitore in den beiden Verteilungen liefern zwei; drei netzbetriebene Zwischenstecker oder Relais, verteilt über den Rest der Etage, liefern die übrigen. Ein Funkstreckenbudget für die Stahltür der Verteilung mit dem Rechner für das Funkstreckenbudget zeigt, ob ein Router außerhalb der Verteilung nötig ist, damit die Monitore darin das Mesh erreichen.

Zigbee mit EpiSensor

Alle Funkgeräte von EpiSensor nutzen Zigbee. Das ZGW-20 Gateway ist der Koordinator und betreibt Edge, das die Messwerte vor Ort speichert und verarbeitet. Jedes netzbetriebene EpiSensor-Gerät, etwa der ZEM-Strommonitor, arbeitet als Router im Mesh; jedes reicht bis 50 m in Gebäuden und 300 m im Freien, und ein Gateway trägt bis zu 250 Geräte. Zigbee-Geräte anderer Hersteller treten demselben Netz bei, und die Liste der Zigbee-Geräte zeigt, wie jedes an Edge angebunden wird und welche Cluster es meldet.