Wir haben in den letzten Jahren Erfahrung mit drei Zigbee Coordinatoren gesammelt. Alle Kandidaten mussten verschiedene Herausforderungen bewältigen. Diese Erfahrungen, die natürlich kein Test im wissenschaftlichen Sinne ist, stellen wir in diesem Artikel, zur Reichweite von Zigbee-Coordinatoren im Vergleich, vor.
Zigbee und WLAN im gleichen Haus
Die grundsätzliche Problematik des Zigbee-Signals ist, dass es im Wesentlichen im gleichen Frequenzband sendet, wie das immer noch sehr verbreitete 2.4 GHz-WLAN. Damit können sich die beiden Datenübertragungsverfahren prinzipiell stören, wenn sie nicht so konfiguriert werden, dass sich deren Frequenzen nicht überschneiden. Hinzu kommt zum einen eine niedrigere Sendeleistung der Zigbee-Endgeräte (Sensoren, Schalter, Lampen, Repeater) von 5 bis 6 mW gegenüber 50 – 100 mW beim WLAN und die schmaleren Kanalbreiten (20 bzw. 40 MHz bei WLAN und 2 MHz bei Zigbee), die das Zigbee Signal störanfälliger machen. Zigbee ist aber mit Absicht so leichtgewichtig konzipiert, da es nicht auf maximalen Datendurchsatz optimiert ist, sondern auf möglichst niedrige Verzögerung bei der Netzwerkkommunikation (Latenz) unter Einsatz von möglichst wenig Energie. Dies ermöglicht eine lange Lebensdauer, der in den Sensoren verbauten Batterien, oder sogar batterielose Schalter und Sensoren.
Um mögliche Störungen der Zigbee-Übertragung zu vermeiden, bedarf es einiger grundlegender Überlegungen bei der Wahl der WLAN-Kanäle sowie dem Zigbee-Kanal. Daniel Lengies hat zum Thema Funkstandard Zigbee vs. WLAN einen guten Artikel verfasst, auf den ich hier gerne verweise.
Die Herausforderung
Als Testobjekt verwendeten wir ein reales Objekt mit folgenden Herausforderungen:
- Szenario 1:
- Eine Zigbee-Coordinator soll im Untergeschoss eines Hauses installiert werden und von dort aus das Signal im Untergeschoss verteilen, aber auch bis ins Erdgeschoss senden.
- Als Verbindungstest sollen Daten der Aqara-Fenstersensoren im Keller, sowie der Aqara-Klimasensoren empfangen werden.
- Der Neubau-Keller ist mit 18 cm dicken Wänden (teilweise Stahlbeton, teilweise Kalksandstein) und einer 22 cm dicken Stahlbeton-Decke. Bei der Kellerdecke kommt noch ein 13 cm hoher Bodenaufbau inkl. Alubeschichtung der Isolationsschicht für die Fußbodenheizung hinzu. Ohne Frage: starker Tobak für das schwache Zigbee-Signal.
- Szenario 2:
- Eine Zigbee-Coordinator soll im Obergeschoss eines Hauses in ca. 3 Meter Höhe installiert werden und von dort aus das Signal im Obergeschoss verteilen, aber auch bis ins Erdgeschoss senden.
- Als Verbindungstest sollen Daten der Aqara-Fenstersensoren im Obergeschoss, sowie der Aqara-Klimasensoren empfangen werden.
- Die Zimmerwände sind mit 15 cm dicken Backsteinen erstellt worden. Zwischen Obergeschoss und Erdgeschoss befindet sich eine 24 cm dicken Stahlbeton-Decke. Dort kommt noch ein 13 cm hoher Bodenaufbau inkl. Alubeschichtung der Isolationsschicht für die Fußbodenheizung hinzu.
Da bereits in der Planungsphase bekannt war, dass dies grundsätzlich eine Herausforderung für das Zigbee-Signal sein wird, wurden entsprechend dicke Leerrohre vorgesehen, um auch an anderen Stellen Zigbee-Coordinatoren oder Repeater zu installieren und so das Signal ins ganze Haus zu bekommen. Dennoch konnten wir erst nach Fertigstellung testen, ob und wie das Zigbee-Signal im Haus verteilt werden kann.
Um der Problematik zwischen WLAN und Zigbee zu entgehen, haben wir Wert darauf gelegt, diese durch eine entsprechende Kanalwahl komplett voneinander zu trennen. Metageek hat hierzu einen sehr guten Artikel verfasst. WLAN funkt bei uns auf den Kanälen 1 und 6 und Zigbee auf Kanal 25. Eine Störung aus dieser Sicht konnten wir somit vermeiden.
Reichweite von Zigbee-Coordinatoren im Vergleich: Die Vorgehensweise
Um das oben genannte Ziel zu erreichen wurden folgende Tests durchgeführt:
Szenario 1:
- Test 1: Der Zigbee-Coordinator befindet sich innerhalb des Netzwerkschranks im Untergeschoss des oben beschriebenen Hauses unterhalb einer massiven Betontreppe. Verbindungstest im Erdgeschoss schräg darüber. (Entfernung Luftlinie ca. 3 Meter)
- Test 2: Der Zigbee-Coordinator befindet sich ausserhalb des Netzwerkschranks im Untergeschoss des oben beschriebenen Hauses unterhalb einer massiven Betontreppe. Verbindungstest im Erdgeschoss schräg darüber. (Entfernung Luftlinie ca. 2,5 Meter)
- Test 3: Der Zigbee-Coordinator befindet sich in einem Kellerraum direkt unterhalb der Decke zum Erdgeschoss. Verbindungstest im Erdgeschoss direkt darüber. (Entfernung Luftlinie ca. 1 Meter)
- Test 4: Der Zigbee-Coordinator befindet sich in einem Kellerraum direkt unterhalb der Decke zum Erdgeschoss. Prüfung, wie stark das Signal im Nachbarraum ankommt. Hierfür muss das Signal durch eine 18 cm dicke Stahlbetonwand, sowie einer Kalksandsteinwand. (Entfernung Luftlinie ca. 6 Meter)
Szenario 2:
- Test 5: Der Zigbee-Coordinator befindet sich im Obergeschoss in ca. 3 Meter Höhe. Verbindungstest im Obergeschoss in den einzelnen Zimmern. (Entfernung Luftlinie ca. 3 – 7 Meter)
- Test 6: Der Zigbee-Coordinator befindet sich im Obergeschoss in ca. 3 Meter Höhe. Verbindungstest im Erdgeschoss direkt unterhalb des Zigbee-Coordinators. (Entfernung Luftlinie ca. 5 Meter)
Das Pairing zwischen Zigbee-Coordinator und den Sensoren fand jeweils in unmittelbarer Nähe statt.
Reichweite von Zigbee-Coordinatoren im Vergleich: Die Ergebnisse in der Übersicht
Szenario 1:
| Conbee 2-Stick | Sonoff Zigbee 3.0 Dongle-E | SMLight SLZB-06M | |
| Test 1 | kein Signal | kein Signal | kein Signal |
| Test 2 | kein Signal | kein Signal | kein Signal |
| Test 3 | schwaches Signal | gutes Signal, aber Repeater im EG notwendig | sehr gutes Signal, aber Repeater im EG notwendig |
| Test 4 | schwaches Signal | gutes Signal | sehr gutes Signal |
Szenario 2:
| Conbee 2-Stick | Sonoff Zigbee 3.0 Dongle-E | SMLight SLZB-06M | |
| Test 5 | gutes Signal, aber Repeater im OG notwendig | gutes Signal, aber Repeater im OG notwendig | sehr gutes Signal, keine Repeater notwendig |
| Test 6 | kein Signal | gutes Signal, aber Repeater im EG notwendig | gutes Signal, aber Repeater im EG notwendig |
Size Matters: Je größer die Antenne, desto weiter geht das Signal – in gewissen Grenzen
Im Unterschied zum Conbee-Stick können die beiden anderen Zigbee-Coordinatoren mit bis zu +20 dBa senden. Dies entspricht 100 mW und liegt damit auf dem Niveau von 2.4 GHz WLAN-Routern. Dies macht sich – gerade bei dicken Stahlbetondecken – bzw. – wänden deutlich bemerkbar.
Aber auch die Größe der Antenne macht noch mal einen leichten Unterschied. So brachte die große Antenne des SMLight-Coordinators noch mal etwas mehr an Reichweite – jedoch nicht so viel mehr, wie man aufgrund der Antennengröße erwarten könnte. Aber dennoch, auf diesem Weg kann die Sendeleistung des Coordinators wiederum reduziert werden, was zumindest etwas Storm sparen wird. Aufgrund der guten Sendeleistung konnten wir mit dem SLZB-06M im Obergeschoss vollständig auf Repeater verzichten.
Verwendet man einen der anderen beiden Zigbee Geräte, muss man eben mehr mit Repeatern, also Zigbee-Geräten jeglicher Art, die dauerhaft mit Strom versorgt werden.
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Bine