Das Kommunikationsnetzwerk verbindet die angesteuerten Geräte, Sensoren und Aktoren auf der einen Seite und den Controller (Steuergerät oder Steuereinheit) einschließlich der Fernsteuerung auf der anderen Seite. Heutzutage ist es möglich, diese Netzwerke in drei Hauptkategorien nach Art des Übertragungsmediums aufzuteilen.
Diese basiert auf dem Prinzip der Nutzung der Elektroinstallation in der Wohnung mit der Übertragung von Signalen im Frequenzbereich von 20kHz bis 100 MHz. Der Standard, der bis vor kurzem diesen Bereich dominierte, war X.10, später wurde dieser durch den Standard HomePlug ersetzt. HomePlug wurde im Jahr 2010 (IEEE 1901) verabschiedet. Seine letzte Version – AV2 – ermöglichte eine Übertragungsgeschwindigkeit von bis zu 500Mbit/s.
Ein großer Vorteil dieses Typs der Kommunikation ist das Nutzen des vorhandenen Stromnetzes in der Wohnung.
Ein Nachteil könnte die Aufteilung der Phasen und das Vorhandensein eines Elektrozählers im Stromnetz sein, die eine Übertragung des Datensignals verhindern.
In diesem Bereich sind zwei Standards bekannt – KNX und LON. KNX ist europäischer (EN50090, 2003) und internationaler (ISO/IEC 14543-3, 2006) Standard für Heim- und Gebäudeautomation. Die Abkürzung hat ihren Ursprung in dem Namen Konnex. Dieser Standard ersetzt die älteren europäischen Standards EIB (European Installation Bus), Batibus (primär benutzt in Frankreich) und EHS (European Home Systems).
LON ist eine Abkürzung für Local Operating Network, ursprünglich im Jahr 1990 und später im Jahr 2008 (ISO/IEC 14908) als Lösung für die Automatisierung in Industriegebäuden, auf Flughäfen, in Sportstadien und bei der Straßenbeleuchtung vorgestellt.
Im Unterschied zu der KNX Architektur, nutzt das Local Operating Network eine dezentralisierte Steuerung. Im Falle umfangreicherer Installationen kann die Steuerung auf diese Weise auch ohne einen zentralen Steuerungspunkt auskommen. Das ist von besonder Bedeutung für öffentliche Installationen mit hohen Anforderungen an die Erreichbarkeit.
Für eine drahtlose Übertragung, in der Heim- und Gebäudeautomation stehen heute diverse Technologien zur Verfügung..
Die Übertragungsgeschwindigkeiten, die Frequenz und die benutzten Modulierungen sind bei jeder dieser Technologie unterschiedlich. Die Unterscheidungskriterien können die Anforderungen an die Stromversorgung der Sensoren, bzw. die Lebensdauer des Akkus sein, die den Sensor speist. Folgende Tabelle zeigt zusammenfassend die benutzten Drahtlostechnologien der Heimautomation [2].
EnOcean |
Z-Wave oder KNX-RF |
ZigBee (802.15.4) |
ZigBee (802.15.4) |
Bluetooth (802.15.1) |
WLAN (802.11) |
|
Frequenz |
868 |
868 |
868 |
2400 |
2400 |
2400 |
Übertragungsgeschwindig-keit (kbit/s) |
125 |
30 |
20 |
250 |
720 |
11000-54000-100000 |
Reichweite (Innenbereich/in Metern) |
30/300 |
9.6/20 |
30/500 |
30/500 |
10/100 |
20/50 |
Energie-verbrauch |
extrem niedrig |
niedrig |
niedrig |
niedrig |
mittel |
hoch |
Risiko der Daten-kollision |
sehr niedrig |
mittel |
mittel |
niedrig |
sehr niedrig |
hoch |
Während für die Gebäudesteuerung die Benutzung der Drahtlossensoren immer nur die zweite Wahl gewesen ist, hauptsächlich in bereits existierenden Gebäuden, ändert sich mit den neuen stromsparenden Standards die Situation.
Die Drahtlosschnittstellen wie Z-Wave, ZigBee, BLE (Bluetooth Low Energy) und RFID (Radio-frequency identification) werden heute zu Bestandteilen von Stromanschlüssen, Beleuchtungs-Schaltern und Haushaltsgeräten.
Dasselbe gilt für die Audio- und Videoelektronik, bei der man WLAN (WiFi) Module einsetzt, um multimediale Inhalte aus dem Internet zu streamen, die direkt über das Smartphone abrufbar sind. Eine neue Generation im Bereich der Drahtlostechnologien stellt der Standard EnOcean dar. Er erlaubt die Kommunikation über einen drahtlosen Link, weil die benötigte Energie aus den Temperatur- und Lichtunterschieden in der Umgebung bzw. durch mechanisches Umschalten des Beleuchtungsschalters gewonnen wird.
Ein Controller als Steuereinheit übernimmt die Aufgabe des „Gehirns“ im Heimautomations-System. Zu dieser Einheit fließen die Informationen von den Sensoren und anderseits erhalten die Sensoren Steuerungsbefehle von ihr. Ein Befehl für Sensoren ist z. B. das Einstellen der Grenzwerte, bei deren Über- oder Unterschreitung der Sensor eine Meldung generiert u. ä. Meist jedoch sendet er die gesammelten Informationen, die von der Steuereinheit ausgewertet werden und die diese wiederum auf der Basis der Vorgaben oder Einstellungen, als neuen Steuerbefehl an den zuständigen Aktor sendet. Dieser führt die geforderte Aktion aus. Weitere Aufgaben der Steuereinheit sind das Senden von SMS-Nachrichten, E-Mails oder das direkte Versenden von Meldungen zum Steuergerät (einer App auf dem Smartphone bzw. dem Tablet).
Die Steuereinheiten werden schon heute von diversen Betriebssystemen (Operating System) wie Linux/Windows/OS-X unterstützt, welche speziell dafür angepasst wurden.
Für den Notfall werden die Steuereinheiten mit einer Ersatzstromversorgung (Uninterruptible power supplies - UPS) versorgt oder sie besitzen eine Batterie, die für eine gewisse Zeit die Unabhängigkeit von der Hauptstromversorgung sicherstellt.
Einer der Hauptgründe der steigenden Popularität von Heimautomations-Systemen im Wohnbereich ist die Möglichkeit, mit der installierten Applikation das ganze System über Smartphone oder Tablet bedienen zu können. Die Weiter- und Neuentwicklung der Applikationen ist ein stetig fortschreitender Prozess.
Die Endgeräte sind mit WLAN (WiFi) oder 3G/4G (über das Internet) an das Heimsystem angeschlossen. Das Steuern der Einstellungen ist so nicht nur vor Ort möglich, sondern auch aus der Ferne. In der Vergangenheit wurden solche Fernsteuerungslösungen über einen Telefonanschluss realisiert.
ZigBee
ZigBee ist ein Netzwerkstandard der in einem sogenannten routed Mode arbeitet, entwickelt durch die Mitglieder der ZigBee Alliance [3]. Seine letzte Namensgebung entstand in den 90er Jahren, als es offiziell „HomeRF“ Protokoll hieß. Der ratifizierte Standard wurde im Juni 2005 als „ZigBee radio standard“ veröffentlicht. Er definiert gleichzeitig auch die Netzwerksicherheit, und den existierenden IEEE 802.15.4 Standard [4].
ZigBee (Abb. 2.1) wurde für ein breites Anwendungsspektrum verschiedenster Applikationen entworfen, angefangen bei der Heimautomation. Dabei werden hauptsächlich batteriegetriebene Stromquellen für industrielle Anwendungen zur Steuerung großer Gebäude benutzt.
Der Standard IEEE 802.15.4 wurde im Jahre 2003 finalisiert, als Low-Rate Wireless Personal Area Network (WPAN), welcher mehrere Schichten beinhaltet. Konkret sind es das Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS), die Physical Radio (PHY) Schicht und die Softwareschicht Media Access Control (MAC).
Mehrere Chiphersteller bieten den 802.15.4 Standard als Bestandteil eines integrierten Chipsets zusammen mit einem Mikroprozessor und 128KB Speicher für die ZigBee Applikationen an.
Hauptziele des ZigBee Standards sind:
ZigBee definiert einige Gerätearten:
Es gilt, dass nur die FFD Geräte das Routing in einem Mesh-Netz kontrollieren dürfen. ZigBee definiert für diesen Zweck eine Sternstruktur, beinhaltend RFD an den Kanten des Netzwerks und ein Hybridnetzwerk, cluster tree genannt.
ZigBee 802.15.4 radio nutzt die Frequenz 2,4 GHz, in den USA sind es 915 MHz und in Europa 868 MHz. Die beiden letztgenannten Frequenzen haben jedoch keine Herstellerunterstützung für die Endanwender bekommen.
Die Hersteller der Endgeräte müssen Mitglieder der ZigBee Alliance sein.
Z-Wave
Z-Wave ist genauso wie ZigBee ein Netzwerkstandard, der in einem verbindungsorientiertem Mode (routed) arbeitet. Der Patentbesitzer für dieses Protokoll ist die Firma Sigma Design [4], die das Patent von der Firma ZenSys of Denmark im Jahre 2008 [4] kaufte.
Dieses Drahtloskommunikationsprotokoll wird vor allem im Bereich der Heimautomation eingesetzt. Wichtige Ziele sind:
Das Kommunikationsprotokoll dieser Technologie überträgt die Nachrichten mit dem sogenannten Source Routing Algorithm (SRA). Source routing algorithm fordert von der Nachrichtquelle (das Gerät/der Sensor) die Informationen über die Anordnung anderer Sensoren/Geräte im Netzwerk, damit er die Nachricht auf dem kürzesten Weg weiterleiten kann. Das Aufrechterhalten und das Bereitstellen der aktuellen Netzwerktopologie die Aufgabe einer komplexen Gerätesoftware, die gleichzeitig die Weiterleitung von Nachrichten an andere Geräte steuert, auch dann, wenn diese mobil sind und ihre Lage im Raum ändern.
Z-Wave definiert unterschiedliche Kategorien von Geräten, da die erwähnte Logik den Preis der Gräte/Sensoren erhöht, durch sogenannte Slaves (untergeordnete Geräte). Ein Slave kann die Zustände nicht überwachen und ist so programmiert, dass es nur mit ausgewählten Geräten im Netzwerk kommuniziert . Die beschriebene Logik ist die wichtigste Funktionalität des Z-Wave-Protokolls.
Z-Wave radio networking ist für eine limitierte Anzahl von Knoten oder nodes konzipiert, von denen sich im Netzwerk maximal 232 befinden dürfen. Allerdings empfehlen die Hersteller eine maximale Anzahl von 30 bis 50 Knoten, wobei jeder Knoten in einem Intervall von 5 bis 15 Minuten mit den anderen Geräten kommuniziert.
Die Z-Wave Nachrichten haben eine variable Länge. Die Paketgröße einer Nachricht darf eine Größe von 4 bis 6 Bytes haben und die Latenz darf 200 Millisekunden nicht überschreiten.
Für Z-Wave gilt, dass die Hersteller von Geräten, die dieses Kommunikationsprotokoll verwenden, Mitglieder der Z-Wave Alliance sein müssen.
WiFi
In den letzten Jahren wurde WiFi (IEEE 802.11) zum Standard für den Betrieb der drahtlosen LAN Breitbandnetzwerke für private Haushalte und gewerbliche Nutzer. Die steigende Popularität förderte auch die Vernetzung der Geräte, hauptsächlich im Bereich des Streaming multimedialer Inhalte.
IEEE 802.11 ist ein Standard, von dem es mehreren Versionen (a, b, g und n) gibt. 802.11a ist für die Bandbreite 5GHz lizenziert, und wird nicht im gewöhnlichen Haushalt verwendet. Im Bereich der Anwender werden die Versionen 802.11b, g und n benutzt. Version b kommuniziert mit einer Geschwindigkeit 11Mb/s (Megabit pro Sekunde) und wird seit 1999 benutzt. Es folgt die Version g mit der Geschwindigkeit 54 Mb/s, vorgestellt im Jahre 2002. Version n mit der Geschwindigkeit 100Mb/s und mehr wurde im Jahr 2006 in Betrieb genommen. WiFi Netzwerke sind typischerweise in einer Sternnetzwerktopologie implementiert. Es ist aber kein mesh, d.h. dass es sich immer um eine point-to-point Kommunikation handelt.
WiFi ist mit seinen Übertragungsgeschwindigkeiten die schnellste aller Drahtlosnetzwerk-technologien, die man in Haushalten nutzen kann.
Nachteile sind der große Energieverbrauch und die komplizierte Konfiguration der Geräte.
Bei der Sternnetzwerktopologie muss man auch auf die Reichweite achten, die üblicherweise zwischen 50 bis 100 Metern beträgt. Zentraler Zugangspunkt ist normalerweise der Controller oder der Router, zudem wird der Controller üblicherweise mittels Ethernetanschluss verbunden.
Ein großer Vorteil von WiFi ist, dass es für die Netzwerkverbindungen und den Datentransport das Protokoll TCP/IP nutzt, welches auch im Internet verwendet wird.
Betreffend Heimautomation wird WiFi gerne zum Anschluss einer IP Kamera verwendet; sie benötigt einen Stromanschluss und kann nicht mit Batterien betrieben werden. Die übertragenen Daten werden in regelmäßigen Intervallen in einem Heimdatenspeicher gespeichert. Das ist ,mit heute üblichen Geräten möglich, aber sie werden schrittweise durch eine universelle Lösung eines WiFi Eingangspunktes mit Heimdatenspeicher ersetzt.
Ausser der Videoübertragung von IP Kameras wird WiFi gern für den Anschluss aller Arten von multimedialen Geräten im Haushalt verwendet, einschließlich mobiler Geräte und Rechner, zwischen denen man die multimedialen Inhalt überträgt.
Bluetooth
Die Gruppe Bluetooth SIG [5] definiert den gleichnamigen Standard IEEE 802.15.1 als drahtlose ad-hoc point-to-point Technologie für Personal Area Networking (PAN).
Diese Technologie wurde auch mit dem Ziel konzipiert einen niedrigen Stromverbrauch zu erreichen, sie ist aber auf eine Reichweite von ca. 10 Meter (ohne Hindernisse) begrenzt. Bluetooth wird heutzutage vor allem für Handys und drahtlosen Kopfhörer (headset), Tablets und PCs verwendet, hauptsächlich als Ersatz für die Kabelanschlüsse der Peripheriegeräte.
Die neue Version dieser Kommunikationstechnologie, genannt Bluetooth Low Energy oder Bluetooth Smart, bietet im Bereich PAN neue Möglichkeiten. Die Entwicklung dieser Technologie orientiert sich in der Heimautomation gerade auf den Bereich eHealth, dessen Bestandteil auch Assisted Living ist. Es geht um die Erfassung biometrischer Daten des Anwenders durch am Körper platzierter Geräte oder als Bestandteil täglich benutzter Objekte.
Der 2009 verabschiedete Industrie-Standard ist Teil der Bluetooth Spezifikation 4.0 .
Bluetooth arbeitet in einer Bandbreite von 2.4 GHz und erreicht mit Unterstützung von frequency hopping spread spectrum (FHSS) eine Übertragungsgeschwindigkeit bis 3Mb/s (Megabit pro Sekunde). PAN unterstützt den Anschluss von sieben Knoten.
EnOcean
EnOcean ist eine Drahtlostechnologie, die für die Stromversorgung der Sensoren die aus der Umgebung gewonnene Energie verwendet, z. B. aus der Umwandlung thermischer, elektromagnetischer oder solarer Energie. Das Prinzip der Energiegewinnung wird durch die extrem niedrigen Anforderungen an die Stromversorgung des Sensors ermöglicht.
EnOcean wurde im Jahre 2012 zum Standard (ISO/IEC 14543-3-10). Dieser Standard besteht aus drei Protokollschichten des OSI Models, nämlich der physikalische Schicht (Physical Layer), der Sicherungsschicht (Data Link Layer) und der Vermittlungsschicht (Network Layer). Patentinhaber ist die Gesellschaft EnOcean, gegründet als spin-off der Siemens AG. Ziel war die Entwicklung von drahtlosen Modulen, die sich selbst versorgen können (ohne Batterien).
Übertragene Pakete sind relativ klein, konkret 14 Bytes lang mit einer Übertragungsgeschwindigkeit von 125 kbit/s (Kilobits pro Sekunde). EnOcean wird in den realen Implementierungen hauptsächlich für Applikationen, bzw. Sensoren verwendet, die nur kleine Datenmengen übertragen müssen. Beispiele sind: Beleuchtungsschalter, Bewegungsdetektoren, Feuchtigkeits- und Wärmesensoren.
EnOcean nutzt mehrere Transportfrequenzen, konkret 902 MHz, 928,35 MHZ und 315 MHz.
Anwendung findet dieser Standard überwiegend in der Gebäudeautomation, der Logistik und dem Warentransport in der Industrie. Neuerdings dringt er auch in den Bereich der Heimautomation vor. Auch hier gilt, dass der Hersteller ein Mitglied der EnOcean Alliance sein muss.