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Leichtverständliche kurze Erläuterung der Funktechnologien im SmartHome


Damit im smarten Haus alles rund läuft.
Sensoren, Aktoren, ZigBee und andere Tierchen.

Ein wenig Hintergrund Information zum Smart Home


Im smarten Home wird vieles gemessen, geregelt, geschaltet und überwacht.
Wie kommen diese Daten ins Smartphone und zurück.

Dieser Beitrag beschreibt die verschiedenen Technologien mit denen heute (Stand 2016) die Daten in einer Smart Home/House/Bulding Umgebung übertragen werden.

Das Grundprinzip



1. Messen (Sensor)
Ein Sensor ermittelt Messwerte. Dazu zählen Temperatur, Helligkeit, Wasserstand, Luftfeuchte, Windgeschwindigkeit, Zustand Ein/Aus, eine Bewegung , oder ein anderes elektronisches Signal.
Ein Sender überträgt diese Information an einen Empfänger und / oder Zentrale.
Die Übertragung kann per Kabel oder per Funk erfolgen.

2. Schalten und Regeln (Aktor)
Ein Sender oder eine Zentrale sendet den Befehl für ein Aktion an den Aktor.
Dieser führt dann die passende Aktion aus. An/Aus, 10% oder 60% mehr oder weniger, Heller oder Dunkler, Kälter oder Wärmer usw.

3. Zusammenwirken
Messen, Steuern und Regeln:
Ein Windsensor misst die Windgeschwindigkeit auf dem Dach. Er sendet diese per Funkt an eine Zentrale.
Diese hat einen maximalen Wert eingestellt, ab dem sie die Jalousie eingefahren wird.
Ein Lichtsensor meldet die Helligkeit. Bei zu viel Sonneneinstrahlung steuert die Zentrale die Position der Jalousie.


Übertragungswege

Die Daten werden per Kabel, Funk oder in Kombination aus beidem übertragen.
Bei Neubauten lässt sich eine Kabelstruktur von Anfang an einplanen. Bei Bestandsgebäuden bietet sich eher eine Funk basierende Lösung an.

Ein großes Problem liegt in der Inkompatibilität der Funk Protokolle untereinander. Bei WLAN oder BLUETOOTH sind wir es gewohnt, das (nahezu) alle Geräte reibungslos miteinander arbeiten.
Bei den Smart House Funksystemen ist das leider nicht der Fall. Selbst zwei Geräte, die mit dem Protokoll "ZigBee" arbeiten, sind nicht zwingend miteinander kompatibel.

Daher möchte ich ihnen hier einen kleinen Überblick über einige Systeme geben.







ZigBee

Spezifikation für Funkübertragung über kurze Strecken

Hersteller/Gremium: ZigBee-Allianz seit Ende 2002
Es gibt älterer Versionen von 2004 und neue von 2006. Daten und Kommunikation können Verschlüsselt werden. Es gibt einfache Endgeräte für Sensoren/Aktoren und Router für die Steuerung. Mit ZigBee IP ist auch die Anbindung an das Internet Protokoll möglich.
Die ZigBee Allianz versucht durch Vereinheitlichung bestimmter Befehle wie z.B. "An", "Aus", "Wechsel"
eine Interoperabilität zwischen den ZigBee Ausprägungen verschiedener Hersteller zu erreichen.

Technik: Funkfrequenzen zwischen 850 und 950 MHz (Mit ZigBee 3.0 auch 2.4 GHz)
Reichweite: Typisch im Gebäude. 20 Meter .
Max ca. 230 Geräte pro Netz

Ein einfaches Sende/Empfangsmodul kostet ab ca. 25 Euro
ZigBee ist so sparsam in der Stromaufnahme, das einige Funkschalter die nötige Energie aus dem Druck auf den Schalter via Piezo Element nutzen.


Z-Wave

Hersteller: Eine Entwicklung der Firma "Sigma Designs". Das Protokoll wird jetzt von der Z-Wave Alliance getragen. Hierzu gehören über 300 Firmen darunter Samsung und Nokia.
Kompatibilität zwischen den Produkten verschiedener Hersteller ist im wesentlichen gegeben, da die Z-Wave Alliance hierüber wacht. Hierzu gibt es Listen mit den geprüften Kombinationen
Bspl: http://www.vesternet.com/compatibility/z-wave-compatibility-guide#.U10bzV4Y-GQ

Technik: Funkfrequenzen zwischen 850 und 950 MHz
Sender aus den USA funken in Deutschland auf einer Frequenz, die genehmigungspflichtig ist.
Reichweite: ca. 20meter in Gebäuden, 150 außerhalb, je nach Sendeleistung
Max ca. 230 Geräte pro Netz
http://www.z-wavealliance.org/ und http://www.zwave.de


www.golem.de/news/zigbee-und-z-wave-so-funkts-im-smarthome-1502-111858.html

BidCos

Diese Protokoll wird von eQ-3, dem Ableger der in Deutschland beheimateten "ELV Elektronik", entwickelt.
Es findet sich hauptsächlich in den Produkten der "HomeMatic" Serie. Das Protokoll ist bidirectional. Sender und Empfänger können sich dabei abstimmen. Der Empfänger muss den Erhalt einer Nachreicht quittieren. Produkte von eQ-3 finden sich jetzt auch bei RWE SmartHome und QIVICON (Telekom)

Die Homematic Variante bietet Sensoren, Aktoren und reine Sender und Empfänger. Auch der Übergang zu Kabel gebundenen Homematic Komponenten ist möglich. Dazu gibt es eine Zentrale "CCU2" zur Verbindung und Programmierung. Umfangreiche "wenn" "dann" Programme können die Abläufe steuern. Bspl: Wenn Dunkel, und Werktag und Bewegung im Garten dann Alarm.
Frequenz: 868 MHz
Reichweite: im Gebäude über 20 Meter






Bluetooth Low Energy, (Bluetooth LE)

Ein weiteres Protokoll, das spezielle bei sogenannten "beacons" verwendet wird.
Hierbei handelt es sich um kleine Sensoren, die über ein Smartphone verwendet werden können.
Ein Beacon sendet in regelmäßigen Abständen eine eindeutige Kennung.
Damit lässt sich jedes Beacon genau identifizieren.


Damit lassen sie z.B. die Kontrollgänge einer Wartungsperson steuern und prüfen.
Dieses Protokoll wird auch als NFC (Near Field Kommunikation) bezeichnet.
Frequenz: 2.4 GHz
Reichweite: Es gibt 3 Stufen. Unmittelbar bei 1 bis 10 cm, "In der Nähe" bei 10 cm bis 3 m, und "Weit weg" bei mehr als 3 m.
Kosten: ca. 20 Euro, Batterie oder Strom Betrieb.

http://www.bluetooth.com/Bluetooth/Products/Low_Energy.htm




EnOcean

Funkstandard der Ocean GmbH, einer Siemens Tochter Inzwischen hat sich die EnOcean Alliance mit ca. 250 Partnern gebildet. Besonderheit: Sensoren und Aktoren arbeiten überwiegend batterielos.
Die Energie wird (Wie auch bei manchen ZigBee Sendern) von einem Piezo (erzeugt die Funken in einigen Feuerzeugen und Gasgrills), Pelltier Element und Solarzellen geliefert.

Frequenz: ca. 800 - 930 MHz
Reichweite: 30 im Gebäude und 300 im Freien
https://www.enocean.com
Produkte mit onoecean http://www.enocean.com/en/products/


Für die Funk Protokolle ist es wichtig, das die Frequenzen auch in möglichst allen
Ländern der Welt zur Verfügung stehen. Daher finden sich zumeist die Bereiche zwischen 850 und 950 MHz und 2.4 GHz.
Zum Vergleich: Unser UKW Rundfunk liegt zwischen 88 und 104 Mhz, der alte GSM Mobilfunk in Deutschland bei 890 bis 915 MHz und von 935 bis 960 MHz (GSM 900)




Kabelgebundene Systeme



KNX
Sensoren und Aktoren von über 350 Partner Firmen.
Hauptsächlich im Gewerblichen Bereich. Aber auch in anspruchsvoller Wohnungsbau.
Im wesentlichen unverschlüsselt. Anbindung an das Internet für Fernwartung vorhanden.
Basiert auf einem 4+1 adrigen Kabel. Inzwischen gibt es auch eine Funkvariante.
http://www.knx.org/




BACnet (Building Automation and Control Networks)

Netzwerkprotokoll für die Gebäudeautomation. Dieses gibt es schon seit den 90'er Jahren.
Benutzt wird es für Messen, Regeln und Steuern. Verschiedene Kabelarten können verwendet werden.
Inzwischen gibt es auch das ZigBee Funkprotokoll für BACnet Installationen.

http://www.bacnet.org/



Aspekte im Einsatz in der WoWi:
- Wird pro Sender eine Batterie/Akku oder Strumanschluss benötigt?
Das würde mit hohen Installations oder Wartungskosten einhergehen.

- Ist die Sicherheit bei der Funkübertragung gewährleistet?




zigbee,zwave,bidcos,enOcean,knx sind markenzeichen der jeweiligen Organisationen

Merkmale:

zigbee , zwave , bidcos , enOcean , knx , smarthome



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