Heimautomatisierung und das Internet der Dinge

Teil 1, Artikelserie “Smart Home”

Thomas Eichstädt-Engelen, Kai Kreuzer

Normalbürger sprechen vom intelligenten Zuhause, Techniker dagegen eher von Heimautomatisierung - gemeint ist das Gleiche: Die Integration von verschiedenen Dingen im Haus wie Licht, Heizung und Rolläden, aber auch von Multimediageräten wie Radio, Fernsehen und Stereoanlage oder der sogenannten weißen Ware, also Waschmaschinen, Kühlschränken, Geschirrspülern und ähnlichem. Integration bedeutet hierbei Zweierlei: Zum Ersten die zentrale Erreichbarkeit z.B. über ein Touchpanel, um Geräte zu schalten bzw. deren Status zu visualisieren. Zum Zweiten aber auch die Möglichkeit, dass Geräte automatisch aufeinander reagieren, also z.B. ein Licht eingeschaltet wird, sobald Bewegung erkannt wird. Geräteklassen werden klassisch in Sensorik und Aktorik aufgeteilt. Während Sensoren Daten aus der Umgebung aufnehmen und weitergeben können, sorgen Aktoren für Aktionen wie Schaltvorgänge. Bisher waren insbesondere die Gewerke Licht und Rollläden immer sehr eng mit der Haus-Elektrik verbunden - bei der Aktorik hat man prinzipiell die Wahl, diese nach am Gerät (also z.B. in einer schaltbaren Steckdose) zu installieren oder sie zentral im Schaltschrank unterzubringen. Letzteres ist die etwas kostengünstigere Variante, allerdings eigentlich nur im Neubau oder zumindest einer Kernsanierung eine valide Option. In beiden Fällen kommt man um fundierte Elektro-Kenntnisse und damit einen Elektriker nicht herum - und so waren Smart Homes bislang nur ein teurer Nischenmarkt.

Abbildung 1: Klassische Bus-Installation mit Aktorik im Schaltschrank
Abbildung 1: Klassische Bus-Installation mit Aktorik im Schaltschrank

Mit zunehmender Digitalisierung und insbesondere der Verbreitung von Breitbandanschlüssen nimmt das “Internet der Dinge” (Internet of Things, IoT) nun aber an Fahrt auf und ist zu einem der Buzzwords des Jahres geworden. Das Internet der Dinge geht jedoch weit über Smart Homes hinaus - man versteht darunter jegliche Vernetzung von Geräten auf Basis von Internettechnologien, d.h. im Wesentlichen der Nutzung des Internet-Protokolls (IP). Hierzu zählen u.a. auch die Themen Industrie 4.0 oder Smart Citiies - Smart Homes sind also nur ein kleiner Bereich des Internets der Dinge. Genauer gesagt bildet ein Smart Home ein “Intranet der Dinge” [1] - der Gedanke, dass eine Heimautomatisierungslösung auch autark, d.h. ohne Verbindung zum restlichen Internet, funktionieren sollte, wird allerdings mehr und mehr von aktuell auf den Markt gebrachten Geräten in Frage gestellt. So ist es heutzutage leider normal, dass sich ein Gerät wie ein SmartTV, ein Pflanzensensor, eine LED-Lampe oder ein intelligentes Thermostat nach dem Einschalten erstmal mit dem Clouddienst seines Herstellers verbindet und auch von diesem seine Kommandos erhält. Dies ist insbesondere aus Datenschutz- sowie aus Sicherheitsbetrachtungen keine erfreuliche Entwicklung. Hier ist insbesondere das neue Entwicklerprogramm von Google Nest [2] kritisch zu sehen, denn an der Cloud scheint es keinen Weg vorbei zu geben. Einen durchaus positiven Ansatz verfolgt Apple mit dem kürzlich vorgestellten HomeKit Framework [3], welches mit iOS8 im Herbst verfügbar gemacht werden soll. Apple setzt hierbei auf lokale Kommunikation vornehmlich über Wifi und Bluetooth und hält die erhobenen Daten dabei lokal vor. Der Hauptkritikpunkt an HomeKit ist somit die Festlegung auf das Apple Ökosystem - mit einem Android-Smartphone wird man es kaum nutzen können. Das ist aus Geschäftssicht von Apple natürlich nachvollziehbar, für den Endkunden aber dennoch ein unschöner Aspekt. Der Ansatz, auf Funktechnologien zu setzen, ist allgemein im Markt zu erkennen, da nur hiermit ein echter Massenmarkt erreicht werden kann. Neben Wifi und Bluetooth gibt es aber noch viele andere Systeme, wie z.B. das in Deutschland verbreitete Homematic oder Standards wie ZigBee.

Um sich nicht der Lösung eines Herstellers mit primär eigenen kommerziellen Interessen ausliefern zu müssen, wäre es doch vorteilhaft, ein Smart Home ohne eine solche Abhängigkeit realisieren zu können. Genau diesen Gedanken verfolgt die AllSeen Alliance mit dem AllJoyn Framework [4]. Dies ist eine offene Open-Source-Lösung, welche eine Peer–2-Peer-Kommunikation zwischen Geräten im (lokalen) Netzwerk gewährleisten soll. Allerdings fehlt einem solchen Ansatz die Möglichkeit über eine Zentrale einen Fernzugriff zu realisieren bzw. übergreifende Automatisierungsregeln zu verwalten, da es keine übergeordnete Instanz gibt. Eine solche Instanz nennt man üblicherweise “Home-Gateway” und sie erfüllt - ähnlich dem Router - zentrale Aufgaben und dient allgemein der Verbindung von Geräten. Im Gegensatz zum Router kann ein Home-Gateway hierfür nicht nur auf Ethernet/Wifi zurückgreifen, sondern beliebig über USB-Dongles für weitere Protokolle oder Schnittstellen fit gemacht werden. Ein solches Gateway eignet sich also bestens als neutraler Integrationspunkt, um die verschiedensten Systeme ins eigene Smart Home einzubinden und zu einer Gesamtlösung zu verbinden. Es darf dabei allerdings nicht von der Strategie eines Herstellers abhängen, welche Fremdsysteme integriert werden können - vielmehr muss das Gateway so offen gestaltet sein, dass jeder die Möglichkeit hat, weitere Anbindungen zu realisieren.

Einen solchen offenen und herstellerneutralen Softwarestack entwickelt das Open Source Projekt openHAB [5]. Dieses Projekt wurde bereits 2010 ins Leben gerufen, um einheitliche Oberflächen und übergreifende Automatisierungsregeln über Systemgrenzen hinweg realisieren zu können. Es wird von einer großen und stetig wachsenden Community getragen und bietet die Integration von nahezu einhundert verschiedenen Technologien, Protokollen und Systemen an. Die derzeit in Entwicklung befindliche Version 2.0 setzt auf dem Eclipse SmartHome Projekt [6] der Eclipse Foundation auf, welche sich der Neutralität und des Open-Source-Gedankens verschrieben hat.

Abbildung 2: openHAB läuft auf einem Raspberry Pi als Home-Gateway
Abbildung 2: openHAB läuft auf einem Raspberry Pi als Home-Gateway

Als Benutzeroberflächen stehen bei openHAB sowohl web-basierte UIs als auch native Apps für iOS und Android zur Verfügung. Graphische Benutzerschnittstellen dienen üblicherweise primär zur Visualisierung und nur sekundär zum Schalten - ein echtes Smart Home sollte seine Sache so gut machen, dass nur selten die Notwendigkeit besteht, per Smartphone, Tablet oder PC Befehle auszuführen. Statt dessen kontrolliert man eher den Zustand, lässt sich also Charts zu Temperaturverläufen oder Energieverbrauch zeigen oder prüft, dass auch wirklich alle Fenster geschlossen sind. Wichtiger als eine solche “Pull”-Nutzung ist daher oft die “Push”-Funktionalität. Das Heim versorgt den Nutzer während dessen Abwesenheit aktiv mit Informationen wie z.B. Alarmmeldungen von Sensoren wie Fensterkontakten, Wasser- oder Rauchmeldern oder auch nur dem verpassten Anruf oder dem Gast an der Haustür per Push-Nachricht auf das Smartphone.

Für die Steuerung bieten sich statt einem graphischen Interface oft andere Alternativen an: Zu allererst ist da der klassische (Licht-)schalter an der Wand. Diesen kennt jeder, er ist intuitiv zu bedienen und gibt keine Rätsel auf. Will man aber reichhaltige Funktionen realisieren, so hat man es schnell mit einer ganzen Schalterbatterie an der Wand zu tun, bei welcher schnell selbst der Hausherr keinen Überblick mehr hat. Der Vorteil an einer intelligenten Haustechnik: Die Funktion der Schalter ist nicht mehr durch die Elektroinstallation vorgegeben, sondern kann nach Belieben jederzeit umprogrammiert werden. Auch können sogenannte Szenen abgelegt werden, bei der z.B. gleichzeitig mehrere Lampen und Rollläden in einen bestimmten Zustand gebracht werden. Aber selbst dann ist es ratsam, die Anzahl der Schalter an der Wand klein zu halten und sich auf das Nötigste zu beschränken. Seit der Einführung von Siri ist Sprachsteuerung wortwörtlich “in aller Munde” - und gerade zu Hause, wo man mit wenig Nebengeräuschen zu kämpfen hat, kann diese Technologie sehr zuverlässige Dienste verrichten. So kann man bestimmte Szenen wie für das Essen oder den Fernsehabend einfach per Sprachbefehl anwählen. Auch lässt sich darüber beispielsweise die Heizungsanlage oder das Musiksystem ansteuern. Spricht man selbst zu dem Haus, wird schnell auch die Gegenrichtung gewünscht - dass das Haus zu einem selbst spricht. Dies lässt sich per Text-to-Speech (TTS) Funktionalität realisieren - die Sprachausgabe kann hierbei beispielsweise direkt über an das Gateway angeschlossene Lautsprecher geschehen oder per Audio-Streaming durch AirPlay oder Sonos auf entfernte Wiedergabegeräte geschickt werden. Solche Sprachausgaben sind als zeitnaher Benachrichtigungskanal sehr nützlich. So kann man sich beispielsweise darüber informieren lassen, dass die Waschmaschine im Keller fertig ist oder dass noch Fenster im Haus geöffnet sind, wenn man dieses gerade verlassen möchte.

Abbildung 3: Push-Benachrichtigung auf das Smartphone
Abbildung 3: Push-Benachrichtigung auf das Smartphone

Eine weitere praktische Möglichkeit zur Steuerung sind NFC-Tags. Diese günstigen, batterielosen Aufkleber können von zahlreichen Android-Geräten erkannt werden und für die Ausführung von Funktionen genutzt werden. Die native Android-openHAB-App unterstützt NFC direkt. Man kann damit Tags so programmieren, dass ein Schaltvorgang dadurch ausgelöst wird, dass das Smartphone nah an das Tag gehalten wird - die App braucht dazu noch nicht einmal geöffnet zu sein. Dies kann gerade im Außenbereich sehr nützlich sein: So kann man per NFC-Tag beispielsweise Außensteckdosen schalten, Garagentore öffnen oder sogar die Haustüre entriegeln. Dass dies kein Fremder ebenso machen kann, wird durch Credentials in der Smartphone-App gewährleistet sowie durch die Tatsache, dass nur dieses überhaupt im eigenen WLAN eingebucht ist. Neben NFC ist auch Bluetooth Low Energie, ebenfalls bekannt als Bluetooth 4.0, sehr relevant. Dies ist insbesondere der Tatsache geschuldet, dass Apple sich weigert, seine Geräte NFC-fähig zu machen und statt dessen auf Bluetooth setzt. Bluetooth-Tags wie z.B. die iBeacons sind zwar deutlich teurer als NFC-Tags und brauchen oft auch eine Batterie für den Betrieb, bieten aber auch mehr Möglichkeiten: Neben der Erkennung des direkten Kontakts (üblicherweise < 5cm bei NFC), kann ein Bluetooth-Tag über größere Entfernungen von über 10m geortet und über dessen Signalstärke auch der ungefähre Abstand ermittelt werden. Diese Information lässt sich hervorragend für einen besseren Kontext nutzen: Befindet sich der Nutzer z.B. in der Nähe des Tags im Wohnzimmer, so kann das Sprachkommando “Licht aus” anders interpretiert werden als wenn er sich im Schlafzimmer aufhält. Dienste wie Google Now zeigen schon heute, wie mächtig die Information des Kontexts sein kann - wenn diese Information aber zeitgleich auch für Werbung genutzt wird, kann dies durchaus unheimlich sein.

Fazit

Man kann erkennen, wie vielfältig und spannend die Themen rund ums Smart Home sind, nicht zuletzt, da der ganze Markt in großer Bewegung ist. Im nächsten Teil der Serie wollen wir für etwas Transparenz sorgen und einen Überblick über relevante und interessante Systeme und Protokolle geben. Durch die herrschende Fragmentierung ist der Markt insbesondere für Einsteiger beinahe unüberschaubar, so dass die Auswahl einer passenden Lösung sehr schwer fällt.

Referenzen

  1. http://kaikreuzer.blogspot.de/2014/02/privacy-in-smart-home-why-we-need.html  ↩

  2. https://nest.com/works-with-nest/  ↩

  3. https://developer.apple.com/homekit/  ↩

  4. https://allseenalliance.org/  ↩

  5. http://www.openhab.org/  ↩

  6. https://www.eclipse.org/smarthome/  ↩

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Thomas Eichstädt-Engelen is a Smart Living enthusiast, and contributor to the Eclipse SmartHome project, as well as project lead for openHAB. Until March 2016, he worked as Principal Consultant at innoQ. He has a strong focus on developing individual custom software with Eclipse technologies (Java, RCP, OSGi) primarily in the Smart Home sector.

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Kai Kreuzer is a Java and OSGi expert, a Home Automation enthusiast, founder of openHAB.org and the project lead of the Eclipse SmartHome project. He works as a Developer Evangelist in the Connected Home department of Deutsche Telekom AG, which develops an OSGi-based platform for smart homes called QIVICON.

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Entwickler magazin
Dieser Artikel ist ursprünglich in der Ausgabe 05/2014 der Zeitschrift Entwickler Magazin erschienen. Die Veröffentlichung auf innoq.com erfolgt mit freundlicher Genehmigung des S&S Media-Verlags.

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