Marktüberblick über Systeme und Protokolle

Teil 2, Artikelserie “Smart Home”

Thomas Eichstädt-Engelen, Kai Kreuzer

“Bevor ich mich falsch entscheide, lasse ich es lieber gleich …” - ein häufig gehörtes Argument gegen das Smart Home. Richtig ist, dass der Markt schon jetzt unübersichtlich ist und sich das in Zukunft nicht verbessern wird. Wer allerdings die richtigen Fragen kennt, kann die Vielfalt einschränken und damit schließlich zu seiner Entscheidung kommen. In diesem Artikel stellen wir die wichtigsten Systeme vor und geben Entscheidungshilfen.

Im vorigen Artikel haben wir festgestellt wie vielfältig und spannend die Themen rund um das Smart Home sind. Wir haben dort resümiert, dass einheitliche Benutzoberflächen und übergreifende Automationsregeln über alle Technologien und Protokolle hinweg der Stoff sind, aus dem die Träume des Heimautomatisierers gemacht sein sollten. In diesem Artikel wollen wir nun konkreter werden und uns die verschiedenen Systeme genauer anschauen, mit denen die Smart Home Anwendungsfälle umgesetzt werden können.

Am Anfang jeder Kaufentscheidung dieser Tragweite steht eine möglichst detaillierte Bestands- und Bedarfsanalyse. Hierbei werden Parameter wie die baulichen Gegebenheiten erhoben, die aktuellen und zukünftigen Anforderungen des Nutzers ermittelt, sowie der finanzielle Rahmen festgelegt. Kann die Erhebung dieser Parameter noch leicht durch den Benutzer selbst durchgeführt werden, braucht es für die Auswertung und Entscheidungsvorbereitung eine gute Marktkenntnis der verschiedenen Systeme mit ihren spezifischen Stärken und Schwächen.

Bei der Suche des EINEN Experten, der hier eine eingehende Beratung leisten kann, wird man allerdings nur selten fündig. Der schnell kontaktierte Elektriker des Vertrauens bietet häufig eher kabelgebundene Systeme an und bezieht selten neue Technologien auf “Gadget-Level” mit ein. Dem Radio- und Fernsehtechniker fehlt das Wissen über die Normen und Gepflogenheiten der Starkstromwelt und dem IT-Spezialisten fehlt ausbildungsseitig das Hardware-Wissen gänzlich. Der Berufszweig, der die relevanten Technologien ausreichend versteht, sie konfigurieren kann und sie vor allem installieren darf, ist somit noch nicht erfunden. Ein Problem, das inzwischen auch von den Branchenverbänden erkannt wurde. Als Maßnahme wurden Interessensgruppen wie der Verband der KNX-Professionals, der SmartHome Deutschland e.V., die Initiative Intelligentes Wohnen des ZVEI und diverse Arbeitskreise wie der AK “ConnectedHome” der BITKOM mit dem Ziel gegründet, die Probleme der stockenden Markteinführung zu analysieren, Transparenz zu schaffen und gemeinsam an Lösungen zu arbeiten.

Aktuell heißt es also immer noch “Selbst ist der Smart Häuslebauer”, weshalb wir nun einige Systeme vorstellen und ihre Relevanz für den SmartHome Markt beleuchten wollen. Generell lassen sich die vorhandenen Systeme in kabelgebundene, stromleitungnutzende und kabellose Systeme unterscheiden. Generell werden im Neubau oder Sanierungsfall eher die kabelgebundenen Systeme präferiert, während im Bestands- und Renovierungsfall eher die kabellosen Systeme zum Einsatz kommen. Jede Stufe dazwischen kann natürlich ebenfalls vorkommen. Diese grobe Kategorisierung kann dann mit Kriterien wie Anzahl unterstützer Dritt-Systeme, Herstellerunabhängigkeit, Erweiterbarkeit und Zukunftsicherheit verfeinert werden. Welches System dabei für den individuellen Einsatz das Richtige ist, hängt insbesondere von der oben beschriebenen Bestands- und Bedarfsanalyse ab. In jedem Fall sollten die Visualisierung, also das User Interface zur Darstellung von Geräten, Bildern und Temperaturen sowie die Automation-Regeln von den konkret verwendeten Technologien unabhängig sein. Das geht am Besten mit herstellerunabhängigen Integrationsplattformen, die nötige Abstraktionen und übergreifende Funktionen technologieunabhängig bereitstellen.

Um uns einen Überblick über einige Smart Home Systeme zu schaffen, starten wir zunächst mit den kabelgebundenen Systemen:

KNX

Mit KNX bezeichnet man ein Bus System für die Gebäudeautomatisierung dessen Kommunikations-Protokoll weltweit standardisiert (EN 50090, ISO/IEC 14543) ist. Auch wenn der Standard verschiedene Kommunikationsmedien (wie RF, Infrarot, Powerline) vorsieht, kommt in der Praxis meist nur die Twisted-Pair Variante zum Einsatz. Alle Sensoren wie bspw. Schalter, Fühler und Bewegungsmelder werden über ein zusätzliches, zwei-adriges Steuerkabel mit den Aktoren verbunden. Praktisch alle großen Hersteller bieten KNX kompatible Produkte an. Auch wenn KNX als so genanntes Feldbus-System ausgelegt ist, bei dem sich die Aktoren bei den zu steuernden Geräten (im Feld) befinden, wird im Einfamilienhaus eher eine zentrale, sternförmigeTopologie bevorzugt. Für die meisten Gewerke gibt es Produkte mit einer integrierten KNX Schnittstelle. Die Parametrierung der Anlage erfolgt über eine recht kostspielige Software, die so genannte Engineering Tool Software (ETS).

Loxone

Loxone ist ein 2009 in Österreich gegründeter Hersteller für Smart Home Produkte. Sein Hauptprodukt, der Miniserver, dient als zentrale Steuereinheit. Es werden eine Reihe von Extensions angeboten, die im Schaltschrank als Reiheneinbaugeräte (REG) eingebaut werden können, falls die enthaltenen Schnittstellen nicht mehr ausreichen. Dem Benutzer stehen eine Web Interface und native Apps zur Verfügung. Die Loxone Produktpalette enthält neben den Apps keine “nativen” Schalter oder Sensoren bereit. Es werden vielmehr “normale” Schalter und Sensoren über Funk oder die digitalen bzw. analogen Eingänge des Miniservers angebunden. Ebenfalls angeboten werden Erweiterungsgateways für viele weitere Systeme, wie KNX, DMX, EnOcean, 1-Wire, RS232, Infrarot und Modbus, allesamt Schnittstellenerweiterungen mit spezifischen Stärken. Die Inbetriebnahme erfolgt mit Hilfe der kostenlosen, mitgelieferten “Loxon Config” Software.

Der höhere Aufwand kabelgebundener Systeme resultiert aus der meist sternförmigen Verkabelung, bei der die Stromkabel jeweils von der Unterverteilung in die einzelnen Räume und zum Teil sogar einzeln zu den Verbauchern verlegt werden. Ist dies nicht möglich oder gewünscht, so ist es eine Option, auf die vorhandenen Stromkabel zurückzugreifen, wie das folgende System beweist.

digitalSTROM

Seit 2011 werden die farbigen digitalSTROM Lüsterklemmen (und inzwischen auch andersförmige Produkte) der digitalSTROM AG (vormals Aizo AG) angeboten. Die Steuersignale werden nicht über ein gesondertes Steuerkabel sondern über die Stromleitung übertragen (Power Line Communication, PLC), weshalb sich digitalSTROM besonders gut für die Nachrüstung im Bestandsbau eignet. Derzeit ist die Produktvielfalt noch recht beschränkt, wird aber laufend den Befürnissen des Marktes angepasst. Im Gegensatz zu den vorgenannten Systeme warten die zentralen digitalSTROM Server-Komponenten mit offenen und gut dokumentierten Schnittstellen auf, die dazu einladen digitalSTROM im großen Kontext zu integrieren. Die Inbetriebnahme und Konfiguration erfolgt über eine kostenlos mitgelieferte Software. Neben dem Webinterface stehen auch native Apps zur Verfügung.

Soll aus der Bestandsimmobilie oder der gemieteten Wohung ohne umfangreiche Renovierungen ein Smart Home gemacht werden, scheiden die oben genannten Systeme aus und Funksysteme rücken aufgrund der leichten Installation in den Fokus der Betrachtung.

Homematic

Der von der Firma eQ3 hergestellte Heimautomatisierungs-Bestseller heißt Homematic. Die Geräte funken im 868MHz Band über das proprietäre BidCos Protokoll. Die angebotene Produktpalette ist inzwischen sehr umfangreich und lässt kaum einen Wunsch offen. Generell werden die Geräte mit der zentralen Steuereinheit CCU gekoppelt. Über sie können dann umfangreiche Regelwerke abgebildet werden. Die Integration mit anderen Smart Home Integrationsplattformen kann über eine dokumentierte RPC Schnittstelle erfolgen.

Dect ULE

Dect ist ein sehr robuster weltweiter Funkstandard der in erster Linie in schnurlosen Telefonen Verwendung findet. Im Jahr 2011 wurde die Erweiterung ULE (Ultra Low Energy) vorgeschlagen, um insbesondere die Laufzeit batteriegetriebener Sensoren zu erhöhen. Dect funkt im 1880Mhz Bereich und hat daher weniger Interferenzen als andere Systeme, die in den dicht besiedelten ISM Bändern 868 MHz oder 2,4GHz Band funken.

In Deutschland hält sich die Verbreitung und vor allem die Nutzung im Smart Home noch in Grenzen.

EnOcean

Der weltweite EnOcean Standard zeichnet sich durch seinen niedrigen Energieverbrauch aus. Einige Fensterkontakte haben bspw. Akkus, die durch integrierte Minisolarzellen aufgeladen werden. Darüber hinaus werden Schalter angeboten, bei denen die Bewegungsenergie des Tastendruckes für die Aussendung eines Schaltbefehls ausreicht und daher keine Batterien nötig sind.

ZigBee

ZigBee ist ein auf dem IEEE 802.15 basierender Funkstandard, der speziell für kleine embedded Geräte entwickelt wurde. Es ist vor allem deswegen interessant, weil es eine Mesh-Networking Funktionalität anbietet. Diese sorgt für eine größere Reichweite, da jeder Knoten im Netzwerk auch als Repeater fungieren kann und damit das Signal auffrischen kann. Obwohl ZigBee eine Reihe von Profilen (bspw. ZigBee Home Automation) anbieten, die die einheitliche Interpretation der übertragenen Daten ermöglichen, werden diese nur selten von Firmen genutzt, was zu (möglicherweise gewollten) Inkompatibilitäten führt.

Bluetooth Low Energy (BLE)

BLE Ist die niedrigenergie Variante des Bluetooth Standards. Im Gegensatz zu den anderen hier genannten Funkstandards ist Bluetooth explizit für den Kurz-Bereich, also wenige Zentimeter bis einige Meter ausgelegt. Der äußerst niedrige Energieverbrauch macht BLE insbesondere für die Anbindung so genannter Wearables (Fitnesstracker, Uhren, etc.) interessant, da sie ohnehin auch immer nur kurze Funkdistanzen (nämlich in der Regel bis zum SmartPhone) überbrücken müssen. Für den Smart Home Bereich hat sich BLE vor allem durch die Verbreitung der iBeacons für die Indoor-Navigation interessant gemacht.

Z-Wave

Der Z-Wave Funkstandard, ist ein weltweit sehr gut verbreiteter Standard für Smart Home Produkte. Der Z-Wave Allianz gehören inzwischen mehr als 250 Mitglieder an, die mehr als 1100 verschiedene Produkte auf den Markt gebracht haben. War der Standard zunächst hauptsächlich in den USA verbreitet, so scheint nun auch der Europäische Markt immer mehr erschlossen zu werden. Auch Z-Wave funkt in Europa im 868Mhz ISM Band.

WiFi

Der sicher verbreitetste Funkstandard im Heim ist WiFi. Auch wenn inzwischen sehr viele Haushalte mit Internetanschlüssen und damit häufig auch WiFi-Routern ausgestattet sind, wird es für Smart Home Anwendungen vergleichsweise selten verwendet. Grund ist der recht hohen Energieverbrauch, weshalb sich eine Nutzung in batteriegetriebenen Geräten nicht anbietet.

Nachdem wir uns nun einen Überblick über die relevante Hardware verschafft haben, wollen wir uns nun mit den Software-Protokollen beschäftigen. Die traurige Nachricht gleich vorne weg: es gibt nach wie vor leider kein allgemeingültiges “Smart Home Protokoll”, also ein Protokoll auf Applikations-Ebene, über das sich beliebige Dinge im SmartHome magisch finden, verstehen und interagieren könnten. Zur besseren Übersicht, haben wir nun die relevanten Kandidaten genauer beleuchtet.

MQTT (Message Queue Telemetry Transport)

MQTT ist ein auf TCP/IP aufbauendes Protokoll, dass auf dem Publish-Subscribe Verfahren beruht. Clients melden sich an einem Message Broker, einer zentralen Software-Komponente an und tauschen Nachrichten über so genannte Topics aus. Der Broker sorgt für die Verteilung der Nachrichten und kümmert sich um deren Life-Cycle. Ursprünglich gedacht war das Protokoll für die Anbindung verteilter Clients über eine schmalbandige und unzuverlässige Transportschicht. Daher wurden dem Protokoll Mechanismen zur Konsistenzprüfung, Wahrung der Reihenfolge und Nachrichten Wiederholung spendiert. MQTT ist ein OASIS Standard und liegt inzwischen in der Version 3.1.1 vor [1].

In der jüngsten Vergangenheit wurde MQTT häufiger als “das Protokoll des IoT” proklamiert. In der Tat eignet es sich aufgrund seiner Fehlerkorrektur-Mechanismen sehr gut zur Anbindung im Feld befindlicher Sensoren. Dennoch handelt es sich bei MQTT lediglich um ein Transport-Protokoll dass keinerlei Semantik für den speziellen Anwendungsbereich mitbringt. So gibt es beispielsweise keine Konventionen zur Benennung der Topics auf denen die Clients Nachrichten veröffentlichen. Auch ist die Bedeutung der Daten in keiner Weise klassifiziert. Ohne spezielles Wissen über den jeweiligen Teilnehmer kann also keine Kommunikation aufgebaut werden.

CoAP (Constrained Application Protocol)

CoAP ist ein sehr leichtgewichtiges und effizientes Protokoll zur Anbindung von Devices mit sehr geringen System-Ressourcen. Es nutzt UDP und ist aufgrund seiner Ausgestaltung leicht in HTTP zu übersetzen. Der Kern des CoAP Protokolls ist im RFC 7252 spezifiziert [2].

Ebenso wie MQTT ist auch CoAP aus Sicht des Smart Home eher als Transport-Protokoll zu bezeichnen, weil hier ebenfalls keine spezielle Semantik für Sensoren und Aktoren enhalten ist. Thread Thread ist ein IPv6 basiertes Protokoll, welches kürzlich von den NEST Labs (inzwischen von Google gekauft) veröffentlicht wurde und auf dem IEEE 802.15.4 Standard aufbaut. Aufgrund dieses Aufbaus steht Thread in einer Reihe mit Bluetooth Low Energy (BLE) und ZigBee. Aufgrund seines verwendeten Software-Stacks soll Thread als reine Software-Erweiterung auf allen 802.15.4 kompatiblen Geräten verwendet werden können.

Über die versprochene Kompatibilität auf Netzwerkebene hinaus, wird auch von Thread nicht die Interoperabilität auf Applikations-Ebene adressiert. Welchen Beitrag Thread also schließlich zur Interoperabilität der Geräte leisten wird und ob es sich gegenüber anderes (Funk)Protokollen durchsetzten wird, wird die Zukunft zeigen.

HomeKit

HomeKit wurde von Apple als eine der beiden großen Neuigkeiten in iOS8 auf der vergangenen WWDC vorgestellt. Es definiert Schnittstellen auf Applikationsebene, die beschreiben, wie Geräte gefunden und gesteuert werden können. Es werden Geräteprofile, wie z.B. Schalter, Thermostat, Licht und Türschloss definiert. Die so kategorisierten Geräte können dann in eine (Haus-)Hierarchie eingebunden und kontrolliert werden. Jedes einzelne Gerät, also auch einzelne Lampen, die sich hinter ein Bridge befinden, können einzeln identifiziert werden (identify me) und über Siri angesprochen werden. Das iPhone avanciert damit zur universellen, sprachgesteuerten Fernbedienung.

Apple spezifiziert mit HomeKit ein Protokoll auf Applikationsebene, welches das Auffinden und Benutzen unterschiedlichster Geräte vereinheitlicht. Dieses Protokoll funktioniert wohlgemerkt nur in der “Apple-Welt”, da die Implementierung auf anderen Plattformen aus lizenzrechtlichen Gründen nicht erlaubt ist.

AllJoyn

Ist ein Open Source Software Framework, dass 2011 von Qualcomm veröffentlicht und inzwischen der Linux Foundation übergeben wurde. AllJoyn bietet Funktionen an, mit denen Geräte über alle gängigen Plattformen (Microsoft Windows, Linux, Android, iOS, OS X, OpenWRT) hinweg sich finden, kommunizieren und kollaborieren können. Das Protokoll ist dabei so implementiert, dass es grundsätzlich unabhängig vom unterliegenden Netzwerkstack arbeiten kann. Tatsächlich arbeitet beispielsweise die WiFi-Alliance derzeit am “WiFi-Direct” Standard, der adhoc peer-to-peer WiFi Verbindungen ermöglichen wird.

Open Internet Consortium (OIC)

Auch das Open Internet Consortium, welches kürzlich von den Branchengrößen Atmel, Broadcom, Dell, Intel, Samsung und Wind River gegründet wurde, wird ein Protokoll auf Applikations-Ebene anbieten. Den Ankündigen nach wird ebenso eine Open Source Implementierung veröffentlicht, so dass eine leichte Adaption des Protokolls möglich sein wird. Ob die allerdings nur den Mitgliedern des OIC oder allen Interessierten zur Verfügung stehen wird, bleibt bisher offen.

Von allen genannten Protokollen scheint AllJoyn am ehesten den Ansprüchen an ein allgemeingültiges Smart Home Protokoll zu genügen. Tatsächlich wurden auch auf der vergangenen IFA erste AllJoyn kompatible Geräte, wie ein Backofen der Firma AEG, gezeigt. Auch wenn die AllSeen-Alliance (die Community Organisation um das AllJoyn Protokoll) inzwischen schon eine illustre Liste von Mitgliedern hat [3], wird es noch eine Weile dauern, bis genug Lösungen am Markt sind, um die tatsächliche Interoperabilität beurteilen zu können.

Fazit

Die angebotenen Systeme können unterschiedlicher kaum sein, wie dieser Überblick über die wichtigsten Player im Smart Home zeigt. Kabelgebunden oder kabellos, weltweiter Standard mit großer industrieller Akzeptanz oder proprietäres Protokoll eines Herstellers. Jedes der Systeme hat seine Stärken und Schwächen, die in der jeweiligen Situation individuell gewichtet werden müssen.

Festzuhalten bleibt, in den meisten Fällen wird im Smart Home nicht nur eines, sondern mehrere der oben genannten (oder ähnlichen) Systeme im Einsatz sein. Um dann keine Automationssilos im smarten Heim zu haben, müssen Integrationsplattformen, wie openHAB, SmartThings, Revolv, Wink, NinjaSphere, Homee oder QIVICON Vermittlungsarbeit leisten. Dazu abstrahieren diese von der jeweiligen konkreten Technologie und operieren auf einem Meta-Datenmodell. Wie so ein Modell aussehen kann und welche Schwierigkeiten sich dabei ergeben, werden wir im nächsten Artikel dieser Serie beleuchten.

Referenzen

  1. http://docs.oasis-open.org/mqtt/mqtt/v3.1.1/mqtt-v3.1.1.html  ↩

  2. http://tools.ietf.org/html/rfc7252  ↩

  3. https://allseenalliance.org/about/members  ↩

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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 Ausgaben 06/2014 Zeitschrift Entwickler Magazin erschienen. Die Veröffentlichung auf innoq.com erfolgt mit freundlicher Genehmigung des S&S Media-Verlags.

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