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Analyse der Funktionen und Einsatzmöglichkeiten von Smart-Home-Funkstandards wie ZigBee, Z-Wave und EnOcean

Hausarbeit 2018 31 Seiten

Informatik - Internet, neue Technologien

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

1 Kurzfassung

2 Einleitung

3 Funkkommunikation

3.1 Funksystemarten
3.2 Funktechnologie
433-MHz-Band
868-MHz-Band
3.3 Funkstandard IEEE 802.15.4
Grundlegende Bestandteile
Unterstütze Netzwerktopologien
Einordnung ins ISO/OSI-Schichtenmodell
Kommunikation
3.4 Funksysteme
ZigBee
Z-Wave
EnOcean
Home Matic und BidCoS
DECT
QIVICON

4. Kurzübersicht der Funksysteme

5. Fazit

6. Aussicht

7. Literatur

1 Kurzfassung

Geräte und Systeme innerhalb des eigenen Wohnraums sind zunehmend vernetzter und werden immer intelligenter. Diese Vernetzung bietet für den Anwender Vorteile im Hinblick auf Sicherheit, Zeitersparnis, Komfort und Energiekosten. Bereits ca. 30% der Deutschen nutzen Smart-Home Komponenten die untereinander kommunizieren – und die Tendenz ist steigend. Das erklärte Ziel der intelligenten Systeme ist es den Alltag der Anwender um die genannten Aspekte zu erleichtern. Zur Erreichung dieses Ziels sammeln die Systeme eine Vielzahl von Daten wie beispielsweise die Temperatur, Lichtintensität oder Feuchtigkeit über unterschiedliche Sensoren. Anhand dieser Daten werden die zuständigen Komponenten in der Wohnung angesprochen, im vorliegenden Exempel die Heizung oder die Klimaanlage im Gebäude, um den jeweiligen Messwert den Bedürfnissen des Anwenders anzupassen. Da die Geräte, Systeme und Sensoren untereinander kommunizieren müssen um die vorgegebene Funktionalität automatisch erfüllen zu können, nimmt die Kommunikation zwischen den Komponenten im Smart Home eine zentrale Rolle ein. Der zukünftige Wettbewerb und die Durchsetzungsfähigkeit von Smart Home Produkten wird signifikant über die Einführung von Standards mitbestimmt werden. Innerhalb der Arbeit soll detaillierter auf die Funktionsweise der Kommunikation zwischen Smart Home Komponenten, die Möglichkeiten zur Kommunikation und bestehende Standards eingegangen werden. Als Kommunikationskanal findet in der Praxis häufig Funkkommunikation Anwendung, da sie kostengünstig und einfach im Smart Home System implementiert werden kann. Darauf liegt auch insbesondere der Fokus der Arbeit: Eine Analyse von Funktionen, Einsatzmöglichkeiten und dem derzeitigen Stand der Technik von Smart Home Funkstandards. Basierend auf diesen Erkenntnissen gibt der Beitrag einen Ausblick auf mögliche Weiterentwicklungen im Bereich der Funkkommunikation.

2 Einleitung

Den übergreifenden Begriff des „Internet der Dinge“ (internet of things) wurde zum ersten mal im Jahr 1999 vom visionären Studenten K. Ashton am Massachusetts Institute of Technology (MIT) genannt. Dahinter stand die Vision des Studenten alltägliche physische Gegenstände mit der Technologie des Internets in Verbindung zu setzen. Heutzutage, gut zwanzig Jahre später, scheint diese Vision Realität angenommen zu haben: Das Internet ist dank der drahtlosen Funktechnologie Wireless Local Area Network (WLAN) mit einer Vielzahl von Geräten des persönlichen Lebens verbunden. Insbesondere alltägliche Geräte und Systeme wie z.B. Heizung, Klima, Lüftung, Garage, Kaffeemaschine, Spülmaschine oder die Mikrowelle im Haushalt werden zunehmend mehr und mehr mit dem Internet verbunden und untereinander vernetzt. Das Smart Home Konzept scheint im Alltag des Menschen angekommen und soll ihn in eine neue Dimension des Wohnens voranbringen. Die Technologien hinter Smart Home haben die Zielsetzung dem Anwender eine ganze Reihe von Vorteilen und Erleichterungen zu verschaffen: ein sicheres, angenehmes, effizientes, komfortables und modernes Leben innerhalb des vernetzten Gebäudes [6, S. 1].

In der Vergangenheit waren Ideen aus dem Konzept der Hausautomatisierung bzw. dem gegenwärtigem Synonym „Smart Home“ lange Zeit nur innerhalb des Neubaus eines Gebäudes realisierbar. Heutzutage besteht durch kostengünstige Nachrüstsysteme jedoch die Möglichkeit in vorhandenen älteren Wohnflächen oder Gebäuden Geräte aus der Hausautomation einzusetzen. Derzeit gibt es eine Vielzahl von Smart Home Produkten auf dem Markt, die oftmals verschiedene Systeme verwenden. Ein übergreifender Standard besteht derzeit nicht. Daraus folgt, dass die Systeme nicht immer kompatibel zueinander sein müssen. Somit ist der Anwender gezwungen, sich für eine Produktreihe bzw. für einen Funkstandard zu entscheiden [5]. Über diese nicht vorhandene einheitliche Definition eines Standards grenzen sich die jeweiligen Hersteller der Smart Home Geräte voneinander ab. Konkret handelt es sich dabei um den Kommunikationskanal, über den die einzelnen Geräte eines Smart Home Systems miteinander vernetzt sind. Im Allgemeinen wird zwischen kabel- und funkbetriebenen Smart Home Systemen unterscheiden. Der größte Anteil der auf dem Markt vorhandenen Systeme nutzt die Funkkommunikation als Kommunikationsstandard. Diese haben den Vorteil, dass sie lizenzfreie Funkfrequenzen nutzen können und daher günstig zu implementieren sind. Die vorliegende Arbeit fokussiert sich thematisch auf die Funkkommunikation und deren Standards zum derzeitigen Stand der Technik. Insbesondere soll dabei auf die generelle Funktionalität der Funktechnologie eingegangen werden als auch die Funkstandards ZigBee, Z-Wave und EnOcean vergleichend erläutert werden. Ein weiterer relevanter Aspekt im Rahmen von Smart Home Systemen neben der Auswahlmöglichkeit zwischen Kabel- und Funksystemen ist die Unterscheidung zwischen herstellerspezifischen Smart Home Systemen und herstellerunabhängigen Standards. Darauf wird in Abschnitt zwei genauer eingegangen. Die nachfolgende Abbildung 1 gibt schon einmal einen Überblick über die vorhandenen Smart Home Systeme und Standards. Wie bereits aufgeführt, wird im Hinblick auf den Umfang der Arbeit der Fokus auf die derzeit relevantesten Funkstandards gelegt. Dabei sind insbesondere ZigBee, Z-Wave, EnOcean und DECT zu nennen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1 - Smart Home Standards und Anbieter im Kabel- und Funktechnologie Umfeld [17]

3 Funkkommunikation

3.1 Funksystemarten

Wie bereits in der Einleitung kurz beschrieben, wird bei bei Smart Home Systemen generell und bei Funksystemen zwischen den zwei verschiedenen Möglichkeiten der proprietären Systeme, die vom Hersteller administriert werden und offenen Systemen, die herstellerunabhängig verwendet werden, differenziert. Nachfolgend werden die beiden Systeme kurz voneinander abgegrenzt.

- Proprietäre Funksysteme sind geistiges Eigentum nur eines Anbieters. Im vorliegenden Fall von Smart Home Systemen ist der Kunde darauf angewiesen, dass dieser Hersteller alles bietet, was gewünscht ist, und muss das Vertrauen haben, dass dieser Hersteller seine Produkte auch noch in zukünftigen Jahren anbietet, falls Ersatzteile benötigt werden [23, S. 166-167].

- Standardbasierte Funksysteme hingegen besitzen ganz andere Eigenschaften. Für Funksyteme, die auf veröffentlichten Standards basieren, bieten viele Hersteller kompatible Produkte an. Das Angebot ist deshalb in der Regel breiter und die Langzeitsicherheit größer [23, S. 166-167].

Sowohl proprietäre als auch standardbasierte Funksysteme sind generell batteriebetrieben oder greifen auf Photovoltaikzellen, elektrodynamische oder piezoelektrische Effekte zurück. Systeme die auf eine Art Funktechnik zurückgreifen, haben verschiedene Vorteile, die im Folgenden näher erläutert sind:

1. Flexibilität: Aufgrund der einfachen Aufbau- und Abbaufähigkeit ergibt sich der Vorteil einer hohen Flexibilität für Funksysteme. In den gängigen am Markt vorhandenen Funksystemen richtet der Anwender eine zentrale sogenannte „Basisstation“ ein, die das Funksystem steuert. Gegen die Basisstation können folglich beliebig viele Funkgeräte verbunden werden, je nach Bedarf des Anwenders. Die Komponenten innerhalb des Funksystems sind oftmals modular aufgebaut und können ausgetauscht werden.

2. Verkürzte Inbetriebnahmezeiten: Funkbasierte Systeme besitzen Service-Schnittstellen zu anderen Systemen und Geräten die eine schnelle Inbetriebnahme ermöglichen. Derzeit gibt es die Notwendigkeit dass die Geräte mit einer Vielzahl von Schnittstellen ausgestattet sein müssen, da es ebenso viele Anbieter von Schnittstellentechnologien auf dem Markt gibt wie Produkte. Dieses Problem wird auch innerhalb dieser Seminararbeit weitergehend erläutert.

3. Kürzere Installationszeiten: Der Aspekt der Installation betrifft die Anbindung von Hardwareseitigen Komponenten wie beispielsweise die Sensoren und die Installation der Software auf den Funkgeräten. Aufgrund der Funktechnik können die einzelnen Komponenten innerhalb eines Funksystems flexibel und kurzfristig miteinander kommunizieren, sodass die Installation eines solchen Systems von kurzer Dauer ist.

4. Schnellere Servicefähigkeit: Bei Auftreten von Fehlern können Funksysteme ad hoc jeweils den Anwender oder den Hersteller kontaktieren. Der Fehler kann folglich per Fernwartung ausgelesen und behandelt werden. Je nach Schweregrad des Fehlers kann bereits vom Hersteller per Fernwartung gelöst werden oder das entsprechende Ersatzteil kann dem Anwender zugeschickt werden. In jedem Fall kann eine schnelle und agile Fehlerbehandlung erfolgen.

5. Verbesserter Bedienkomfort: Beim Aspekt des Bedienkomforts ist zum einen zu nennen, dass die Geräte sich selbständig per Funktechnik verbinden und die Funktionen dem Anwender bereitgestellt werden. Zum anderen hat er auch in vielen gängigen Systemen am Markt die Möglichkeit mittels einer Weboberfläche auf das Funksystem zuzugreifen und Einstellungen vorzunehmen oder Fehler weitergehend zu analysieren bzw. dem Hersteller zuzusenden [1, S. 625-626].

3.2 Funktechnologie

Aufgrund der komplexen und umfassenden Verkabelung von einer Vielzahl von Sensoren und Aktoren innerhalb eines Smart Home Systems, ist die Realisierung des Smart Home Systems über Funkbasierte Systeme zu einer häufig und gern genutzten Möglichkeit geworden. Gerade wenn das Bezugsobjekt kein geplanter Neubau ist, sondern ein bereits bestehendes Gebäude bzw. Wohnraum. Die Funktechnologie verwendet als Übertragungsmedium den freien Raum, worin die Funksignale als elektromagnetische Wellen übermittelt werden. Ein funkbasiertes System besteht aus der zentralen Steueranlage und einer Reihe von Funksendern und Funkempfängern. Innerhalb der Funkkommunikation unterscheiden sich die verfügbaren Systeme noch einmal stark nach Anwendungsfall. Die Güte der Übertragungsleistung wird dabei von mehreren Parametern bestimmt: die Bandbreite, das Kodierungsverfahren, die Sendeleistung, Empfangsempfindlichkeit sowie Datendurchsatz. In diesen Parametern unterscheiden sich die verfügbaren Funktechnologien signifikant voneinander [1, S. 633]. Generell ist das Frequenzspektrum als Allgemeingut anzusehen und daher durch staatliche Behörden reglementiert. Das bedeutet ausgewählte Frequenzbänder können für bestimmte Dienste kostenfrei genutzt und andere wiederrum dürfen nur kostenpflichtig genutzt werden. Eine detaillierte Aufstellung der verschiedenen Arten von Funkkommunikation ist in Abbildung 2 dargestellt. Der Fokus dieser Seminararbeit beschränken sich auf den Bereich der Personal Area Networks mit einer Distanz unter 100 Metern und einer Datenrate von zehn bis 100 Kilobyte pro Sekunde [1, S. 627].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2 - Einsatzbereiche der Funktechnologien [1, S. 627]

Im Allgemeinen gibt es eine Vielzahl von verschiedenen länderspezifischen Regelungen im Bereich der Funkkommunikation. Die unterschiedlichen Frequenzen und Wellenlängen unterscheiden sich dabei teilweise so signifikant, dass nicht von einem einheitlichen globalen Funkstandard gesprochen werden kann. Zumindest die Bereiche aus Wissenschaft, der Industrie und der Medizin haben sich auf ein einheitliches Funksystem geeinigt: die sogenannten ISM-Bänder.[1] Die Frequenzen auf diesen Bändern, insbesondere die Frequenzen 433 MHz, 2,4 GHz und 5 GHz bilden zumindest in den aufgeführten Branchen eine einheitliche Grundlage in der Funkkommunikation [1, S. 628]. Von größerer Relevanz sind die Frequenzen aufgrund ihrer Übertragungsreichweite im Hinblick auf die Durchdringung von Hindernissen und Objekten in der Umgebung, wie z.B. Hauswände. Die Funkwellen werden dort an der Oberfläche ihrer Hindernisse reflektiert und teilweise von bestimmten Hindernissen und Objekten sogar absorbiert. Bei zunehmender Reichweite verringert sich die Leistung des Funksignals. Geringere Frequenzen wie beispielsweise 433 MHz haben generell eine höhere Übertragungsreichweite als höhere Frequenzen. Ein weiterer wichtiger Aspekt in der Funkkommunikation ist die sogenannte Abschattungsproblematik. Dabei handelt es sich um die Störung zwischen zwei Funksystemen, die auf dem gleichen Kanal Signale aussenden. Aufgrund der Nutzung des gleichen Kanals kann es dabei zu Störungen in der Signalverbreitung kommen, die folglich das gesamte Funksystem beeinflussen und Fehler produzieren. In der Praxis geschieht die Übertragung bei Funksystemen oft über zwei verschiedene Frequenzen der ISM-Bänder: zum einen 433 MHz und zum anderen 868 MHz. Beide ISM-Bänder werden nachfolgend mit ihren wichtigsten Merkmalen kurz erläutert.

433-MHz-Band

Die Frequenzen des 433-MHz-ISM-Band erstrecken sich von 433,05 MHz bis 434,79 MHz und dienen zur Übertragung von Nachrichten bzw. Daten mit kurzer bis mittlerer Reichweite. Die höchste zu erreichende Reichweite eines Funkmoduls mit vorliegender Frequenz kann bei mehreren hundert Metern im freien Raum liegen. Dafür muss das Funkmodul die größtmögliche Leistung von zehn Milliwat (mW) abrufen. Zusätzlich kommt es bei der Bemessung der Reichweite stark auf die Umgebung an. Insbesondere Hindernisse und Störfaktoren können die Reichweite nachhaltig reduzieren. Hersteller von Funkmodulen im 433-MHz Bereich weisen oftmals eine Reichweite zwischen 100 und 250 Metern aus. Die Modulationsart im ISM-Band unterscheidet sich je nach Anwendungszweck zwischen einfacher sogenannter Amplitudenmodulation (AM) und komplexerer Frequenzmodulation (FM). Prominente Beispiele für AM sind einfache Funksteckdosen aus dem Baumarkt für den Wohnraum. Die FM ist deutlich kostenintensiver und wird beispielsweise in der Fernsteuerung von Robotern verwendet. Weiterhin sind die Aspekte Beschränkungen durch die Bundesnetzagentur und Störpotenzial zu betrachten. Wenn Funksysteme das 433-MHz-Frequenzband nutzen, gibt es keine Beschränkungen auf die es zu Achten gilt. Die Funksignale können kontinuierlich übertragen werden. Das bedeutet allerdings auch, dass es dadurch zu einem größeren Störpotenzial bei der Nutzung kommen kann. Um eine sichere Übertragung gewährleisten zu können, muss entweder mit kurzen Reichweiten ausgekommen werden oder eine leistungsfähige Kanalkodierung erstellt werden. Unter Umständen bietet auch der Hersteller auch bereits Möglichkeiten im Bereich der Sicherheit [2, S. 52-53].

868-MHz-Band

Für das 868-MHz Band gibt es in der Welt der Elektro- und Informationstechnik eine Vielzahl an Anwendungsfällen, in welchen die Technologie zum Einsatz kommt. Darunter sind unter anderem alltägliche und einfache Geräte zu nennen wie Alarmanlagen, Wetterstationen oder Garagentorsteuerungen. Auch die meisten Hersteller von Smart Home Produkten verwenden den Standard, weil die Nutzung lizenzkostenfrei ist. Es bestehen allerdings dafür einige Restriktionen, die bei der Benutzung des Bandes zu beachten sind: während beim 433-MHz-Band die Anzahl der Vorschriften recht gering ausfallen, gibt es beim 868-MHz-Band eine recht strenge Regulierung seitens der Bundesnetzagentur. Um beispielhaft an dieser Stelle einen Auszug aus den Auflagen der Bundesnetzagentur zu geben, sind nachfolgend zwei Auflagen aufgeführt: die erste Auflage für ein Funkgerät im 868-MHz-Band ist die Begrenzung der Sendeleistung auf 25 Milliwatt (mW) und einen maximalen Arbeitszyklus von einem Prozent. Konkret bedeutet das für ein Funkgerät, dass es in der Summe pro Stunde 36 Sekunden Signale senden darf. Innerhalb der Betrachtung des Smart Home Bereichs ist diese Sendezeit für ein Gerät ausreichend – für andere Anwendungsfälle kann dies aber nicht der Fall sein. Mit dieser geringen Sendezeit lassen sich beispielsweise keine Audio- oder Bildübertragungen durchführen. Daher wird für diese Anwendungszwecke eine höheres Frequenzband wie z.B. 2400 MHz herangezogen. Auf einer solchen Frequenz arbeiten beispielsweise bekannte Technologien wie WLAN oder Bluetooth zur Audio- und Bildübertragung. Ein weiterer Aspekt ist die Anfälligkeit für Störungen. Damit es nicht zu Störungen wie beim 433-MHz-Band kommt, ist das 868-MHz-Band in mehrere Bereiche unterteilt, wie sich in Abbildung 2 erkennen lässt. Den jeweiligen Bereichen sind sogenannte „Duty Circles“ zugeordnet. Diese Duty Circles entsprechen verschiedenen Einsatzzwecken und sorgen dafür dass nur eine bestimmte Höhe des Funkverkehrs im Bereich vorherrscht. Zwar ist die Störungsanfälligkeit damit etwas gesenkt, aber eine Übertragunssicherheit- und leistung von 100% kann trotzdem nicht erreicht werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3 - Frequenzband im 868-MHz-Bereich [2, S. 53]

Weiterhin – und das ist für den Kontext dieser Arbeit von größerer Bedeutung – wird das 868-MHz-ISM-Band auch als physikalische Schicht bzw. Grundlage für höherwertige prominente Funkstandards wie Zig Bee, Z-Wave, HomeMatic, EnOcean oder KNX-RF verwendet. Das 868-MHz-Band bietet sich als gute Grundlage zur Darstellung der physikalischen und Sicherungsschicht an, worauf nachfolgend die genannten Protokoll-Standards aufsetzen. Diese werden in Kapitel 3.4 einer näheren Betrachtung unterzogen und detaillierter erläutert.

[...]


[1] Die Abkürzung ISM entspricht „Industrial“, „Scientific“ und „Medical“

Details

Seiten
31
Jahr
2018
ISBN (eBook)
9783668691551
ISBN (Buch)
9783668691568
Dateigröße
907 KB
Sprache
Deutsch
Katalognummer
v423595
Institution / Hochschule
Nordakademie Hochschule der Wirtschaft in Elmshorn
Note
1,0
Schlagworte
Smart-Home Smart-Home Funkstandards Funkstandards ZigBee Z-Wave EnOcean Funksysteme Funksysteme Smart Home Funkstandard IEEE 802.15.4 Funkkommunikation Funkkommunikation Smart-Home DECT QIVICON Home Matic BidCoS Übersicht Funksysteme Zig-Bee 433-Mhz-Band 868-MHz-Band

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