Drahtlose Smart-Home-Systeme für Privathaushalte zur Steuerung von elektrischen Verbrauchern. Systemevaluierung und Wirtschaftlichkeitsanalyse


Bachelorarbeit, 2014
83 Seiten, Note: 2,0

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

1 Einleitung
1.1 Problemstellung
1.2 Zielsetzung
1.3 Abgrenzung
1.4 Gliederung und Vorgehensweise

2 Betriebszustand Standby
2.1 Begriffsdefinition
2.2 Ökodesign-Richtlinie

3 Smart-Home
3.1 Begriffsdefinition
3.2 Historie
3.3 Systemarchitektur
3.4 Systemstruktur
3.5 Aktueller Stand

4 Funkübertragungstechnik
4.1 Grundlagen
4.2 Frequenzbänder
4.3 Biotische Wirkung von Funkwellen

5 Vergleich der Funk-Protokolle
5.1 ZigBee
5.1.1 Signalübertragung
5.1.2 Topologie
5.1.3 Kompatibilität
5.1.4 Energieverbrauch
5.1.5 Datensicherheit
5.1.6 Dokumentation
5.2 Z-Wave
5.2.1 Signalübertragung
5.2.2 Topologie
5.2.3 Kompatibilität
5.2.4 Energieverbrauch
5.2.5 Datensicherheit
5.2.6 Dokumentation
5.3 EnOcean
5.3.1 Signalübertragung
5.3.2 Topologie
5.3.3 Kompatibilität
5.3.4 Energieverbrauch
5.3.5 Datensicherheit
5.3.6 Dokumentation
5.4 KNX-RF
5.4.1 Signalübertragung
5.4.2 Topologie
5.4.3 Kompatibilität
5.4.4 Energieverbrauch
5.4.5 Datensicherheit
5.4.6 Dokumentation

6 Nutzwertanalyse
6.1 Vorgehensweise
6.2 Erläuterung zu den Protokolleigenschaften
6.3 Gewichtung
6.4 Auswertung

7 Marktrecherche
7.1 Komponenten
7.2 Hersteller
7.3 Auswertung

8 Wirtschaftlichkeitsanalyse
8.1 Umfeldanalyse
8.2 Standby-Verbrauch im Haushalt
8.3 Wirtschaftlichkeitsberechnung

9 Fazit

10 Literaturverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildungsverzeichnis

1 Smart-Home Domänen

2 Technikwandel der Gebäudeautomation

3 Smart-Home Architektur

4 Architektur der Gebäudeautomation

5 Zentrales System

6 Dezentrales System

7 Halbdezentrales System

8 Allgemeine Struktur der Gebäudeautomation

9 Reflexion und Dämpfungswerte von Funkwellen

10 Destruktive Interferenz und Beugung von Funkwellen

11 Absorptionsverhalten des menschlichen Körpers

12 ZigBee Topologien

13 Zusammensetzung der ZigBee-Profile

14 Energieverbrauch batteriebetriebener ZigBee-Geräte .

15 Übertragungswahrscheinlichkeit EnOcean

16 Topologie EnOcean

17 EnOcean Security Level

18 Gesamte KNX-Topologie

19 Interworking-Modell KNX

20 Nachfrageorientierte Attraktivität Smart-Home-Bereiche

21 Hemmnisse für die Nutzung von Smart-Home-Technologien .

Tabellenverzeichnis

1 Leitungsflussdichten verschiedener Techniken im Vergleich

2 Nutzwertanalyse der Funkprotokolle

3 Marktrecherche EnOcean-Systeme

4 Ermittelte Standby-Verbrauchswerte

5 Wirtschaftlichkeitsrechnung für die eingesetzte Smart-Home-Technik .

1 Einleitung

1.1 Problemstellung

Seit dem Jahr 2000 haben sich die Stromkosten maßgeblich durch höhere Abgaben und Steuern, deren Anteil aktuell rund 52% des Strompreises beträgt, nahezu verdop- pelt.1,2 Trotzdem lag der Standby-Verbrauch von Geräten im Jahr 2008 bei rund 22 Milliarden Kilowattstunden (kWh), was der Leistung eines Großkraftwerkes entspricht und die Verbraucher zum damaligen Zeitpunkt rund 1,2 Milliarden Euro gekostet hat.3 Diese Energie ist verschwendet worden. Aus ökologischer und ökonomischer Sicht sollte daher der Verbrauch reduziert bzw. am besten ganz vermieden werden.Zwar wurde von der Europäischen Union die Verordnung 1275/2008 erlassen, nach der die Hersteller den Standby-Verbrauch reduzieren müssen, trotzdem bleibt ein geringer Leerlaufverlust vorhanden, der sich mit der Anzahl der Geräte summiert. Zusätzlich sind von dieser Verordnung Geräte ausgenommen, die neben der Einschaltbereitschaft weitere Funktionen wie z.B. die Kommunikation über eine Netzwerkschnittstelle während des Standby-Betriebs ermöglichen. Vor dem Hintergrund, dass alle aktuellen Energiestudien in den nächsten Jahren steigende Strompreise prognostizieren (Vgl.Kapitel 8.1 auf Seite 54), scheint dies besonders sinnvoll.

Ein weiterer Grund ist die von der Bundesregierung vorangetriebene Energiewende. Ziele sind unter anderem eine Reduktion der Treibhausgasemissionen sowie die Steigerung der Energieeffizienz.4 Diese Ziele werden durch die Reduzierung des Standby-Verbrauchs ebenfalls gestützt.

Moderne funkbasierte Smart-Home-Systeme ermöglichen die komfortable Abschal-tung dieser Standby-Verbraucher und lassen sich in jedem Haushalt mit geringem Aufwand nachrüsten. Der Smart-Home-Markt ist jedoch aufgrund zahlreicher Fak-toren sehr unübersichtlich und komplex. Die Funkprotokolle sind untereinander unzureichend oder gar nicht kompatibel. Ein Protokoll deckt meist nicht alle An- forderungen der Verbraucher an ein Smart-Home ab, was wiederum den Einsatz mehrerer Systeme impliziert. Zusätzlich werden die hohen Sicherheitsforderungen seitens der Verbraucher, aber auch bedingt durch das Einsatzszenario, nicht von allen Smart-Home-Funkstandards erfüllt. Diese Darstellung spiegelt die Tatsache wider, dass aktuell keine Norm für Smart-Home-Geräte existiert, an der sich die Hersteller orientieren können. Diese ist jedoch in der Ausarbeitung und soll Ende 2014 veröffentlicht werden.

1.2 Zielsetzung

Das Ziel dieser Abhandlung ist, den geeignetsten Smart-Home-Funkstandard für privat genutzte Wohnbereiche zu ermitteln und darauf aufbauend zu analysieren, obsich Investitionen in ein Smart-Home-System aus wirtschaftlicher Sicht rentieren.

1.3 Abgrenzung

In dieser Arbeit werden ausschließlich standardisierte nicht proprietäre Smart-Home- Protokolle analysiert. Dazu zählen auch Standards, die von Drittherstellern gegen eine Nutzungsgebühr implementiert werden können. Die Protokolle stellen eine Auswahl dar und umfassen nicht alle am Markt befindlichen Standards. Zusätzlich werden ausschließlich funkbasierte Standards analysiert, da darauf basierende Systeme sich in jedem beliebigen Haushalt bzw. Elektroinstallation nachträglich integrieren lassen. Alle Analysen erfolgen aus der Sicht von Privathaushalten. Ein direkter Transfer auf den geschäftlichen Bereich ist nur eingeschränkt möglich.

Die möglichen Folgen, die durch die Abschaltung der Geräte entstehen, z.B. eine Verkürzung der Lebensdauer der Bauteile oder der Verlust der Gerätekonfiguration durch die Trennung vom Stromnetz, fließen nicht in die Analyse und Bewertungein.

1.4 Gliederung und Vorgehensweise

Die Bachelorarbeit ist viergeteilt. Der erste Teil behandelt die Grundlagen. Dar- in wird auf das Thema Smart-Home, den Standby-Modus von Geräten sowie die Funkübertragungstechnik im Allgemeinen eingegangen. Daran schließt sich auf Basis einer Literaturrecherche die Analyse der ausgewählten Smart-Home-Funkprotokollean. Anhand der Analyse der Funkprotokolle wird nachfolgend eine Nutzwertanalyse durchgeführt. Diese hat das Ziel, das Protokoll mit dem besten Nutzen aus Sicht eines Privathaushalts zu ermitteln. Im dritten Teil der Thesis wird auf dieser Grund-lage eine Marktrecherche durchgeführt und ein entsprechendes System ausgewählt.

Mittels einer Wirtschaftlichkeitsanalyse wird im letzten Kapitel evaluiert, obsich das ausgewählte System amortisiert und wie hoch das Einsparpotenzial ist.

2 Betriebszustand Standby

In diesem Kapitel wird der Standby-Modus von Geräten, wie er im weiteren Verlauf der Arbeit verwendet wird, definiert.

2.1 Begriffsdefinition

Der Begriff, beschreibt einen Betriebsmodus eines elektrischen Gerätes, der einen reduzierten Funktionsumfang aufweist, um Energie einzusparen.5 Standby (Bereit- schaftsmodus) bzw. die in diesem Betriebszustand zur Verfügung gestellten Funktio-nen sind nicht genormt. In einer Studie des Fraunhofer Institut für Systemtechnik und Innovationsforschung (ISI) wurde festgestellt, dass nationale wie internationale Gremien unterschiedliche Maßstäbe anlegen.6

2.2 Ökodesign-Richtlinie

Dieser Bachelorarbeit wird die Definition der Europäischen Kommission aus der Ökodesign-Richtlinie 1275/2008 zugrunde gelegt. Die Richtlinie verpflichtete die Hersteller, den Energieverbrauch von Geräten im Standby-Modus zu reduzieren. Sie sollte den hohen Stromverbrauch (Leerlaufstrom) von Geräten, die am Netz sind, jedoch keine Leistung erbringen, reduzieren.7

Nach dieser Vorgabe muss das Gerät an das reguläre Stromnetz angeschlossen sein und darf weder batteriebetrieben noch von einer anderen Quelle gespeist werden. Weiterhin wird eine Leuchtdiode, die den Betriebszustand anzeigt, in keinem der Modi als Funktion gewertet.8 Werden im Standby weitere Funktionen bereitgestellt, beispielsweise das Einschalten über das Netzwerk, ist dieser Betriebszustand nicht dem Standby-Modus zuzurechnen. Insgesamt sind drei Betriebszustände definiert:9

- On-Mode - Es werden alle Funktionen zur Verfügung gestellt.
- Off-Mode - Über einen Schalter am Gerät selbst ist es möglich, die Betriebsmodi zu wechseln. Weitere Funktionen werden nicht unterstützt.
- Standby - Es ist ausschließlich der Wechsel der Betriebsmodi am Gerät selbst oder mit einer Fernbedienung möglich. Zusätzlich kann ein Display weitere Informationen anzeigen.

3 Smart-Home

In diesem Kapitel wird der Begriff Smart-Home, die Entwicklung als auch der technische Hintergrund erläutert. Das Kapitel endet mit der Schilderung des aktuellen Sachstandes.

3.1 Begriffsdefinition

Der Begriff Smart-Home setzt sich aus smart (englisch: clever, intelligent, klug) und home (englisch: Wohnung, Eigenheim, Haus) zusammen. Er beschreibt einen privat genutzten Wohn- oder Arbeitsbereich, der durch technische Installationen eine Intelligenz aufweist und dadurch die Wohnqualität verbessern soll.10

Der Begriff wird synonym mit "Connected Home", "Smart House", "E-Home"und "intelligentem Wohnen", "Heim- Raum- oder Hausautomation" sowie etlichen weite- ren Bezeichnungen verwendet.11,12,13,14,15 Dies sind Oberbegriffe für Konzepte um „...Bewohnern Systeme zur Verfügung zu stellen, die ihre individuellen Bedürfnisse nach Komfort, Sicherheit und Energieeffizienz befriedigen.“16 Eine genormte allge- meingültige Begriffsbestimmung gibt es noch nicht, jedoch muss Smart-Home von Smart-Building bzw. Intelligentes Gebäude unterschieden werden. Smart-Buildings sind Zweckgebäude, die einen funktionalen Sinn haben wie z.B. Krankenhäuser,öffentliche Gebäude oder Altenheime. Bei diesen Gebäuden steht der betriebswirt- schaftliche Aspekt im Vordergrund. Bei Smart-Home steht ein privat genutzter Wohnbereich bzw. der Nutzer im Fokus.17

Einem Smart-Home wird Technik zugeordnet, die die Bedürfnisse der Anwender über Schnittstellen erfasst, die gewonnenen Daten im optimalen Fall mit Informationen von weiteren vernetzten Systemen ergänzt, diese Daten auswertet und daraufhin Entscheidungen trifft bzw. Aktionen ausführt.18 Ein Beispiel: Es ist Winter, der letzte Bewohner verlässt das Haus und schließt die Haustür ab. Das Smart-Home erkennt dies über das digitale Türschloss, das diese Information übermittelt. Daraufhin wird die Heizung im Haus auf die Absenktemperatur geregelt und die Jalousien heruntergefahren, um Energie einzusparen. Zusätzlich werden sämtliche Steckdosen,die vorher von dem Anwender konfiguriert wurden, vom Stromnetz getrennt um, den Standby-Verbrauch zu minimieren bzw. ganz zu vermeiden. Bei diesem Beispiel arbeiten mehrere Systeme zusammen. Das Smart-Home ist also nicht ein Gerät oder ein System, sondern ein Systemverbund.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Quelle: Entnommen aus: Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik e.V. 2013 Abbildung 1: Smart-Home Domänen

Der Verband der Elektrotechnik und Elektronik Informationstechnik e.V. (VDE) hat im Auftrag des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi) eine Normungs-Roadmap für Smart-Home erstellt, in der die zukünftigen Rahmenbe- dingungen der Norm skizziert sind. Ende 2014 soll eine überarbeitete Version der Roadmap erscheinen, auf der die Norm basieren wird. Das Ziel ist es „... eine internationale Standardfamilie zu schaffen und zu unterhalten, die die nachhalti- ge Entwicklung von interoperablen, sicheren, portablen und wieder verwendbaren Anwendungen und Diensten in der Heimumgebung ermöglicht .“19 Nach diesem Dokument werden die Teilsysteme eines Smart-Homes, wie in Abbildung 1 ersichtlich,einer der fünf Anwendungsgruppen (auch Smart-Home Domänen) Energiemana- gement, Entertainment & Kommunikation sowie Gesundheit\Ambient Assisted Li- ving (AAL)\Wellness, Sicherheit und Smart-Home Infrastruktur\Gebäudeautomation zugeordnet.

Auf Basis der Smart-Home Infrastruktur können die Geräte innerhalb und je nach Konfiguration auch domänenübergreifend kommunizieren. Das vorangegangene Bei-spiel lässt sich klar dem Energiemanagement zuordnen, da hier die Energieverwaltung im Vordergrund steht.

Die Systeme, die Funktionen für die genannten Smart-Home Domänen bereitstellen, lassen sich in gebäude- und nutzerbezogene Teilsysteme gruppieren.20 Auch hier gibt es noch keine eindeutige Normung oder Definition. Die Übergänge zwischen den beiden Gruppen sind fließend. Während eine Studie im Auftrag des BMWi die Konsumelektronik und Kommunikationsgeräte den nutzerbezogenen Funktionen zurechnet,21 sind Multimediafunktionen (Konsumelektronik) und Netzwerktechnik (Kommunikationsgeräte), wie alle anderen gebäudebezogenen Systeme auch, Bestandteile der Gebäudeautomation.22,23

Da Gebäudeautomation und Gebäudesystemtechnik oft gleichbedeutend verwendet wird, soll dies definiert und abgegrenzt werden.24 Nach dem Verein Deutscher In- genieure (VDI) ist die Gebäudeautomation „...die digitale Mess-, Steuer-, Regel-, und Leittechnik für die technische Gebäudeausrüstung.“25 Sie umfasst damit die gesamte Steuerung, Regelung und Visualisierung des Gebäudes, verbindet die ein-zelnen Gewerke informationstechnisch und ermöglicht eine zentrale Steuerung bzw. Visualisierung.26 Dabei ist das eingesetzte System bzw. die Topologie nicht relevant. Zwar können die Systeme der einzelnen Gewerke auch unabhängig voneinander betrieben werden und verfügen über eine eigene Intelligenz, das volle Potenzial der Technik wird aber erst durch die Vernetzung bzw. eine übergeordnete Managemen-tebene ausgeschöpft. Beispielsweise regelt die Heizungssteuerung die Temperatur im gesamten Gebäude automatisch, indem sie die aktuellen Raumtemperaturen über Sensoren ermittelt und die Heizkörper in den jeweiligen Räumen steuert. Erhält sie von anderen Systemen aber zusätzliche Informationen z.B. über geöffnete Fenster oder in welchen Räumen sich aktuell Bewohner befinden, können diese Informationen bei der Entscheidungsfindung berücksichtigt werden.

Die Gebäudesystemtechnik beschreibt die Vernetzung von intelligenten System-komponenten und Teilnehmern, die miteinander direkt über einen Installationsbus kommunizieren können.27

Daraus folgt, dass die Gebäudesystemtechnik ein Ausschnitt der Gebäudeautomation darstellt. Sie arbeitet lokal als Raumautomation, ohne dass eine zentrale übergrei-fende Steuerung der Gewerke Voraussetzung ist. Beispielsweise kann über einen Präsenzmelder die Heizung herunter geregelt und das Licht ausgeschaltet werden, sobald niemand mehr im Raum ist.28 Die Intelligenz ist bei dem Beispiel auf die einzelnen Komponenten der Raumsteuerung verteilt und sie kommunizieren gewerke-übergreifend direkt miteinander.

Als Fazit lässt sich festhalten, dass Smart-Home ein Oberbegriff für ein an den Bedürfnissen der Bewohner angepasstes technisch unterstütztes Wohnen ist. Die Gebäudeautomation ist dabei als ein Teil des Smart-Home zu verstehen. Das intelli-gente Heim generiert den Mehrwert durch die verteilte Intelligenz. Auch autonome Systeme erhöhen den Komfort oder tragen zur Senkung des Energieverbrauchs bei.

Werden die Systeme vernetzt, entfalten sie ihr volles Potenzial. Sie erhalten Zugriff auf die Informationen, die andere Systeme gesammelt haben und können diese Daten in die Entscheidungsfindung mit einfließen lassen.

3.2 Historie

Die Idee von intelligenten Geräten gibt es schon seit mehr als 50 Jahren. Bereits 1966 entwickelte ein amerikanischer Ingenieur den sogenannten Electronic Computing Home Operator (ECHO) IV. Der Computer unterstützte damals schon Funktionen der heutigen Smart-Home-Technik. Beispielsweise ließ sich über den Computer die Temperatur im Haus kontrollieren, Geräte ferngesteuert an- und ausschalten und das Wetter vorhersagen.29

Vernetzt wurden Haushaltsgeräte zum ersten Mal 1984 im Rahmen des XANADU Projektes, als die Entwicklung von Computern voranschritt.30 Der Dienst TeleCare, der erstmals 1999 eingeführt wurde, ermöglichte eine Fernpflege via Kommunika-tionstechnologie. So konnten Senioren länger in ihrem vertrautem Umfeld bleiben, ohne dass eine Pflegekraft ständig vor Ort sein musste.31 Ähnliche Dienste werden auch heute angeboten und sind der Smart-Home Domäne AAL\Gesundheit zuzuord-nen. Im Jahr 2000 wurde von Electrolux der erste vernetzte Kühlschrank in einem Pilotprojekt getestet. Auf dem Display des Gerätes konnten die Anwender Fernsehen schauen, ihre E-Mails lesen oder im Internet surfen.32

Aktuell befindet sich der Smart-Home Markt im Bereich Haushaltsgeräte stark im Wachstum. Etliche große internationale Haushaltsgerätehersteller wie z.B. Miele, der Zusammenschluss Bosch und Siemens GmbH bieten vernetzte Geräte und zugehörige Smartphone-Programme (Apps) zur Steuerung der Haushaltsgeräte an.33,34 Auch große Smartphone Hersteller wie Google und Apple erweitern ihr Portfolio. Apple bietet mit dem kürzlich erschienen Software Development Kit in der Version 8 die Möglichkeit „...einzelne Geräte oder Geräte-Gruppen im gesamten Haus einfach zu bedienen ... “35. Google tätigte im letzten Jahr den zweitteuersten Zukauf der Firmengeschichte, indem das Unternehmen die Firma NEST, die intelligente vernetzte Feuermelder und Thermostate herstellt, aufkaufte. Dies zeigt, welches Potenzial Google in dem Smart-Home-Markt sieht.36

Auf dem Gebiet der Gebäudeautomation wurden beginnend in den 1960er Jahren Komponenten entwickelt, mit denen es möglich war, Klima- oder Lüftungsanlagen zu steuern. Die erforderlichen Komponenten wurden zentral über einen Leitrech-ner zusammengeschaltet und verwaltet. Daher wurde diese Technik auch Zentrale Leittechnik (ZLT) genannt. Sie wurde vornehmlich in Zweckgebäuden eingesetzt.37 Als Anfang der 1980er Jahre leistungsfähigere Mikroprozessoren verfügbar waren, wurden die Regelungsaufgaben dezentralisiert und mit Hilfe sogenannter Direct-Digital-Control-Bausteine (DDC) an die Anlagentechnik vor Ort ausgelagert. Dadurch entfiel die bis dahin notwendige, umfangreiche und kostenintensive Leitungsverlegung zum Leitrechner.38 Die frei programmierbaren DDC-Elemente verfügten über Ein- und Ausgabeschnittstellen für Sensoren, Aktoren und weitere Schaltelemente. Der Controller konnte eigenständig Programme ausführen, ohne mit dem Leitrechner in Verbindung treten zu müssen.39 Mit dem weiteren Voranschreiten der Entwick- lung konnten Anfang der 1990er Jahre weitere Funktionen dezentralisiert werden.Möglich machten dies wiederum kleinere Chips, die über mehr Leistung verfügten.Die Mikrocomputer waren nun intelligent und konnten über ein Businterface mit anderen Teilnehmern kommunizieren. Mit den später eingeführten offenen, herstelle-runabhängigen Protokollen und Kommunikationssystemen war es möglich, Geräte verschiedener Hersteller einzusetzen. Damit setzte sich die Technik auch im privat genutzten Wohnbereich durch.40,41

Der technologische Wandel sowie die damit einhergehende Dezentralisierung ist schematisch in Abbildung 2 dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Quelle: Entnommen aus: Merz, Hansemann und Hübner 2010

Abbildung 2: Technikwandel der Gebäudeautomation

Auf dem Markt befinden sich aktuell viele Hersteller, die Systeme zur Gebäudeau-tomation für Privathaushalte anbieten. Dies schließt z.B. Systeme zur Steuerung elektrischer Verbraucher sowie der Heizung ein.42,43

Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass die 50 Jahre alten Vorstellungen von vernetzten Geräten beim Verbraucher angekommen sind. Viele große Hersteller bieten entsprechende Geräte an oder unterstützen die Ansteuerung. Auch die Gebäudeauto-mation hat den Weg von Zweckbauten in den privaten Wohnbereich gefunden.

3.3 Systemarchitektur

Die Kenntnis der Systemarchitektur ist für das Verständnis des Gesamtsystems unerlässlich. Deswegen wird im nachfolgenden Abschnitt das Smart-Home- sowie das Gebäudeautomations-Modell erläutert. Wie in Abschnitt 3.1 auf Seite 4 dargestellt,ist die Gebäudeautomation ein Teil des Smart-Home-Systems, daher werden beide Architekturen vorgestellt.

Die zukünftige Smart-Home-Architektur soll sich nach der Normungs-Roadmap des VDE an dem Smart Grid Architecture Model (SMGA) orientieren, weil die Struktur sehr allgemein gehalten ist und eine Aufteilung nach Funktionalität, Komplexität und Einsatzbereich erlaubt. Ein Hauptmerkmal des SMGA ist die funktionale Syste- marchitektur. Das Gesamtsystem wird über die einzelnen Funktionen, die es erfüllen muss, abgebildet. Diese Funktionen werden wiederum über Anforderungen definiert, die mittels Anwendungsfällen (Use-Cases) ermittelt werden.44,45

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Quelle: Entnommen aus: Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik e.V. 2013

Abbildung 3: Smart-Home Architektur

Das Smart-Home-Modell ist, wie in Abbildung 3 ersichtlich, in fünf Abstraktionsebe- nen unterteilt. Diese Ebenen lassen sich wiederum in die fünf Smart-Home Domänen sowie die ebenen-spezifischen Smart-Home-Zonen (Geräte, Interfaces, Steuerung,Zugang, Übertragung) strukturieren.

Der untersten Ebene sind alle physisch vorhandenen Komponenten zuzuordnen. Dar- über folgt die Schnittstellen- bzw. Protokoll-Ebene, über die die Komponenten Daten austauschen können. Die Datenmodell-Ebene beschreibt, welche Datenobjekte ausge- tauscht werden. Die Ermittlung, welche Daten der Kommunikationspartner benötigt, erfolgt in der Use-Case-Ebene. Aus dem Anwendungsfall ergeben sich die benötigten Funktionen. Dieser eine Use-Case gliedert sich wiederum in ein Gesamtsystem ein, was über die Applikationsebene repräsentiert wird.46

Die Zonen trennen Funktionalitäten von der Umwelt ab. Damit ist es möglich,Prozesse dezidiert zu modellieren. Beispielsweise lässt sich so die Übertragung der Daten von der Steuerung abgrenzen und jeder Prozess einzeln betrachten.47,48

Der Gebäudeautomation liegt, wie in dem eben dargestellten Smart-Home-Modell auch, eine in Ebenen separierte Architektur zugrunde. Diese teilt sich, wie in Abbil-dung 4 ersichtlich, in drei Ebenen auf.

Die Feldbusebene besteht aus den Feldgeräten, den Sensoren, Aktoren und Sys- temkomponenten, sowie dem Feldbus, der die Feldgeräte miteinander verbindet.Die Sensoren, z.B. Taster, Bewegungs- oder Rauchmelder, wandeln die gemessenen physikalischen Zustände in elektrische Signale um. Diese Daten können über den gemeinsamen Kommunikationskanal, den Feldbus, anderen Geräten zur Verfügung gestellt werden.49 Der Feldbus ist ein eigenständiges System, das die Übertragung

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Quelle: Entnommen aus: Aschendorf 2014

Abbildung 4: Architektur der Gebäudeautomation

von Daten zwischen zwei Teilnehmern an einem gemeinsamen Übertragungsmedium ermöglicht. Angebundene Feldgeräte übermitteln die zu übertragenden Daten an das Bussystem, das wiederum die Information an den Feldempfänger weiterleitet. Dies kann ein Aktor sein, der die empfangenen Befehle, z.B. Strom auf einer Steckdose zuschalten, umsetzt. Die Kommunikation zwischen den Busteilnehmern kann dabei horizontal, das heißt zwischen Teilnehmern einer Ebene, und vertikal zwischen Teilnehmern verschiedener Ebenen stattfinden.50

Es ist jedoch auch möglich, dass kein Bussystem benötigt wird. Das ist der Fall, wenn sich Sensor und Aktor auf einem DDC-Baustein befinden, z.B. ein Bewegungsmelder (Sensor) in dem ein Schaltaktor integriert ist. Daraus folgt, dass sich mit Feldgeräten einfache lokale Schaltungen wie z.B. Beleuchtungs- oder Jalousiesteuerungen realisie-ren lassen. Diese Schaltungen können wie in Abschnitt 3.1 auf Seite 4 erläutert der Gebäudesystemtechnik zugerechnet werden.

Die Automatisierungsebene ist der Logikbaustein der Gebäudeautomation. Sie hat die Aufgabe, ankommende Daten von der Feldebene unter Berücksichtigung von Vorgaben aus der Managementebene auszuwerten, um einen bestimmten Prozess zu steuern.51 Mit Hilfe von Komponenten, die eine Regelung und Steuerung- bzw. Zeitsteuerung ermöglichen, können somit auch komplexere Szenarien abgebildet werden, beispielsweise das wetterabhängige Gießen des Gartens.52

Die oberste Ebene ist die Leitebene (auch Managementebene). Hier laufen alle Informationen zusammen. Es werden die Prozesse des Gebäudes visualisiert, bedient und Störungsmeldungen ausgegeben.53

Beide Modelle sind vom Grundgedanken ähnlich. Sie teilen das System in mehrere Ebenen ein, verringern die Komplexität und ermöglichen somit eine prozessbezogene Betrachtung. Zwar ist das Smart-Home-Modell detaillierter und trennt mittels der Zonen die Funktionalitäten von der Umwelt ab, jedoch lassen sich zu jeder Schicht der Gebäudeautomation vergleichbare Ebenen im Smart-Home-Modell finden. Die Feldbus- entspricht der Komponentenebene, die Automatisierungs- der Use-Case-Ebene und die Leit- der Applikationsebene. Jedoch ist zu beachten, dass das Smart-Home-Modell noch nicht abschließend standardisiert ist.

3.4 Systemstruktur

Die Systeme der Gebäudeautomation werden nach der Systemstruktur unterschie-den. Diese Strukturierung lässt sich auf Smart-Home-Systeme übertragen und soll nachfolgend beschrieben werden.

Generell wird zwischen zentralen, dezentralen und halbdezentralen Systemen un-terschieden. Die Einteilung richtet sich danach, ob die Systeme ohne eine Zentrale ihre Funktion erfüllen können. Sie haben je nach Struktur unterschiedliche Vor- und Nachteile. Dabei ist unerheblich, über welches Medium die Kommunikation erfolgt.54

Bei einem zentralen System ist, wie in Abbildung 5 auf der nächsten Seite ersichtlich,ein zentrales Steuerungs-Element (Controller) vorhanden, an dem die Sensoren und Aktoren angebunden sind.55 Erfolgt über einen Sensor eine Meldung, wird diese an die Zentrale geschickt. Dort werden die Daten ausgewertet und gegebenenfalls ein Aktor angesteuert.

Der Vorteil liegt darin, dass der Zentrale zu jeder Zeit alle Zustände vorliegen. Zusätzlich lassen sich auch Abläufe abbilden, ohne dass die Sensoren eine Aktion auslösen. Dies kann von der Zentrale gesteuert werden. Außerdem ist die Konfiguration vereinfacht, da nur Änderungen an der Zentrale vorgenommen werden müssen.Nachteilig ist, dass bei dem Ausfall der Zentrale das Gesamtsystem ohne Funktion ist.56

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Quelle: Entnommen aus: Aschendorf 2014

Abbildung 5: Zentrales System

Das in Abbildung 6 dargestellte dezentrale System kennzeichnet, dass die Intelligenz auf die angebundenen Komponenten verteilt ist. Jedes Gerät verfügt über mindestens einen Mikroprozessor, um die Informationen auszuwerten und eine Kommunikations-schnittstelle, um Daten an Aktoren versenden zu können.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Quelle: Entnommen aus: Aschendorf 2014

Abbildung 6: Dezentrales System

Die dezentralen Systeme lassen sich darum, wie in Abschnitt 3.1 auf Seite 4 erläutert, der Gebäudesystemtechnik zurechnen. Positiv ist bei dieser Topologie hervorzuheben,dass es kein zentrales Element gibt, das das gesamte System lahmlegen könnte.

Andererseits ist die Konfiguration aufwendiger, da jeder Sensor oder Aktor einzeln administriert werden muss. Zusätzlich sind die Kosten pro Komponente höher, da im Vergleich zu zentralen Systemen die Komponenten über mehr Funktionen verfügen müssen und damit mehr Mikroprozessoren erforderlich sind.57

Das in Abbildung 7 dargestellte halbdezentrale System kombiniert die positiven Eigenschaften der zentralen und dezentralen Variante, indem die Sensoren und Aktoren z.B. funktionsbezogen oder etagenweise einem Controller zugeordnet wer-den und die Controller untereinander vernetzt sind. Zum Beispiel ist es möglich,

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Quelle: Entnommen aus: Aschendorf 2014

Abbildung 7: Halbdezentrales System

für die Jalousiesteuerung einen Controller einzusetzen und einen weiteren für die Schaltung der elektrischen Verbraucher im Haus.58 Fällt ein Controller aus, sind andere Systemteile nicht beeinträchtigt. Außerdem können die Controller unterein-ander Daten austauschen und verfügen somit wie beim zentralen System über alle Informationen.

Zusammenfassend verfügt jedes System über verschiedene Vor- und Nachteile. Es ist bei der Auswahl eines Systems daher wichtig, welche Anforderungen z.B. an die Systemstabilität oder Ausfallsicherheit gestellt werden.

Außerdem gilt es zu prüfen, ob nachträglich durch die Installation weiterer Kom-ponenten die Struktur geändert werden kann. Zwar beziehen sich die Grafiken und Quellen auf die Gebäudeautomation, jedoch kann die Struktur bzw. die daraus folgenden Vor- und Nachteile ebenso auf Smart-Home-Geräte übertragen werden.

3.5 Aktueller Stand

In diesem Abschnitt soll der aktuelle Entwicklungsstand sowie Sicherheitsaspekte zum Thema Smart-Home betrachtet werden.

Aktuell gibt es eine Vielzahl von Herstellern, die Smart-Home-Systeme bzw. Systeme zur Gebäudeautomation anbieten. Allein im Bereich Gebäudeautomation gibt es rund 100 verschiedene Systeme. In der Summe lassen sich damit alle Anforderungen,die der Verbraucher an ein Smart-Home hat, abdecken. Jedoch ist ein Großteil der Systeme gar nicht oder unzureichend kompatibel zu anderen Systemen. Teils werden von System A nicht alle Funktionen abgedeckt, die ein Hausbesitzer benötigt, so dass der Anwender gezwungen ist, mehrere Insellösungen parallel zu betreiben oder zusätzliche Schnittstellen (Gateways) zwischen den Systemen zu installieren.59,60 Die Gateways fungieren dabei als Übersetzer zwischen den verschiedenen Protokol- len der Insellösungen und ermöglichen es, die Schwachstellen von System A durch System B zu beheben. Dies wiederum erfordert ein umfassendes Wissen über die am Markt verfügbaren Systeme, deren Kompatibilität und Schwächen.61

Darum wird vom VDE eine Standardisierung vorangetrieben, die eine Kompatibilität zwischen allen Systemen ermöglichen soll.62 Zurzeit befindet sich dieser Standard aber noch in einer frühen Entwicklungsphase. Zusätzlich erschwert das breite Anwendungs-spektrum von Smart-Home, zu dem aktuell über 100 verschiedene Normen zählen, eine Harmonisierung.63 In der Ende 2014 erscheinenden überarbeiteten Version der Normungs-Roadmap sollen z.B. offene Punkte wie die Sicherheitsanforderungen defi-niert werden. Dieses Dokument dient dann als Empfehlung für internationale und europäische Normungsgremien.64 Trotz dieser Hürden wird der Smart-Home Technik ein starkes Wachstum prognostiziert. Bis 2017 soll sich der Umsatz mit der Technik im Vergleich zu 2013 nahezu verdoppeln.65

Ein weiterer wichtiger Punkt ist die Sicherheit bei der eingesetzten Smart-Home-Technik. Diese lässt sich in zwei Bereiche unterteilen: die funktionale Sicherheit und die IT-Sicherheit. Die funktionale Sicherheit beschreibt, wie zuverlässig und spezifi-kationsgemäß Funktionen von Anwendungsfällen ausgeführt werden, während die IT-Sicherheit Themen wie Daten- und Informationssicherheit behandelt.66 Systeme, die eine funktionale Sicherheit erfüllen müssen sind in der siebenteiligen Norm 61508 der International Electrotechnical Commission (IEC) geregelt, die in das deutsche Normungswerk DIN EN 61508 übernommen wurde. Daran lehnt sich auch der zu-künftige Smart-Home-Standard an. In dieser Norm sind Anforderungen definiert, die elektrische, elektronische oder programmierbare elektronische Komponenten erfüllen müssen, um Systemausfälle und daraus resultierende Risiken für Menschen und Umwelt zu vermeiden bzw. zu vermindern. Diese Anforderungen erstrecken sich über den gesamten Lebenszyklus von Konzeption, Planung, Entwicklung, Realisierung usw. der Komponenten.67 Die Norm soll im übertragenen Sinne folglich den Anwender vor dem Gerät "schützen".

Die Informationssicherheit hat das Ziel, Informationstechnologie-Systeme (IT) vor unerlaubten Handlungen abzusichern. Zur Informationssicherheit heißt es im IT- Grundschutz des Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik (BSI) „...Schutz der Grundwerte Vertraulichkeit, Integrität (Unverfälschtheit) und Verfügbarkeit von Informationen.“68 Dies ist umso wichtiger, da bei Smart-Home-Systemen personen- bezogene Daten verarbeitet werden. Je nach eingesetztem System und den daraus verarbeiteten Daten lassen sich umfangreiche Profile der Bewohner erstellen. Zum Beispiel lässt sich mittels Smart-Metering, bei dem der Verbrauch von Stromzählern von dem Versorger aus der Ferne abgefragt wird, ermitteln, wer wann zu Hause ist und wie viel Energie zu welchen Zeiten verbraucht wird.69 Bei einem aktuellen Test von proprietären Systemen wiesen vier von sieben Systemen Mängel auf.70 Lassen sich mit den Smart-Home-Systemen sicherheitsrelevante Funktionen im Ei-genheim steuern, z.B. die Türöffnung, kann sich ein Softwarefehler schnell zu einem akuten Sicherheitsproblem des Anwenders in seinen eigenen vier Wänden entwi- ckeln.71

Die Beispiele verdeutlichen, wie wichtig das Thema Informationssicherheit ist. Aus diesem Grund wurde vom VDE eine separate Kommission eingerichtet, die sich ausschließlich mit diesem Thema beschäftigt. Die Ergebnisse der Arbeit werden in der nächsten Version der Roadmap veröffentlicht. Aktuell orientieren sich Hersteller an den Normen, die für den jeweiligen Einsatzbereich des Systems gelten.72,73

Als letzter Punkt bleibt die Datensicherheit bzw. der Datenschutz. Wie bereits dar-gestellt, werden im Rahmen von Smart-Home personenbezogenen Daten verarbeitet. Vor diesem Hintergrund soll nach der Normungs-Roadmap das Smart-Home-System in räumlich bezogene Datenschutzzonen eingeteilt werden - z.B. Raum, Wohnung und das Haus. Jeder Zone soll ein Betreiber zugeordnet werden, der für die Verfüg- barkeit und den Datenschutz verantwortlich ist. Damit sollen z.B. Szenarien wie Mehrfamilienhäuser mit mehreren Wohnungen abgedeckt werden. Zusätzlich soll die zonenübergreifende Kommunikation ausschließlich verschlüsselt erfolgen.74

Zusammenfassend gibt es aktuell eine große Anzahl an verfügbaren Smart-Home-Systemen, die überwiegend zueinander nicht kompatibel sind. Übergreifende Sicher-heitsstandards in Bezug auf Informationssicherheit und Datenschutz für Smart-Home sind zurzeit nicht vorhanden, hier gelten anwendungsbezogene Normen. Verbesserun-gen sind mit der von dem VDE angestrebten Normung zu erwarten.

[...]


1 Vgl. Statistisches Bundesamt 2014, S.44,46.

2 Vgl. Bundesverband der Energie- und Wasserwirtschaft e.V. 2014, S.2.

3 Vgl. Umweltbundesamt 2008.

4 Vgl. Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie 2012, S.16.

5 Vgl. Europäische Kommission 2009, S.10.

6 Vgl. Böde, Bradke und Cremer 2010, S.7-9.

7 Vgl. Umweltbundesamt 2008.

8 Vgl. Europäische Kommission 2009, S.9.

9 Vgl. ebd., S.10-11.

10 Vgl. Strese u. a. 2010, S.8.

11 Vgl. ebd., S.8.

12 Vgl. Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik e.V. 2013a, S.12.

13 Vgl. Harke 2007.

14 Vgl. Emrich 2008, S.110.

15 Vgl. Riley und Demmig 2012, S.8.

16 Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik e.V. 2013a, S.12.

17 Vgl. Strese u. a. 2010, S.8.

18 Vgl. Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik e.V. 2013a, S.12.

19 Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik e.V. 2013a, S.9.

20 Vgl. Strese u. a. 2010, S.8-9.

21 Vgl. ebd., S.8.

22 Vgl. Aschendorf 2014, S.25-29.

23 Vgl. Merz, Hansemann und Hübner 2010, S.21.

24 Vgl. ebd., S.19.

25 Vgl. VDI-Gesellschaft Technische Gebäudeausrüstung 2005, Blatt 1-5.

26 Vgl. Merz, Hansemann und Hübner 2010, S.22.

27 Vgl. Zentralverband der Elektrotechnik und Elektroindustrie e.V. 1996.

28 Vgl. Merz, Hansemann und Hübner 2010, S.23.

29 Vgl. Spicer 2000.

30 Vgl. Mason, Jennings und Evans 1984, S.17-24.

31 Vgl. Erkert 1999.

32 Vgl. Electrolux 1999.

33 Vgl. Miele & Cie. KG 2013.

34 Vgl. BSH Bosch und Siemens Haushaltsgeräte GmbH 2014.

35 Vgl. Apple Inc 2014.

36 Vgl. Sokolov 2014.

37 Vgl. Beuschel 2003, S.20f.

38 Vgl. Merz, Hansemann und Hübner 2010, S.155.

39 Vgl. Person und Tegtmeyer 1998, S.1.

40 Vgl. Merz, Hansemann und Hübner 2010, S.155-156.

41 Vgl. ebd., S.19-22.

42 Vgl. DigitalStrom AG 2014.

43 Vgl. eQ-3 AG 2014.

44 Vgl. Smart Grid Coordination Group 2012, S.43-46.

45 Vgl. ebd., S.35-37.

46 Vgl. Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik e.V. 2013a, S.55-64.

47 Vgl. ebd., S.56.

48 Vgl. Smart Grid Coordination Group 2012, S.29.

49 Vgl. Merz, Hansemann und Hübner 2010, S.66.

50 Vgl. ebd., S.41.

51 Vgl. Palensky, Klot und Soucek 2006.

52 Vgl. Aschendorf 2014, S.67.

53 Vgl. ebd., S.68.

54 Vgl. ebd., S.41.

55 Vgl. Baumgarth, Bollin und Büchel 2004, S.225.

56 Vgl. Aschendorf 2014, S.42-44.

57 Vgl. Aschendorf 2014, S.42-44.

58 Vgl. ebd., S.49-50.

59 Vgl. Aschendorf 2014.

60 Vgl. Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik e.V. 2013a, S.57.

61 Vgl. Harke 2007, S.104.

62 Vgl. Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik e.V. 2013a, S.9.

63 Vgl. ebd., S.28-45.

64 Vgl. Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik e.V. 2014b.

65 Vgl. Statista GmbH 2014c.

66 Vgl. Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik e.V. 2013a, S.65-66.

67 Vgl. ebd., S.67-76.

68 Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik 2008, S.12.

69 Vgl. Krempl 2014.

70 Vgl. Schürmann 2014.

71 Vgl. Metz 2013.

72 eQ-3 AG 2010.

73 Busch-Jaeger Elektro GmbH 2011.

74 Vgl. Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik e.V. 2013a, S.81.

Ende der Leseprobe aus 83 Seiten

Details

Titel
Drahtlose Smart-Home-Systeme für Privathaushalte zur Steuerung von elektrischen Verbrauchern. Systemevaluierung und Wirtschaftlichkeitsanalyse
Hochschule
FOM Hochschule für Oekonomie & Management gemeinnützige GmbH, Bonn früher Fachhochschule
Note
2,0
Autor
Jahr
2014
Seiten
83
Katalognummer
V315265
ISBN (eBook)
9783668145641
ISBN (Buch)
9783668145658
Dateigröße
1325 KB
Sprache
Deutsch
Schlagworte
ZigBee, KNX, KNX-RF, EnOcean, Z-Wave, Smart-Home, Standby, Stand-By, Biotische Wirkung, Ökodesign-Richtlinie, 1275/2008, Connected Home, Smart House, E-Home, Smart-Home Domänen, Smart-Home-Zonen, Zentrales System, Dezentrales System, Funkübertragungstechnik, Freiraumdämpfung, Interferenz, Absorption, Frequenzband, ISM-Band, WLAN, SAR-Wert, spezifische Absorptionsrate, ICNIRP, ECOLOG, Deutschen Mobilfunk Forschungsprogramm, DECT, Leitungsflussdichte, Gebäudeautomation, Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS, Datensicherheit, Topologie, KONNEX
Arbeit zitieren
Etienne Lasch (Autor), 2014, Drahtlose Smart-Home-Systeme für Privathaushalte zur Steuerung von elektrischen Verbrauchern. Systemevaluierung und Wirtschaftlichkeitsanalyse, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/315265

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