Smart Home Systeme. Sensor- und Kommunikationstechnologien


Bachelorarbeit, 2017
41 Seiten, Note: 2,0

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung

2 Grundlagen - Smart Home
2.1 Funktion
2.2 Potentiale und Herausforderungen
2.2.1 Komfort
2.2.2 Energieeffizienz
2.2.3 Sicherheit
2.2.4 Herausforderungen
2.3 State of the Art
2.3.1 Klima
2.3.2 Licht
2.3.3 Lüftung
2.3.4 Steuerung
2.4 Internet der Dinge
2.5 Selbstlernende Systeme

3 Systemarchitektur
3.1 Komponenten
3.1.1 Gateway
3.1.2 Extensions
3.1.3 Bedieneinheit
3.2 Sensoren und Aktoren
3.2.1 Bewegungssensor
3.2.2 Magnetsensor
3.2.3 Infrarotsensor
3.2.4 Lichtsensor
3.2.5 Windsensor
3.2.6 Feuchtesensor
3.2.7 Rauchmelder
3.2.8 Temperatursensor
3.3 Smart Home Kommunikationsstandards
3.3.1 Zig Bee
3.3.2 Z-Wave
3.3.3 Home Matic
3.3.4 RWE Smart Home
3.3.5 KNX
3.3.6 Qivicon
3.3.7 Bluetooth
3.3.8 WLAN
3.3.9 Gegenüberstellung der Kommunikationsstandards
3.4 Zugriffsmethoden
3.4.1 Cloud Systeme für Smart Home
3.4.2 Kommunikation mittels Mini-Server

4 Ausblick

5 Zusammenfassung

6 Literaturverzeichnis

7 Abbildungsverzeichnis

8 Tabellenverzeichnis

9 Abkürzungsverzeichnis

Kurzfassung

Die vorliegende Bachelorarbeit ״Smart Home Systeme - Sensor- und Kommunikations­technologien“ gibt einen Überblick über konventionelle und selbstlernende Smart Home Systeme und deren Funktion. Es gibt einige Potentiale und Herausforderungen, die beleuchten, warum diese Systeme heutzutage immer wichtiger für die Gesellschaft werden. Die Vision von autonomen Eigenheimen steht hinter der Idee von Smart Home Systemen, welche ohne direkten Impuls seiner Benutzer Aktionen ausführen können.

Die Systeme zur Steuerung eines Objektes werden stetig verbessert mit dem Ziel zukünftig ohne jegliches Einprogrammieren des Benutzers arbeiten zu können. Anhand von Handlungen der Anwender lernt das System mittels Algorithmen mit und generiert sein Programm sozusagen selbst. Zahlreiche Sensoren sind notwendig, damit ein solches Gebilde einwandfrei funktionieren kann. Das System muss die benötigte Information in Echtzeit einiesen können und braucht für jede Art von Information den jeweiligen Sensor, welcher einen oder mehrere Messwerte ausfallsicher ermitteln und weitergeben muss.

Die Anforderungen an das Kommunikationssystem zwischen den Sensoren und der Steuereinheit werden mit der steigenden Anzahl an Sensoren und der immer größeren zu übertragenden Informationen innerhalb des Systems deutlich erhöht. Es ist hier abzuwägen, welches System für die jeweiligen Anforderungen eingesetzt werden soll, um die bestmögliche Alternative festzulegen. Mittlerweile gibt es Smart Home Systeme von unterschiedlichen Firmen von denen jede auf eine eigene Entwicklung zurückgreift. Diese verschiedenen Kommunikationsstandards werden dargelegt und verglichen.

Ziel ist es, dem Leser das nötige Wissen zu vermitteln, was unter dem Begriff ״Smart Home“ zu verstehen ist und wie es funktioniert. Die verschiedenen Sensorsysteme und Kommunikationssysteme, die aktuell notwendig bzw. verfügbar sind, um ein solches System einsatzfähig zu machen, werden beleuchtet. Außerdem soll ein Ausblick in zukünftige selbstlernende Systeme gegeben werden. Die Informationen werden detailgetreu, aber trotzdem einfach wiedergegeben.

Schlagwörter: Smart Home, Sensorsysteme, Kommunikationssysteme

Abstract

In this bachelor thesis an overview of conventional and self-learning Smart Home Systems and the function inside is given. Some potentials and challenges have to be exposed why these system gets more and more important for society. The vision of autonomous private residential buildings stands behind the idea of Smart Home Systems which can process action without any trigger of the user.

The systems for controlling houses and flats will be enhanced continuously with the objective of an autonomous System which is able to develop itself self-reliant without any action of the residents. By means of activities the system learns with algorithms and generates its program itself. Numerous sensor systems are necessary to make such a system working perfectly. The system has to read the dependent information in real-time and needs for each type of information a particular sensor, which has to measure failsafe.

The requirements to the communication system will obviously increase by a rising number of sensors and the information which have to be transferred in the vehicle. The communication systems have to be balanced to decide which is the best one to meet the requirements. Meanwhile different companies offer smart home systems. These different communication standards will be described and compared.

This thesis was written aiming at imparting knowledge to the reader what does a Smart Home System mean and how it works. The different sensor systems and communication systems which are actually used are described. Furthermore, an outlook to future self-learning systems will be done. It is important to interfere the information detailed, but still easy.

Keywords: Smart Home, Sensor Systems, Communication Systems

Danksagung

Zuerst möchte ich mich bei meiner Familie bedanken, die mich jederzeit bei dieser Bachelorarbeit unterstützt hat. Ich konnte ihnen jede Frage stellen und bekam stets konstruktive Kritik um meine Arbeit fertigstellen zu können. Außerdem möchte ich mich bei Herrn Dipl.-Ing. Walter Wölfel bedanken, der meine Arbeit betreute. Durch hilfreiche Tipps und Anregungen konnte er mir neue Ideen offenlegen, die ich erfolgreich in dieser Bachelorarbeit Umsetzen konnte.

1 Einleitung

ln den vergangenen Jahren haben sich automatisierte Systeme merklich weiterentwickelt. Der Mensch möchte sich seine Umgebung einfacher und komfortabler gestalten und so bessere Lebensqualität erreichen. Nicht zuletzt natürlich auch im Bereich des Eigenheims, welches im besten Fall vollautomatisch fungiert und Aktivitäten auslöst, die der Benutzer bis jetzt händisch tätigen musste.

Es ergeben sich Potentiale, die bis jetzt in diesem Ausmaß nicht möglich waren wie Z.B. Energieeinsparungen. Das ist darauf zurückzuführen, dass der Benutzer sich nicht im Haus befinden muss, um Z.B. mit den Jalousien die direkte Sonneneinstrahlung zu begrenzen. Die wichtigsten Bereiche die steuerbar sind, sind Licht, Heizung/Kühlung und Sicherheitssysteme. Es werden Aktionen getriggert, die zuvor mit einer Bedingung gekoppelt und so programmiert wurden. Der Ansatz hierbei lautet wie folgt: Verbaut man vernetzte, steuerbare Geräte mit Sensoren in den Räumen eines Hauses, kann das System aufgrund aktueller Gegebenheiten und gespeicherter Bedingungen, Entscheidungen treffen und durchführen, die der Benutzer sonst händisch hätte durchführen müssen.

Zukünftig werden selbstlernende Systeme ihren Teil dazu beitragen, Haussteuerungen noch attraktiver zu machen, indem dieses System ohne jegliches Einprogrammieren erkennt, welche Aktionen sich der Benutzer zum jeweiligen Zeitpunkt wünscht. Das heißt, dieses System ist fähig, Schritte durchzuführen, die ihm der Benutzer weder konkret noch aktiv mitgeteilt hat. Um das zu erreichen, wird ein gewisses Maß an künstlicher Intelligenz bzw. selbstlernenden Systemen benötigt, welche eine Situation abwägen und entsprechend agieren können, jedoch auch in der Lage sein sollen den Benutzer mit einzubinden, wenn es explizit erforderlich ist. (Rabl, 2009)

In der Literatur gibt es einige Arbeiten, die sich ausschließlich mit dem Thema Smart Home befassen, allerdings sehr wenige die auch einen Ausblick auf zukünftige selbstlernende Smart Home Systeme geben. Diese Lücke soll mit dieser Bachelorarbeit geschlossen werden.

Ziele dieser Arbeit sind State-of-the-Art von Smart Home Technologien darzulegen, deren Potentiale und Herausforderungen zu untersuchen und die Mechanismen von selbstlernenden Systemen zu erklären. Außerdem werden die Sensorik- und Kommunikationstechnologien zum Einsatz in Smart Home Systemen erhoben und verglichen und ein Ausblick in die Zukunft wird gegeben.

Aufgrund dieser Zielsetzung ergeben sich folgende Forschungsfragen:

- Welche innovativen Ansätze sind bei Smart Home Systemen erkennbar?
- Welche Sensorik- und Kommunikationstechnologien werden bei Smart Home Systemen verwendet?
- Welche Entwicklungen werden sich zukünftig im Bereich von selbstlernenden Smart Home Systemen ergeben?

Die wissenschaftliche Methode besteht aus Literaturrecherche.

2 Grundlagen ־ Smart Home

Der Begriff “Smart“ kommt aus dem Englischen und bedeutet ״intelligent, schlau“. Somit ergibt sich für “Smart Home“ übersetzt “intelligentes Haus“. Es beschreibt die Implementierung von Informationstechnologie, welche die Vernetzung und die intelligente Funktionsweise der Geräte ermöglicht. Dadurch erhalten Gegenstände neue Zusatzfunktionen, welche je nach Einsatz und Verwendung differieren. “Smart Home“ dient dabei als Oberbegriff für Systeme und technische Verfahren in Eigenheimen. Es ist dafür da, die Sicherheit und die Lebensqualität zu erhöhen und eine effizientere Energienutzung zu forcieren. (Smart-Home- Systeme, 2017)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1 Struktur eines Smart Home Systems (Staff, 2016)

2.1 Funktion

Smart Home hat in erster Linie die Aufgabe der Erhöhung von effizienter Energienutzung, Lebens- und Wohnqualität und Sicherheit. Es ist ein Automatisierungssystem, mit dem verschiedene Steuerungssysteme automatisiert bedient bzw. automatisierte Abläufe durchgeführt werden können.

Einige Beispiele für solche Steuerungen sind:

- Licht
- Heizung, Kühlung
- Sicherheitssysteme
- Haushaltsgeräte

Smart Home Systeme kommunizieren über Funk oder Kabel und sind Teil des ״Internets der Dinge“. Moderne Systeme bestehen aus Schaltern und Sensoren, welche die aktuellen Gegebenheiten im Haus messen. Zu den Endgeräten gehören Z.B. Heizkörperventile, Jalousien, Lichtschalter, usw. welche mit einem zentralen Baustein verbunden sind. Dieses sogenannte ״Gateway“ wird mittels Benutzeroberfläche gesteuert. Diese ist mit verschiedenen Geräten vom Nutzer bedienbar (eigenen Terminals, Smartphones, Tablets, Webinterfaces, usw.). (smarthomepartner GmbH, 2017)

2.2 Potentiale und Herausforderungen

Bei herkömmlichen Smart Home Systemen gibt es einige Potentiale, die beleuchtet werden müssen, da sie der entscheidende Grund sind, warum Heimsysteme smart gebaut werden. Die wichtigsten dabei sind der steigende Komfort, die noch bessere Energieeffizienz und die erhöhte Sicherheit. Auch wichtige Herausforderungen, bei denen es nicht einfach ist sie zu lösen, müssen kritisch betrachtet werden.

2.2.1 Komfort

Individuelle Lichtabstimmung abhängig von der Helligkeit im Freien und nach Tageszeit, ein optimal geheiztes bzw. gekühltes Eigenheim zum Zeitpunkt, wenn man nach Hause kommt oder Jalousien, die automatisch verdunkeln, wenn das TV-Gerät eingeschaltet wird. Die wohl größte Auswirkung ist der Komfortgewinn bei Smart Home.

Abgesehen vom aktiven Steuern des Nutzers, ist es auch möglich Abläufe einzurichten, Z.B. fährt die Markise mit dem Sonnenuntergang zu oder Garagentore öffnen selbstständig, wenn das entsprechende Auto zufährt. Verschiedene Aktionen lassen sich nach Belieben starten und auch verknüpfen. Somit kann per Fingertipp für den Heimkino-Abend das Licht gedimmt, die Raumtemperatur erhöht und die Fenster verdunkelt werden. (Jana, 2016)

2.2.2 Energieeffizienz

Abgesehen von dem Komfort, ist auch die Energieeffizienz ein wichtiger Punkt bei Smart Home Systemen. Der Stromverbrauch aller Geräte kann aufgezeichnet und der aktuelle Wert abgerufen werden. Zusätzlich ist es für Besitzer einer Photovoltaikanlage noch möglich mitzumessen, wieviel Strom nebenbei auf dem Dach generiert wird und je nachdem Geräte ein- oder auszuschalten. Per Fingertipp ist es möglich Verbraucher einzeln auszuschalten. Eine besonders intelligente Funktion ist jene, die beim Verlassen des Hauses alle Verbraucher ausschaltet, die nicht benötigt werden und somit der Stromverbrauch im Standby-Modus entfällt.

Neben dem Stromverbrauch können auch die Heizkosten gesenkt werden. Funksensoren an Fenstern registrieren, wenn sie geöffnet werden und geben diese Information an die Steuerungseinheit weiter. Die Heizungsthermostate werden automatisch geschlossen, sodass keine Wärme nach außen entweicht. Außerdem ist es möglich bestimmt Räume nur zu gewissen Uhrzeiten zu heizen, Z.B. das Bad nur in der Früh und am Abend. Bei längeren Abwesenheiten kann das Haus in den Urlaubsmodus versetzt werden und die Heizung auf ein Minimum reduziert werden, nur um das Haus vor Frost zu schützen, (schöner-wohnen, 2016)

2.2.3 Sicherheit

Abgesehen von mehr Komfort und erhöhter Energieeffizienz spielt die Sicherheit eine immer größer werdende Rolle. Moderne Smart Home Systeme sind fähig die Sicherheit zu erhöhen. Dazu werden sie in Verbindung mit Sensoren, die an möglichen Einbruchspunkten angebracht sind, verwendet. Vibrationssensoren sind an den Fenstern und Türen angebracht, welche bei einer eingeschlagenen Scheibe ein Signal senden und den akustischen Alarm aktivieren. Außerdem können Einbrecher bei installierten Kamerasystemen mit Audio- und Videoaufnahmen identifiziert werden, falls sie nicht ohnehin gleich durch den Alarm verjagt werden.

Ein weiterer Sicherheitsaspekt betrifft Schäden, die innerhalb des Hauses passieren können. Angefangen von einem geplatzten Wasserschlauch der Waschmaschine über das nicht abgeschaltete Bügeleisen bis hin zum Hausbrand durch elektronische Geräte. Sensoren können feststellen, ob Wasser im Bad ausgelaufen ist, ob es Rauchentwicklung im Haus gibt und ob das Bügeleisen noch eingeschalten ist, obwohl sich keiner mehr im Haus befindet. Der Benutzer wird über SMS oder die App informiert und kann rasch handeln. Größere Schäden können so im Vorfeld abgewendet werden, (schöner-wohnen, 2016)

2.2.4 Herausforderungen

Die Installation von Smart Home Systemen ist für den Verbraucher eine Herausforderung. Für Laien ohne technische Kenntnisse ist es schier unmöglich sich selbst ein solches System zu installieren. Fachmännische Kompetenz ist erforderlich, um es zu planen, zu installieren und einzurichten.

Die zweite Herausforderung ist das vorhandene Risiko für die Privatsphäre. Wenn alle Überwachungstechniken, Zutrittssysteme und Sicherheitseinrichtungen mit dem Internet verbunden sind, ist die Gefahr gegeben, dass die Nutzungsdaten und die Haussteuerung trotz Passwortsicherung Hackern in die Hände geraten. Weitreichende Folgen wären die Konsequenz daraus. In erster Linie muss das WLAN-Netzwerk Hacker davon abhalten ins Netzwerk eindringen zu können. Dabei gibt es schon Verfahren wie WPA oder WPA2, welche zuverlässig Datenzugriff von außen verhindern können. WEP hingegen wäre innerhalb von 2 Stunden mit dem Computer geknackt. Sollte sich der Hacker im WLAN befinden muss er sich noch Zugang zu den Smart Home Server verschaffen, was in der Regel sehr schwierig ist. Die Server sind mit einer Firewall ausgestattet und die Verschlüsselung wird stetig weiterentwickelt. Ein erfolgreicher Angriff ist zwar sehr schwierig, aber dennoch möglich. (Verbraucherportal, 2016)

2.3 State of the Art

Kommunikations- und Informationstechnologien sind heute ein fester Bestandteil unseres Alltags. Technische Errungenschaften in den Bereichen Gebäudekommunikationstechnik, Gebäudetechnik und Gebäudeautomation lassen uns heutzutage Häuser bewohnen, die vor wenigen Jahrzehnten nur in Science-Fiction-Filmen möglich waren. Automatisierung von Gebäuden, die nicht nur die Klimatechnik steuert, sondern sich auch an den Bedürfnissen von menschlichen Bewohnern instruiert, war kaum vorstellbar. Mithilfe von Gebäudeautomation wird es möglich sein bzw. ist es zum Teil schon möglich Räume zu gestalten, die das Wohlbefinden von uns Menschen auf einfachstem Wege verbessern. Das Internet der Dinge hat unsere Wohnräume erreicht. (Doormann, 2015)

2.3.1 Klima

Gebäudeautomation in puncto Energie und Temperatur waren die ersten Vorboten des Smart Home. Dies war allerdings nicht für Wohnhäuser gedacht, sondern hauptsächlich in der Industrie im Einsatz. Hauptgrund dafür war das relativ hohe Energiesparpotential (bis zu 30 Prozent). Beispielsweise wird bei geöffnetem Fenster die Heizung abgeschaltet und sobald es geschlossen wird, wird der Heizbetrieb wiederaufgenommen. Somit werden zwei Probleme gleichzeitig gelöst: Energie wird gespart und trotzdem wird für ausreichende Frischluft gesorgt. Es ist möglich Räume zeitabhängig zu heizen. Das Badezimmer kann morgens beheizt werden und ebenso ist die Wohnung am Abend warm. Mit modernen Smart Home Systemen ist es möglich sogar die Heizung via Smartphone unterwegs zu bedienen. (Doormann, 2015)

2.3.2 Licht

Licht ist neben der Temperatur ein wichtiger Faktor und wirkt sich auf die Gesundheit und unsere Stimmung aus. Dabei geht es nicht nur um die Steuerung von Lampen, sondern auch um die Beschattung mittels Jalousien. Diese können per Knopfdruck gesteuert werden oder aber auch vollautomatisch in Verbindung mit Lichtsensoren. In der Nacht werden sie geschlossen, um isolierend zu wirken und Wärmeverluste zu vermeiden, gleichzeitig soll Blickschutz gewährleistet werden. Bei der Steuerung von Lampen spielen auch Bewegungssensoren eine Rolle. Licht wird automatisch eingeschaltet, wenn eine Person den Raum betritt. Sobald sie diesen wieder verlässt, schaltet auch das Licht wieder aus. (Doormann, 2015)

2.3.3 Lüftung

Bei der Lüftung gibt es zwei verschiedene Systeme. Einerseits gibt es automatisch gesteuerte Fenster, die sich bei den richtigen Temperaturbedingungen automatisch öffnen. Hierbei arbeitet das System mit Regensensoren zum Schutz vor eindringender Nässe und mit Bewegungssensoren zum Schutz vor Einbrechern zusammen. Die zweite Möglichkeit ist eine Lüftungsanlage, die den Wohnraum mit frischer Luft versorgt und zusätzlich mit einer Wärmepumpe die Wärme rückgewinnen kann. (Doormann, 2015)

2.3.4 Steuerung

Die Steuerung von Smart Home Systemen erfolgt auf verschiedenen Wegen. Einerseits kann es händisch über eine Bedienoberfläche mittels Smartphone, Laptop, Tablet, usw. bedient werden. Dabei kann weltweit via Internet zugegriffen und auch das System gesteuert werden. Im Optimalfall steuert es sich aber von selbst ohne Eingreifen des Nutzers. Dafür müssen die Abläufe im Vorhinein einprogrammiert werden. (Smart-Home-Systeme, 2017)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2 Steuerung der Jalousien über das Tablet (Smart-Home-Systeme, 2017)

2.4 Internet der Dinge

Durch das Internet der Dinge ergeben sich neue Möglichkeiten für Smart Home, die bisher nicht machbar waren. Die Vision hinter diesem Begriff ist jene, dass Computer zukünftig fähig sein sollen selbstständig Daten zu erfassen. Bisher musste jede Art von Information händisch dem Computer übermittelt werden. Durch das Internet der Dinge soll das nicht mehr notwendig sein und Computer die notwendigen Informationen über Sensorsysteme selbstständig organisieren können ohne manuelle Eingabe. Objekte werden vernetzt und können dadurch miteinander kommunizieren und ihr Umfeld ausmachen. Somit können alle möglichen Messwerte abgefragt werden, Z.B. Sensordaten von Bewegungsmeldern. Jedes Objekt ist eingebunden, ein RFID-Tag ebenso wie ein Lichtschalter. (Weiler, 2014)

Einsatzgebiete liegen in der Industrie bei der Fertigung (Industrie 4.0) und in der Logistik. Vernetzter Autoverkehr, Gebäudevernetzung und Energieversorgung sind weitere Cluster, bei denen das Internet der Dinge zur Verwendung kommt. Dabei ist zu beachten, dass die genannten Bereiche nicht einfach eingrenzbar sind und sich teilweise Überschneiden. Smart Home bildet einen Teil des Internets der Dinge und ist genauer gesagt der Gebäudevernetzung untergeordnet (siehe Abbildung 3). (Weiler, 2014)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3 Anwendungsbereiche des Internets der Dinge

2.5 Selbstlernende Systeme

Der grundlegende Unterschied zwischen herkömmlichen und selbstlernenden Systemen besteht darin, dass bei selbstlernenden Systemen keine Programmierung vom Nutzer im Vorhinein notwendig ist. Das System lernt anhand von aktiven Tätigkeiten des Nutzers und verknüpft diese mit dem aktuellen Umfeld.

Als Beispiel: Der Benutzer geht morgens zwischen 6:30 und 7:00 ins Bad und schaltet das Licht ein. Er möchte es aber gedimmt eingeschaltet haben und konfiguriert es mit einem Drehtaster. Das Smart Home System realisiert diese Aktion und speichert sie ab. Wenn der Benutzer am nächsten Tag ins Bad geht, wird das Licht automatisch so gedimmt eingeschaltet, wie es am Tag davor der Fall war. Sollte der Benutzer das Bad um 15:00 betreten und das Licht nicht gedimmt einschalten, speichert das System es genauso ab und wird es beim nächsten Mal automatisch genauso einschalten, wenn der Nutzer den Raum betritt.

Aktuell gibt es solche Systeme noch nicht, außer bei Thermostatsteuerungen. Selbstlernende Thermostaten können über eine Zeitspanne von zwei bis drei Wochen lernen, wie lange es dauert einen Raum von einer bestimmten Ist-Temperatur auf die verlangte Soll-Temperatur zu heizen, abhängig von der Außentemperatur. Dadurch kann berechnet werden, wann der Heizvorgang gestartet werden muss, um die Soll-Temperatur zum verlangten Zeitpunkt zu erreichen.

Vorteil von diesen Systemen ist natürlich die Installation für Laien, die keine Programmierkenntnisse haben müssen und deshalb Abstand von einem herkömmlichen System genommen hätten. Hardwaretechnisch ist der Aufwand ein bisschen größer bei den selbstlernenden Systemen, da zusätzlich noch Bewegungssensoren, Kameras oder auch andere Messeinrichtungen erforderlich sind, um die Vorgänge im Raum analysieren zu können.

Zukünftig werden selbstlernende Systeme noch stärker forciert als herkömmliche, da die Konfiguration dieses Systems einfacher und bequemer ist und der Funktionsumfang deutlich höher ist als bei herkömmlichen Smart Home Systemen.

3 Systemarchitektur

Um Smart Home Systeme realisieren zu können sind einige Hardwarekomponenten notwendig, welche mit einem Kommunikationssystem miteinander kommunizieren können. Bei jedem Smart Home System gibt es ein Herzstück, welches als zentrale Steuereinheit fungiert, mit allen Komponenten verbunden ist und mittels Tablet, PC oder Smartphone steuerbar ist. Diese Zentrale wird auch Gateway oder Hub genannt und kommuniziert mittels mehreren möglichen Funkmethoden (WLAN, ZigBee, Z-Wave, Bluetooth, usw.) oder mit einer Datenleitung. Ein paar wenige Hersteller präferieren ein eigenes Funkprotokoll (geschlossenes System). Dadurch ist das Smart Home System nur bedingt auf die herstellereigenen Komponenten nutzbar. Der Verbraucher wird eingeschränkt. Ein reibungsloseres Zusammenspiel zwischen den Komponenten und eine erhöhte Sicherheit soll dies allerdings entschädigen. Es zeigt sich aber eine Tendenz zu den offenen Systemen, die mit allen Komponenten kompatibel sind und viele Funkprotokolle unterstützen. Ausschlaggebend für die Konvergenz innerhalb des Systems ist, welche zentrale Steuereinheit verwendet wird. Natürlich spielen auch die Kosten eine entscheidende Rolle. Geschlossene Systeme sind in der Regel günstiger als offene Systeme. (Schiller, 2016)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4 Systemarchitektur eines Smart Home Systems (Klima, 2014)

3.1 Komponenten

Kernelement unter den Komponenten ist die zentrale Basisstation, die indirekt oder direkt mit allen anderen Komponenten und Sensoren verbunden ist. Indirekt ist sie über sogenannte Extensions mit den Sensoren verbunden. Diese Extensions sind notwendig, um Sensoren direkt anschließen zu können und Werte einiesen zu können. Direkt verbunden sind sie, wenn die Sensoren auch smart sind und mit der zentralen Einheit kommunizieren können, über eine Steuereinheit, Z.B. Tablet, Computer, Terminals kann das Gateway gesteuert werden. (Schiller, 2016)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5 Komponenten eines Smart Home Systems von Loxone (Loxone, 2016)

3.1.1 Gateway

Die wichtigste Komponente eines Smart Home Systems ist immer die zentrale Steuereinheit, welche mit autark funktionierenden Systemen zusammengeschlossen werden kann. Es handelt sich dabei um ein multifunktionales Smart Home Gateway, welches als Anbindung zwischen Tablets, PCs oder Smartphones und den bedienbaren Komponenten dient. Dadurch ist es möglich die Steuereinheit nicht nur per Fernbedienung zu triggern, sondern auch mit mobilen Endgeräten. Gateways können mit unterschiedlichen Kommunikationsprotokollen umgehen. Diese Steuereinheiten gibt es im Gehäuse oder nur als Platine, abhängig vom Hersteller. (Schiller, 2016)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 6 Gateway von Loxone (Loxone, 2016)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 7 Gateway als Platine von Smarthomepartner (smarthomepartner GmbH, 2017)

Auf dem Gateway ist die eigentliche Steuerungssoftware installiert, welche für das Smart Home System konfiguriert werden kann. Dabei sind die Abläufe und Bedingungen festgelegt, welche gegeben sein müssen, um Tätigkeiten zu triggern. Bei herkömmlichen Systemen muss der Benutzer das System von Grund auf selbst einstellen und definieren, wann das Gateway was ansteuern soll. Dies wird mittels der Programmiersprache “c“ oder mit logischen Bausteinen programmiert. Bei selbstlernenden Systemen ist diese Software schon ab Werk installiert und mithilfe von Algorithmen schreibt sich das System selbst seine Software über einen gewissen Zeitraum.

3.1.2 Extensions

Extensions sind nicht nur notwendig um Z.B. das Gateway um weitere Ein/Ausgänge zu erweitern, sondern auch um Relais in das Smart Home System integrieren zu können. Da die Anzahl der Ein/Ausgänge beim Gateway nur begrenzt sind, kann mit einer Vielzahl an I/O­Extensions diese Anzahl erhöht werden. Anhand der Extension von Loxone (siehe Abbildung 8) ist es Z.B. möglich das System um 8 digitale bzw. 4 analoge Ausgänge und um 12 digitale bzw. 4 analoge Eingänge zu erweitern. Die Extensions sind via LAN, WLAN oder eines eigenen Bussystemes mit dem Gateway verbunden und müssen örtlich gar nicht in der Nähe des Gateways platziert sein.

Aber es gibt auch spezielle Extensions, die notwendig sind für ein Smart Home System Z.B. Infrarot-Extension oder Dimmer-Extension. Mit der Infrarot-Extension ist es möglich alle Geräte zu bedienen, die üblicherweise über eine Infrarot-Fernbedienung angesprochen werden (z.B. Radio, Klimaanlage) und sind somit automatisiert steuerbar. Mit Dimmer- Extensions ist es möglich die Lichtsteuerung zu erweitern und neben Ein- und Ausschalten auch die Leuchtmittel zu dimmen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 8 Extension von Loxone (Loxone, 2016)

3.1.3 Bedieneinheit

Das Smart Home System kann über Control Panels innerhalb des Netzwerkes gesteuert werden oder über eine Weboberfläche via Internet. Bei den Control Panels kann bei den meisten Systemen zwischen zwei Varianten unterschieden werden. Entweder mit wenigen Panels oder Tablets, die so zentral wie möglich im Smart Home installiert sind und das ganze Haus steuerbar ist oder ein Panel für jeden Raum nur zur Steuerung des jeweiligen Raumes. Je nach Wohngegebenheiten kann zwischen diesen zwei Varianten entschieden werden. (Wohnnet, 2016)

Beim System von Z.B. Loxone gibt es ein Webinterface, bei welchem mit jedem Smartphone, Tablet oder Computer über das Internet auf das Gateway zugegriffen werden kann. Dieses System ist kompatibel mit allen am Markt erhältlichen Smart-Geräten und ist somit sehr kostengünstig realisierbar. Mit dem Webinterface sind alle im Smart Home System befindlichen Räume steuerbar (siehe Abbildung 9).

[...]

Ende der Leseprobe aus 41 Seiten

Details

Titel
Smart Home Systeme. Sensor- und Kommunikationstechnologien
Hochschule
Fachhochschule Technikum Wien  (Elektronik/Wirtschaft)
Note
2,0
Autor
Jahr
2017
Seiten
41
Katalognummer
V416116
ISBN (eBook)
9783668668065
ISBN (Buch)
9783668668072
Dateigröße
1222 KB
Sprache
Deutsch
Schlagworte
Smart Home, Sensorsysteme, Kommunikationssysteme
Arbeit zitieren
Tobias Nitsch (Autor), 2017, Smart Home Systeme. Sensor- und Kommunikationstechnologien, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/416116

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