Das Smart Home. Definition, Aufbau und Nutzung


Seminararbeit, 2017
17 Seiten, Note: 1,3

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

1 Motivation

2 Einleitung
2.1 Was ist Smart Home?
2.2 Ziele von Smart Home Systemen
2.2.1 Smart Living
2.2.2 Ambient Assisted Living

3 Technische Grundlagen
3.1 Netzwerk- und Übertragungssysteme
3.1.1 Anordnung von Sy Sternen
3.1.2 Bussysteme
3.1.3 Funkbasierte Bussysteme
3.1.4 Stromnetz sy Sterne
3.2 Smart Home Systeme
3.2.1 HomeMatic
3.2.2 Z-Wave
3.3 Smart Grid
3.3.1 Herausforderungen
3.3.2 Risiken

4 Praxisorientierte Umsetzung
4.1 Nutzerintegration durch Living Lab
4.1.1 Living Lab in der Forschung
4.1.2 Living Lab als Service für den Smart Home Markt
4.2 Ambient Assisted Living in der Realität
4.2.1 Auswirkungen auf die Nutzung persönlicher Unterstützung
4.2.2 Nutzung, Nutzerfreundlichkeit und Akzeptanz von AAL-Technologien

5 Fazit

6 Literaturverzeichnis

1 Motivation

Einerseits hat das Thema Smart Home mich insofern beeindruckt, da ich selbst ein sehr effizient denkender Mensch bin. Ein intelligentes Zuhause kann einem den Alltag erleichtern, wodurch mehr Zeit für persönlich relevante Aspekte entstehen wie Hobbies, die Arbeit oder die Familie. Andererseits existiert jedoch noch ein Grund, der nicht mich selbst betrifft. Mein Großvater leidet seit geraumer Zeit an Demenz und kämpft mit immer stärker werdenden körperlichen Einschränkungen. Der Weg ins Altenheim ist keine Option für ihn. Jedoch ist deutlich, dass eine mobile Pflegekraft bei seinem Zustand langfristig nicht finanzierbar ist, da seine Selbstständigkeit mehr und mehr nachlässt. Während ich überlegte, ob ich mich nun auf das Thema Smart Home festlegen möchte, fand ich bei der Suche weiterer Literatur Artikel zum Ambient Assisted Living. Daraufhin Stand meine Entscheidung fest.

2 Einleitung

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem Thema Smart Home. Die Arbeit verläuft von der technischen Grundlage bis hin zur praktischen Anwendung und Nutzung. Bevor sie mit dem Hauptteil beginnt, soll zunächst deutlich werden was Smart Home überhaupt ist und was darunter verstanden werden kann. Welche Ziele werden von Smart Home Systemen konkret verfolgt und mit welchen Problemen sind diese verbunden? Da nun die Ziele von Smart Home Systemen bekannt sind, folgt der Aspekt der technischen Komponente. Welche Arten von Übertragungssystemen können zur bestmöglichen technischen Elmsetzung genutzt werden, weswegen gibt es verschiedene Systemanordnungen und wofür gibt es überhaupt ein Netzwerksystem?

Aufgrund der Kenntnisse von Netzwerksystemen und unterschiedlicher Übertragungssysteme befasst sich der darauf folgende Abschnitt mit konkreten Systemen für die Einführung von Smart Home. Wird zwischen Smart Home Systemen unterschieden, und wenn ja, aus welchem Grund? Das Kapitel darauf befasst sich mit dem Smart Grid. Es wird erörtert welche Rolle das Smart Grid im Smart Home spielt, was für Risiken und Herausforderungen mit dem Smart Grid in Verbindung stehen.

Da bis jetzt in den vorherigen Kapiteln Smart Home überwiegend technisch erörtert wurde, wo der Nutzer bzw. Anwender der Smart Home Systeme außen vor blieb, findet ein Übergang in die praktische Elmsetzung statt. Trotz vielfältiger Technologie und immer fortschreitender Entwicklung in der Technik, steigt die erhoffte Nachfrage nicht dementsprechend. In diesem Abschnitt sollen mögliche Problemlösungen als Ansätze in der Forschung des Living Labs als ״Nutzerintegration“ dargestellt und verständlich gemacht werden.

Der letzte Abschnitt des Hauptteils befasst mit einem der Ziele des Smart Homes, dem Ambient Assisted Living (AAL). Es werden mehrere Studien und Projekte mit unterschiedlichen Schwerpunkten fürs AAL vorgestellt und die verschiedenen Sichtweisen der Autoren deutlich gemacht. Ziel dieses Abschnittes ist es, erkennen zu können, ob dass AAL einen Mehrwert für Senioren generieren kann. Zu guter letzt folgt ein abschließendes Fazit, in der die wichtigsten Information zusammengefasst widergespiegelt werden sollen.

2.1 Was ist Smart Home?

Bis Heute gibt es weder in Fachartikeln noch in Büchern eine einheitlich nutzende Definition für den Begriff Smart Home. Es existieren eine Reihe von Synonymen wie Home of Future, intelligentes Wohnen oder Connected Home. [1]

Auch im wissenschaftlichen Bereich konnte sich keine anerkannte Begriffsbezeichnung erkennen lassen. In öffentlichen Diskussionen werden unterschiedliche Bezeichnung wie Home-Automation, Smart Living oder Hausautomatisierungen benutzt, obwohl all diese differenzierenden Fachbegriffe unter der gleichen Thematik aufgefasst werden. [2] Mit ״Smart Home" werden Wohnhäuser bezeichnet, die mit unterschiedlichen Systemen zur Automatisierung von Abläufen führen. Das Ziel dieser Abläufe ist eine Verbesserung der Wohn- und Lebensqualität für die Bewohner. Das Institut für Innovation und Technik in Berlin hat eine sehr präzise Definition für den Begriff Smart Home:

״Das Smart Home ist ein privat genutztes Heim (z. B. Eigenheim, Mietwohnung), in dem die zahlreichen Geräte der Hausautomation (wie Heizung, Beleuchtung, Belüftung), Haushaltstechnik (wie Z.B. Kühl schrank, Waschmaschine), Konsumelektronik und Kommunikationseinrichtungen zu intelligenten Gegenständen werden, die sich an den Bedürfnissen der Bewohner orientieren. Durch Vernetzung dieser Gegenstände untereinander können neue Assistenzfunktionen und Dienste zum Nutzen des Bewohners bereitgestellt werden und einen Mehrwert generieren, der über den einzelnen Nutzen, der im Haus vorhandenen Anwendungen hinausgeht.“ [1, s. 8]

2.2 Ziele von Smart Home Systemen

Die Einsatzmöglichkeiten von Smart Home Systemen werden näher von den Autoren Leitner, Hitz et al. erläutert, wobei sie auf die Frage eingehen, was Nutzer sich nun konkret vorstellen? Eine erste Überlegung wäre mit Sicherheit, dass es sich um die Vereinfachung des Lebens in der eigenen Umgebung handeln muss. Komplizierte und lästige Steuerung sind kein Alltagsproblem mehr, die Heizung passt sich automatisch der aktuellen Temperatur an, der dauerhafte Weg zum Lichtschalter erübrigt sich, da die künstliche Intelligenz sich nun um diese Probleme kümmert. Dieser Bereich wird unter dem Begriff ״Smart Living" aufgefasst.

Ein weiterer Bereich der Ziele von Smart Home Systemen ist das ״Ambient Assisted Living“, was zur Unterstützung von beeinträchtigten und älteren Menschen agieren sollen. In diesem Fall handelt es sich nicht nur um die Vereinfachung, sondern um die Realisierung des Alltags. [3]

2.2.1 Smart Living

In öffentlichen Einrichtungen und im Unternehmensbereich gab es erste Forschungsaktivitäten für smarte Applikationen und Systeme. Konkrete Ziele konnten hier besonders einfach bestimmt werden, da jeweilige Anforderungen fast exakt von der Unternehmensstruktur vorgegeben waren. Die Effektivität durch Einführung neuer Systeme konnte auch leicht ermittelt und anhand von Werten wie Gewinn, Produktivität und Effizienz bewertet werden.

Im Privatbereich jedoch stößt man auf einige Probleme, weswegen angestrebte Ziele nicht mehr einfach definierbar und messbar sind. Produktivität und Gewinn besitzen keine entscheidende Rolle mehr. Menschen werden sich in ihrer Freizeit nicht an vorgegebene Abläufe halten, die zur Verfügung stehende Zeit wird nach jeweiligem Interesse und Vorhaben eingeteilt. Ungeplante Aktivitäten finden zu unbestimmten Zeiten statt, weswegen kein eindeutiges Muster entstehen kann. Somit wird die Herausforderung zur Entwicklung von Smart Home Systemen deutlich komplexer und umfangreicher. [4]

Ein weiterer komplizierter Aspekt ist auch in den verschiedenen Interessen der Bewohner zu erkennen, da in einem Privathaushalt klassischerweise mehrere Personen mit unterschiedlichen Vorlieben leben. Deutlich wird, dass die Anpassung der Umgebung nicht auf einen Benutzer oder eine konkrete Gruppe von Benutzern möglich ist, sondern ein familiäres Zusammenleben realisieren muss. [5] Bei Ringbauer et al. wird darauf verwiesen, dass die Problematik eines Haushalts mit vollständiger Vernetzung enorm hoch ist. Zudem muss bei simultaner Nutzung mehrerer Geräte ebenfalls die Zusammensetzung berücksichtigt werden. Das Ziel des Smart Livings ist die Erleichterung des Alltags, jedoch ist dies nicht problemlos zu realisieren. [6]

2.2.2 Ambient Assisted Living

In diesem Bereich von den Smart Home Zielen handelt es sich speziell um geistig und gesundheitlich beeinträchtigte und ältere Menschen. Es existieren viele bekannte Beispiele betroffener Personen, bei denen bekannt ist, dass sie in der Lage sind akzeptabel in ihrer gewohnten Umgebung leben zu können, aber die Gefahr gegeben ist, dass sie in einige Situationen im Alltag geraten, welche selbst nicht zu bewältigen sind. Aufgrund der hohen Kosten für eine Pflegekraft, werden sie letztlich dazu gedrängt, in eine Pflegeeinrichtung zu ziehen. Da der Anteil älterer Menschen bevölkerungsgemäß immer mehr ansteigt, steigen somit auch die Kosten für die Pflege. Entsprechend dazu entwickelt sich die Technik stetig weiter und wird kostengünstiger für die Nutzer. Folglich lohnt es sich gerade für diese betroffenen Menschen, ihr gewohntes Zuhause in ein Smart Home zu erweitern, um das alltägliche Leben zu bewältigen. [3]

Im AAL stößt man jedoch auch auf gewisse Probleme. Bei den Benutzern von AAL handelt es sich um ältere Menschen, welche anfangen vergesslicher zu werden, teils skeptisch gegenüber Technik sind oder nicht mehr in der Lage sind, sich gewisse Dinge in der Steuerung einzuprägen wie Z.B. , ob nun ein Mausklick oder Doppelklick das Licht einschaltet. Es lässt sich erkennen, dass die Interaktion dieser unterstützenden Systeme bezüglich jeweiliger Benutzer angepasst werden müssen. [7]

3 Technische Grundlagen

In diesem Kapitel werden technische Aspekte des Smart Homes näher beleuchtet und untersucht. Angefangen mit Netzwerk- und unterschiedlichen Übertragungssystemen, wo ebenfalls auch die Anordnungen dieser Systeme betrachtet werden [8,9,10], bis hin zu konkreten Smart Home Systemen und dem Smart Grid. Mithilfe des Abschnitts der Smart Home Systeme soll deutlich werden, dass es jeweilige Vor,- Nachteile und Unterschiede zwischen den einzelnen Systemen untereinander gibt. [11] Weiterhin soll das Smart Grid erörtert werden, speziell in den Aspekten was es für eine Rolle spielt für das Smart Home und welche Herausforderungen und Risiken damit verbunden sind. [24,25,26]

3.1 Netzwerk- und Übertragungssysteme

Wenn Smart Home Anwendungen vernetzt werden, kommen verschiedene Netzwerktechnologien zum Einsatz. Zudem sollte die Anordnung des Systems konkret geplant werden, um Probleme möglichst zu vermeiden. Die praxisnahe Umsetzung der Netzwerktechnologien ist auf unterschiedlichen Arten möglich. Bei der Übertragung kann es sich um drahtgebunde Busleitungen handeln, drahtlose funkbasierte Bussysteme und oder um Stromnetzsysteme {Powerline}. Die differenzierten Systeme können sowohl einzeln als auch in Kombination von Gebäudeautomatisationssystemen integriert werden. Hier entscheidet nun der Nutzer, welche Auswahl für ihn speziell am relevantesten bzw. nützlichsten zu erachten ist. [8,9]

Mithilfe der Netzwerksysteme können unterschiedliche Steuerungs- und Überwachungsfunktionen miteinander vernetzt werden, wo die Anordnung keine Rolle spielt, das heißt ob es Z.B. eine zentrale oder dezentrale Anordnung wäre. [10]

Somit entstehen für den Nutzer beliebig viele Möglichkeiten, gewisse Steuerung von beispielsweise Fenstern, Heizungssystemen, Alarmsysteme oder Bildübertragungen von internen Kameras abzurufen. Ebenfalls muss auf die Leistungsfähigkeit der Netzwerksysteme bezüglich verschieden großer Datenkapazitäten geachtet werden. Steuerungs- und Überwachungssysteme benötigen keine solch großen Datenübertragungsraten wie die Kommunikationssysteme für Videoübertragungen. [8]

3.1.1 Anordnungen von Systemen

Es existieren verschiedene Arten von Systemanordnungen, wobei jede Anordnung eigene Vor- und Nachteile mit sich bringt. Die zentrale Systemanordnung besitzt eine bis mehrere Zentralen. Hier werden Funktionsanforderungen von den Sensoren an die Aktoren über eine Zentrale weitergeleitet. Aufgrund der starken Angebotsdichte in der Automation sind die Kosten bei solch einem Systemaufbau sehr gering, jedoch darf man nicht vergessen, dass durch einen Schaden an der Zentrale automatisch auch ein vollständiger Systemausfall stattfindet. [10]

Dezentrale Systeme werden als dynamische Systeme betrachtet, die eine verteilte Intelligenz besitzen. Hier besteht jeder einzelne Automationsteilnehmer aus mindestens einem Anwendungs-, Funktions- und Kommunikationsprozessor.

Aufgrund dieser Eigenschaft entstehen hier deutlich höhere Kosten als bei zentralen Systemen. Die einzelnen Komponenten kommunizieren über ein Segment, über diese letztlich alle unterschiedlichen Informationen ausgetauscht werden. Somit lassen sich direkte Verknüpfungen zwischen Aktoren und Sensoren einfacher realisieren. Bekannt ist jedoch, dass sich diese Struktur schlecht auf die Integration von Smart Meter Systemen auswirkt. [10]

Halbzentrale und Halbdezentrale Systeme bestehen aus mehreren Controllern, die wiederum in verschiedenen Etagen eines Gebäudes angeordnet sind. Folglich kommt es dazu, dass sich die Funktionalität der Sensoren auf zusätzlich eingerichtete Controller verteilen kann. Namenhafte Systeme sind aktuell von Beckhoff und WAGO. Durch die Kostenvorteile beider Hersteller bei Controllern wird dem Nutzer die Möglichkeit gegeben, ein zentrales Systemen ohne große Probleme in eine halb dezentrale Struktur zu verändern.

Dadurch können die Hindernisse einer zentralen Struktur größtenteils minimiert werden. Wegen der Funktionalitätsvielfalt solch einer Hausautomatisationsstruktur ist diese Version der Vernetzung optimal für Smart Home Anwendungen geeignet. [10]

3.1.2 Bussysteme

Ein Bussystem bezeichnet eine zentrale Steuerung von elektrisch betriebenen Geräten innerhalb eines Haushaltes. Drahtgebundene Systeme sind bei einem Neubau immer vorteilhafter als drahtlose Systeme. Dem Nutzer sollte bewusst sein, dass sowohl eine stärkere Sicherheit als auch eine bessere Kontinuität in der Übertragungsqualität entsteht bei der Wahl von drahtgebunden Systemen. Weiterhin werden Störungen und Unterbrechungsfehler besser vermieden, als bei drahtlosen Systemen. [9, 10]

3.1.3 Funkbasierte Bussysteme

Jedoch haben drahtlose Systeme ebenfalls ihre Vorzüge. Drahtlose Installation wäre nachträglich deutlich kostengünstiger und komfortabler zu integrieren. Es entsteht kein Verkabelungsaufwand, die Brandlast durch Kabel wird reduziert und die jeweiligen Geräte können bei Bedarf einfacher umplatziert werden. [10]

3.1.4 Stromnetzsysteme

Bei dieser Systemeinrichtung werden die Leitungen verwendet, welche sich schon innerhalb des Gebäudes befinden. Diese Variante bietet sich speziell bei Nachrüstungen existierender Gebäude an, weil keine großen Veränderungsmaßnahmen notwendig sind.

Stromnetzsysteme ähneln den Funktionsweisen von gängigen Modems. [9]

Die Datenübertragung funktioniert durch die Anbringung von Adaptern an Steckdosen, die das digitale Signal in ein analoges Signal modulieren und über das gesamte Stromnetz verteilen. Letztlich wird das Signal, welches nun analog ist, durch einen Adapter am Empfangsort wieder in ein herkömmliches digitales Signal verändert.

Die Stromnetzsysteme können jedoch durch elektromagnetische Felder beeinflusst werden, was zu Systemausfällen führen kann. [9]

3.2 Smart Home Systeme

Bei Smart Home Systemen wird zwischen zwei Arten unterschieden. Zum einen gibt es proprietäre Funksysteme wie das HomeMatic und zum anderen standardbasierte Funksysteme wie den Z-Wave. Proprietäre Funksysteme sind das geistige Eigentum eines einzelnen Anbieters. Hier ist der Kunde darauf angewiesen, dass ״sein“ Hersteller alles anbietet, was er benötigen könnte. Als Kunde muss man auch das Vertrauen haben, dass der Hersteller seine Produkte für viele weitere Jahre anbietet, falls Ersatzteile benötigt werden oder man etwas ausbauen möchte.

Standardisierte Systeme hingegen sind Funksysteme, welche auf veröffentlichen Standards basieren. Hier bieten viele Hersteller kompatible Produkte an, so dass das Angebot deutlich breiter ist und der Kunde nicht beschränkt auf einen einzelnen Hersteller ist. [11]

3.2.1 HomeMatic

Das HomeMatic-System wurde vom deutschen Unternehmen eQ-3 entwickelt, speziell für Anwendungen in der Gebäudeautomation. Auf der technischen Ebene wird das System auch als ״BidCoS“ bezeichnet, was eine Abkürzung für ״bidirectional communication system“ ist. Das BidCoS ermöglicht diverse Haussteuerungen für den Alltag. Beispiele hierfür wären Dimmen von

Licht, Schutz vor Einbruch oder Absicherungen bei Gefahren gegen Rauch oder Gas.

Das System besteht aus batterie- und netzbetriebenen Komponenten und durch die bidirektionale Kommunikation, dass der Empfänger die gesendeten Funksignale bestätigt, wird die Funktionssicherheit erhöht. Es verwendet zudem das AES-Verfahren zur Verschlüsselung.

Das System ist ebenfalls auf den Betrieb zwischen den batteriebetriebenen Geräten ausgelegt, damit der Stromverbrauch der jeweiligen einzelnen Komponenten gering bleibt und folglich die Batterien lange genutzt werden können. Dies ersetzt jedoch nicht die Tatsache, dass die Batterien nie erneuert werden müssen.

HomeMatic besitzt zudem im Vergleich zum Z-Wave gewisse Aktoren, die zeitgesteuerte Funktionen autonom ausführen können. Beispielsweise können Treppenlichtfunktionen von Bewegungsmeldern in Dimmern und Schalten konfiguriert werden oder Thermostate von Heizkörpern führen unterschiedliche Wochenprogramme autonom aus, so dass Anpassungen vorbestimmt werden können.

3.2.2 Z-Wave

Der Z-Wave stellt einen Hausautomatisierungsstandard für die drahtlose Steuerung in privaten Haushalten dar. Durch den Z-Wave Funkstandard gelingt es, eine einheitliche Bedienung für das Smart Home zu schaffen. Die Geräte verschiedener Hersteller aus beliebigen Bereichen der Hausautomation können somit miteinander integriert und bedient werden. Jeweilige Aktoren und Sensoren kommunizieren sowohl mit der Steuerungseinheit als auch untereinander, was zu einem stabilen Smart Home Netz führt.

Der Z-Wave bietet zuverlässige Zwei-Wege-Kommunikation an durch die Nutzung von Empfangsbestätigungen und eines funkvernaschten Netzes. [11]

Mehr als 300 Hersteller bilden eine Z-Wave Allianz, die durch drahtlose Funkstandards miteinander kommunizieren. Der Sitz dieser Allianz befindet sich in Kalifornien (USA) und die sechs Hauptmitglieder dieses Zusammenschluss sind die Unternehmen Sigma Designs, Makro, Evolve, Ingersoll-Rand, Vasco Products Company und Nortek. Die Aufgabenbereiche der Allianz sind Weiterentwicklungen des Z-Wave Funkstandards und gemeinsame Marketingpläne.

Der Z-Wave verwendet ein Frequenzband von 868 MHz und vermeidet folglich die deutlich überfüllten 2.4 GHz- Frequenzen, welche vom WLAN und anderen Smart Home Systemen wie dem ZigBee genutzt werden. Der Preis der Funktechnologie ist sicherlich teurer als der von einfachen analogen Technologien, jedoch deutlich günstiger als vergleichbare Geräte wie dem EnOcean oder dem HomeMatic.

Das Hauptargument des Z-Wave laut des Autoren Pätz ist, dass es 100% Kompatibilität verspricht. Alle Geräte, die mit Z-Wave arbeiten, können ohne Einschränkungen in genau einem Netzwerk funktionieren. Zudem können sie mit jedem Steuerelement, das auch vom Z-Wave verwendet wird, gesteuert werden. [11]

3.3 Smart Grid

״Mit Smart Grid wird ein elektrisches Netz bezeichnet, das die Produktion, den Verbrauch und die Speicherung von Strom miteinander verbindet und zentral koordiniert. Smart Grids sind Stromnetze, die durch ein abgestimmtes Management mittels zeitnaher und bidirektionaler Kommunikation zwischen Netzkomponenten, Erzeugern, Speichern und Verbrauchern einen energie- und kosteneffizienten Systembetrieb für zukünftige Anforderungen unterstützen.“ [26, S.1] Das Ziel ist, das Stromnetz navigieren zu können, um die Auslastung zu optimieren. In Situationen mit einer starken Stromproduktion, wird für einen steigenden Stromverbrauch gesorgt und das Laden der Energie in den Speicher. Wenn schwächere Produktion auftritt, wird der Verbrauch zurückgesetzt und es wird aus dem Speicher entladen. [26]

[...]

Ende der Leseprobe aus 17 Seiten

Details

Titel
Das Smart Home. Definition, Aufbau und Nutzung
Hochschule
Universität Siegen
Veranstaltung
Nutzerorientierte Gestaltung von Home Care-Anwendungen
Note
1,3
Autor
Jahr
2017
Seiten
17
Katalognummer
V445637
ISBN (eBook)
9783668821248
ISBN (Buch)
9783668821255
Sprache
Deutsch
Schlagworte
Smart Home, Technik, Systeme, Fortschritt, Automatismus, Zuhause, Zukunft, Technologie
Arbeit zitieren
Mert Erdogan (Autor), 2017, Das Smart Home. Definition, Aufbau und Nutzung, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/445637

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