Selbst schlau sein. SmartMeter im Selbstbau. Dipl.-Ing. (FH) Klaus J. Müller

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1 Selbst schlau sein SmartMeter im Selbstbau Dipl.-Ing. (FH) Klaus J. Müller 17. DFN Workshop "Sicherheit in vernetzen Systemen" , Hamburg

2 SmartMeter - was ist das? Intelligente Energiezähler - hier: Stromzähler *) *) genau genommen geht s hier natürlich nicht um Strom, sondern um elektrische Leistung 17. DFN Workshop 2

3 SmartMeter - was ist das? vorher: zeitliche Auflösung: 1 Messwert/Jahr 17. DFN Workshop 3

4 SmartMeter - was ist das? Quelle: nl.wikipedia/quistnix (CC-BY) [1] 17. DFN Workshop 4

5 SmartMeter - was ist das? nachher: zeitliche Auflösung: > 1 Messwert/Sekunde 17. DFN Workshop 5

6 SmartMeter - was ist das? 17. DFN Workshop 6

7 SmartMeter - wozu? Stromverbrauchsprofil analysieren: wie hoch ist mein Verbrauch nachts? (im Leerlauf) 1 Watt => 8,760 kwh/a lohnt der Ersatz eines Altgerätes durch ein modernes Gerät? Anteil von Geräten mit hoher Leistung und kurzer Laufzeit? (Backofen, Fön,...) der Versorger möchte die Daten auch gerne nutzen um sein Netz und die Versorgung zu optimieren 17. DFN Workshop 7

8 SmartMeter - wozu? spätestens zum sind die Versorger lt. EnWG [2] verpflichtet einen Tarif anzubieten, der einen Anreiz zu Energieeinsparung oder Steuerung des Energieverbrauchs setzt später: monatliche Stromabrechnung 17. DFN Workshop 8

9 Kühlschrank 17. DFN Workshop 9

10 Backofen 17. DFN Workshop 10

11 Spülmaschine kaltes Wasser holen, aufheizen Text 17. DFN Workshop 11

12 Notebookakku leer -> ab an die Steckdose! Licht + Notebook aus WLAN-AP aus Ladekurve des Notebookakkus Licht + WLAN-AP 17. DFN Workshop 12

13 SmartMeter - was sieht man da? typische Verbrauchsprofile von Geräten erlauben eine eindeutige Identifikation: Kühlschrank Backofen TV Mikrowelle Fön 17. DFN Workshop 13

14 SmartMeter - was sieht man da? Rückschlüsse auf Lebensgewohnheiten: aufstehen? zu Bett gehen? nächtliche Toilettenbesuche? (Licht) Kochen: wann? wie oft? mit mehreren Herdplatten? mit dem Backofen? Abweichungen? (Gäste, veränderte Lebensgewohnheiten,...) -> bessere Überwachung als mit einer Kamera? 17. DFN Workshop 14

15 SmartMeter - was sieht man da? Der Stromversorger ist per EnWG [2] seit dem verpflichtet, für Neubauten und bei umfangreichen Renovierungen ein SmartMeter anzubieten geregelt: Versorger muss anbieten, Kunde ist nicht zur Installation verpflichtet Kunde muss Daten lesen können, um seinen Verbrauch zu optimieren 17. DFN Workshop 15

16 SmartMeter - was sieht man da? nicht geregelt (und daher nicht eingeschränkt): Randbedingungen, unter denen der Versorger die Daten nutzen darf: zeitliche Auflösung, Pseudonymisierung/ Anonymisierung, Weitergabe, DFN Workshop 16

17 SmartMeter - wie? vom Versorger, z.b. YelloStrom; Kosten: einmalig: EUR 79 (Gerät incl. Installation) monatlich: ca. EUR 8 (incl. Eigenverbrauch des Zählers) von einem Drittanbieter, z.b. The Energy Detective zusammen mit Google PowerMeter einmalig: EUR 100 (Gerät ohne Installation - diese ist sehr einfach) monatlich: EUR DFN Workshop 17

18 SmartMeter - wie? Selbstbau; Kosten: einmalig: ca. EUR 80 (zzgl. Aufbau, Installation,...) monatlich: EUR DFN Workshop 18

19 SmartMeter - wie? Yellostrom: sekundengenaue Auflösung verbleibt (lt. Yellostrom, [3]) im Haus per PC abrufbar ( Sparzähler hat einen Webserver) viertelstündliche Verbrauchswerte werden zu Yellostrom übertragen per Web abrufbar (verschlüsselt, authentifiziert) 17. DFN Workshop 19

20 SmartMeter - Datenschutz?!? Kombination folgender Randbedingungen macht SmartMeter kritisch: Benutzeridentifikation - Daten werden zum Versorger übertragen -> Nutzer kann das nicht ausschliessen hohe zeitliche Auflösung - gesetzliche Obergrenze schaffen? 17. DFN Workshop 20

21 volkszaehler.org

22 Selbstbau - wie? (HW - Zähler) Stromzähler für Hutschienenmontage (3 Stück bei ebay ca. EUR 50) 17. DFN Workshop 22

23 Selbstbau - wie? (HW - Zähler) 17. DFN Workshop 23

24 Selbstbau - wie? (HW - Zähler) 3 Vorsicherungen hier darf jeder Elektriker arbeiten - ohne die entsprechende Qualifikation sollte man auch hiervon die Finger lassen!!! verplombter Bereich - hier darf nur der Versorger ran!!! offizieller Zähler Zähler Sicherungsautomaten mehr Sicherungsautomaten Hauptschalter Zählerschrank 17. DFN Workshop 24

25 Selbstbau - wie? (HW - Controller) Controllerboard (als Fertigmodul bei pollin.de) 17. DFN Workshop 25

26 SmartMeter - wie? (HW - Aufbau) Logging: Zähler S0 *) µc-board LAN/ Internet Server (Apache/PHP/ PostgreSQL) Pull-Up aktiviert, direkt angeschlossen *) S0: nix ISDN - potenzialfreier Schaltausgang 17. DFN Workshop 26

27 Selbstbau - wie? (SW) ethersex DNS, NTP,... HTTP-GET-Client (auf Basis des vorhandenen twitter- Clients erstellt) Debugging via RS232 sehr einfache Überwachung der µc-ports möglich -> mit minimalen Erweiterungen war hier bereits alles getan! 17. DFN Workshop 27

28 Selbstbau - wie? (SW) Linux-Server mit Apache, PHP+PostgreSQL zur Speicherung sowie Auswertung der Daten Darstellung der Messwerte im Browser via JS-Bibliothek ( flot ) 17. DFN Workshop 28

29 SmartMeter - wie? (SW) Logging: µc-board http Apache +PHP PSQL 1. übermittelt werden: uuid, Kanal (für mehrere Zähler) 2. der aktuelle Zeitstempel (in ms) wird zusammen mit der uuid und dem Kanal in der Tabelle pulses geloggt 17. DFN Workshop 29

30 SmartMeter - wie? (Auswertung) Auswertung: Browser https Apache +PHP PSQL 1. Browser übergibt uuid als GET-Parameter 2. aus der DB werden die passenden Zeitstempel ausgelesen 3. aus der Zeitdifferenz zwischen 2 aufeinanderfolgenden Impulsen lässt sich die angeschlossene Leistung berechnen 4. Visualisierung des Verbrauchsprofils im Browser 17. DFN Workshop 30

31 Selbstbau - Status Zähler (Hutschiene mit S0-Schnittstelle, ) Controller (für max. 12 Zähler mit S0-Schnittstelle) Logging via HTTP durch Apache in PostgreSQL Visualisierung im Browser mittels JS-Bibliothek Darstellung für kleine (1 Minute) bis große Zeitintervalle (1 Jahr) optimiert Anzeige der minimal, maximal und durchschnittlich für das aktuelle Zeitintervall angeschlossenen Leistung, Hochrechnung des Verbrauchs auf ein Jahr 17. DFN Workshop 31

32 volkszaehler.org Bereitstellung der kompletten Software für einen SmartMeter im Eigenbau (ethersex-patches, PHP-Skripte für Logging und Auswertung, PostgreSQL-Struktur, JS für Visualisierung) alternativ kann der Server direkt kostenlos für Logging und Auswertung genutzt werden (und wo ist dann der Unterschied zu yellostrom et al.?) 17. DFN Workshop 32

33 volkszaehler.org Pseudonymisierter Zugriff: Zugriff (Logging und Auswertung) erfolgt auf Basis einer eindeutigen Benutzerkennung, die der Benutzer selbst wählt (16 Byte in Form von 32 Hex-Zeichen , z.b ABC -> ca. 3x10^38 Möglichkeiten) Zugriff erfolgt ohne Passwort und ohne Identifikation 17. DFN Workshop 33

34 Selbstbau - wie geht s weiter? Allgemein: Pseudonymisierte Nutzung Upload der Software auf github (done) Unterstützung weiterer Messgeräte: Anbindung 433/866 MHz-Geräte ZigBee-Anbindung KD DFN Workshop 34

35 Selbstbau - wie geht s weiter? Controller: Stabilität Controllerpatches Schreiben auf SD-Karte 17. DFN Workshop 35

36 Selbstbau - wie geht s weiter? Visualisierung: Anzeige Momentanverbrauch Anlieferung Messwerte durch andere Stromzählertypen (erspart die Arbeiten am Zählerkasten) Flash-Bibliothek? MRTG?...? Bessere Analysemöglichkeiten (Erkennung von Geräten, Bestimmung Jahresverbrauch pro Gerät, verschiedenste Vergleiche,...) 17. DFN Workshop 36

37 Alternative Ansätze zur Messung ELV EM 1000-WZ (ca. EUR 40) + keine Arbeit an Elektrik erforderlich + Alle angeschlossenen Geräte werden berücksichtigt + Wirkleistungsmessung - relativ geringe Auflösung (75 Imp./kWh) 17. DFN Workshop 37

38 Alternative Ansätze zur Messung KD302 (EUR 10 bei reichelt.de) + keine Arbeit an Haus-Elektrik erforderlich + Wirkleistungsmessung - (noch) keine Anbindung an µc-board - ungeeignet, um versteckte/vergessene Verbraucher aufzuspüren Funk-Schnittstelle (ZigBee?) anbauen? Kosten für ZigBee-Anbindung bei ca. EUR DFN Workshop 38

39 Alternative Ansätze zur Messung Oregon Scientific (EUR 50 für Messklemmen, Sender (433 MHz), Empfänger+Displayeinheit) + kaum Arbeit an Elektrik erforderlich + alle angeschlossenen Geräte werden berücksichtigt + reine Strommessung; Spannung ist nicht konstant -> Messfehler! - (noch) keine Anbindung an µc-board Funkschnittstelle mit 433 MHz - RFM12?!? 17. DFN Workshop 39

40 - wer 17. DFN Workshop 40

41 Über: Klaus J. Müller Seit 2000 freiberuflich für verschiedene Industrieunternehmen sowie als Lehrbeauftragter auf dem Gebiet der Internet-Sicherheit tätig Tätigkeitsschwerpunkte: System- und Netzwerksicherheit, Sicherheitscoaching 17. DFN Workshop 41

42 Links DFN Workshop 42

43 Quellen [1] title=datei:kilowattuurmeter_dubbel_tarief.jpg&filetimesta mp= [2] EnWG: [3] 17. DFN Workshop 43

44 Wo krieg ich das Zeugs her? Hardware: µc-board: AVR NET-IO (Anm.: ist zeitweise im Shop nicht gelistet - kommt dann aber wieder...) AVR_NET_IO_Fertigmodul.html Stromzähler Hutschiene %C3%A4hler+hutschiene+so Stromzähler KD302 Stromzähler Oregon Scientific Software für µc-board: ethersex 17. DFN Workshop 44

45 24h - Auflösung: 1s 17. DFN Workshop 45

46 24h - Auflösung: 15min 17. DFN Workshop 46

47 24h - Auflösung: 60min 17. DFN Workshop 47

48 10h - Auflösung: 1s 17. DFN Workshop 48

49 10h - Auflösung: 15min 17. DFN Workshop 49

50 10h - Auflösung: 60min 17. DFN Workshop 50

51 5h - Auflösung: 1s 17. DFN Workshop 51

52 5h - Auflösung: 15min 17. DFN Workshop 52

53 5h - Auflösung: 60min 17. DFN Workshop 53

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