Systeme und Trends der Home Automation

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1 Systeme und Trends der Home Automation Thomas Kittel Medien- und Kommunikationsinformatik Hochschule Reutlingen Abstract: In diesem Dokument wird zu Beginn kurz die Home Automation selbst beschrieben. Anschließend wird auf grundlegende Kommunikationsstandards und deren Eigenschaften eingegangen. Im weiteren Verlauf werden einige Systeme für eine Automatisierung im Eigenheim vorgestellt. Darunter sind moderne Systeme für Jung und Alt. Zukunftsorientierte Ideen und Trends werden ebenfalls präsentiert. Ziel ist es, einen Einblick in die Home Automation zu geben. Die vielseitigen Möglichkeiten hervorzuheben und darzustellen, wie diese Systeme uns im täglichen Leben unterstützen können.

2 1 Einleitung In der vergangenen Zeit wurde immer mehr durch fortschrittliche Technik weiterentwickelt und automatisiert. Früher in der Industrie und Agrarwirtschaft, dann in den letzten Jahren, verstärkt in intelligenten Systemen wie zum Beispiel Computern. Durch diesen zeitlichen Wandel ist die Automatisierung in den letzten Jahren auch im eigenen Zuhause angekommen und erstreckt sich dort über ein stetig wachsendes Einsatzgebiet. Bereits in den späten 80er Jahren gab es sehr intelligente Häuser, die selbst heute noch als modern gelten (s. Kapitel 8). 1.1 Was ist eigentlich Home Automation? Die Home Automation ist eine Automatisierung von Gerätesteuerungen im Eigenheim. Das heißt, dass die vom Menschen verrichtete Arbeit durch intelligente Systeme vereinfacht, oder ganz abgenommen wird. Es gibt unterschiedliche Bezeichnungen für die Home Automation. Oft wird auch von Smart Home, Smart House oder ehome gesprochen, aber damit ist dasselbe gemeint. Es gibt die verschiedensten Systeme, die dem Bewohner die alltäglichen Abläufe durch moderne Technologien der Automationstechnik erleichtern, oder vollständig abnehmen können. Von Heizungs-, Belüftungs- und Beschattungssystemen über Alarmanlagen, bis hin zur Videoüberwachung bietet die Home Automation sehr viele Möglichkeiten für eine Automatisierung. Zusätzlich kann dadurch der Energieverbrauch optimiert und Zeit gewonnen werden. 1.2 Die Zielgruppen Durch die zahlreichen Möglichkeiten, die von der Home Automation geboten werden, können die Automatisierungssysteme individuell an die unterschiedlichsten Interessen angepasst werden. Somit spricht die Home Automation eine breite Zielgruppe an. Junge, sowie alte und auch behinderte Menschen können aus diesen Systemen profitieren. Die einzelnen Systeme werden in Kapitel 6, und die Systeme speziell für ältere Menschen werden in Kapitel 7 gezeigt.

3 2 Die Kommunikation der Home Automation Für eine moderne Kommunikation zwischen Geräten werden Feldbussysteme eingesetzt. Ein Feldbus ist eine Datenleitung, über die Geräte miteinander kommunizieren. Nach dem Motto: Einer spricht und alle anderen hören zu. Diese Feldbusse ersparen einen sehr hohen Verkabelungsaufwand, denn es können alle Geräte über einen Feldbus miteinander verbunden werden und darüber Daten untereinander austauschen. Bei diesen Geräten, auch Feldgeräte genannt, handelt es sich um sogenannte Sensoren (Temperaturfühler, Schalter), Aktoren (Regelventile, Antriebe, Relais) und Raumbediengeräte, sowie deren Anbindung an Automationsstationen (DDC) [MHH10, S.202]. Die Aktoren übernehmen beispielsweise die Schaltung eines Stromkreises für ein Belüftungssystem oder ähnliches. Um eine stabile und geregelte Kommunikation über diese Feldbusse gewährleisten zu können, sind sogenannte Protokolle nötig. Seit den letzten Jahren gibt es einige, verschiedene Kommunikationsstandards auf dem Markt. Dazu gehören unter anderem HomePlug, HomePNA, IrDA (Infrared Data Association), Bluetooth, EIB (Europäischer Installationsbus)/KNX (Konnex) (s. Kapitel 3), LonWorks (s. Kapitel 4) und UPnP (Universal Plug and Play), vgl. [Arm10, S.34]. Weitere, wichtige Standards in der Home Automation sind ZigBee und BACnet (Building Automation and Control Network) (s. Kapitel 5). Bei dem genannten Konnex handelt es sich um die Bezeichnung mehrerer Firmen, die den KNX-Standard gründeten und den EIB dadurch abgelöst haben. Die Kommunikation in der Home Automation kann in drei Ebenen unterteilt werden. Die Managementebene, die Automationsebene und die Feldebene. Zur: Managementebene gehören Computer, welche die Automatisierungssysteme über die Automationsebene verwalten. Diese Ebene gilt als zentraler Punkt für die Steuerung eines Automatisierungssystems. Automationsebene gehören Steuereinheiten mit der genauen Bezeichnung Direct Digital Control (DDC). Über diese DDCs werden die Endgeräte eines Automatisierungssystems angesteuert. Feldebene gehören Sensoren und Aktoren, welche mit den DDCs über den Feldbus verbunden sind.

4 3 Der KNX-Standard Der KNX ist ein sehr bekannter Standard in der Home Automation für die Vernetzung verschiedener Geräte und Anlagen über ein Bussystem. Außerdem bietet er eine vielseitige Bandbreite an Einsatzmöglichkeiten in den unterschiedlichen Bereichen der Home Automation, weil der KNX-Standard mehrere Übertragungsmedien unterstützt (s. Kapitel 3.1). In den folgenden Unterkapiteln wird der KNX genauer erläutert. 3.1 Die Übertragungsmedien Für den KNX gibt es mehrere Verfahren um Daten zu übertragen. Dabei werden vier unterschiedliche Übertragungsmedien verwendet. KNX TP stellt das erste Übertragungsmedium dar. Die Übertragung erfolgt über Twisted-Pair-Kabel. Dabei handelt es sich um Kupferkabel mit verdrillten Aderpaaren. Die Ergänzung TP steht dabei für Twisted-Pair. Bei dem zweiten Übertragungsmedium, KNX PL, werden die Daten über das bereits existierende 230V Stromnetz übertragen. PL steht dabei für Power Line. Man spricht hierbei von einer Power-Line-Communication (PLC), siehe auch Kapitel 5 und Kapitel 6.7. Ein weiteres Medium wird durch KNX RF geboten. Darunter ist eine Funkübertragung zu verstehen. Das RF steht dabei für Radio Frequency. Die letzte Variante, um mit dem KNX Daten zu übertragen, ist KNX IP. Dabei ist eine Übertragung über das Ethernet, welches ein Netzwerk zwischen kabelgebundenen Geräten im Bereich LAN (Local Area Network) darstellt, möglich. KNX TP ist die kostengünstigste Variante davon. (vgl. [knx12, S. 2 ff.], [MHH10, S. 72]) Aus folgendem Grund ist eine Übertragung über das Ethernet mit Vorsicht zu genießen: Da Ethernet kein deterministisches Protokoll ist, das Nachrichten innerhalb einer gewissen Mindestzeit zustellt, und Datenrahmen von Netzkomponenten bei Überlast verworfen werden dürfen, sind sporadisch auftretende und schwer zu identifizierende Fehler denkbar. [MHH10, S. 221] In der Home Automation würde dies bedeuten, dass es zu Verzögerungen zwischen der Bedienung und der Schaltung eines Gerätes über einen Aktor kommen kann. Im Gegensatz zum Ethernet sind Feldbussysteme über KNX TP resistenter gegen Fehler. 3.2 Die Verkabelung der KNX-Komponenten Diese ist hierarchisch aufgebaut und in verschiedene Bereiche und Linien unterteilt. Eine Linie wird durch eine Busleitung gebildet und repräsentiert. Es gibt die sogenannten Bereichslinien, Hauptlinien, die normale Linien und die Teilnehmer (damit sind Sensoren und Aktoren gemeint). Die Bereichslinie verbindet mehrere Stockwerke miteinander.

5 Die Hauptlinie verbindet mehrere Räume mit der Bereichslinie. Einzelne Räume werden über die normalen Linien mit der Hauptlinie verbunden und die Teilnehmer sind mit den Linien verbunden. Alles, was mit der Hauptlinie verbunden ist, bildet einen Bereich (Hauptlinie & Linien & Teilnehmer). Die unterschiedlichen Linien-Typen werden jeweils über einen Koppler miteinander verbunden. Diese Koppler verstärken das auf dem Feldbus übertragene Signal. Die beschriebene Verkabelungstechnik bezieht sich auf das Übertragungsmedium Twisted-Pair-Kabel (KNX TP). Bei den anderen Übertragungsmedien, die im Vorherigen Kapitel erläutert wurden, werden keine zusätzlichen Kabel benötigt, da diese über die bereits bestehenden Leitungen (PLC, Ethernet bzw. LAN- Kabel) verkabelt werden können. Zur Veranschaulichung der Verkabelung s. Abb. 1. (vgl. [MHH10, Kapitel 3.6], [knx12, S. 7 ff.]) Abbildung 1: Verkabelung beim KNX (KNX TP). (vgl. [MHH10, Bild 3.17]) Bei der Verkabelung gibt es zwei verschiedene Netze. Zum einen das des Feldbusses, an dem die Sensoren und Aktoren angeschlossen sind, zum anderen das Stromnetz für die Verbraucher. Die beiden Netze sind galvanisch voneinander getrennt. Bei einer galvanischen Trennung spricht man von einer Trennung des Steuerstromkreises von dem Hauptstromkreis (z.b. via Magnetfeld). (vgl. [MHH10, S. 79])

6 3.3 Die Konfigurationssoftware Die DDC-Steuerelemente müssen über die Software ETS 3 (Engineering Tool Software Version 3) konfiguriert und programmiert werden, damit die KNX-Anlage korrekt funktioniert. Dabei muss jedem DDC-Steuerelement eine physikalische Adresse zugeordnet werden, damit jedes Gerät eindeutig ansteuerbar ist. Möchte man mehrere DDC-Steuerelemente ansprechen, so besteht durchaus auch die Möglichkeit einer Gruppenadressierung. (vgl. [MHH10, Kapitel 3]) 3.4 Trends des KNX In den letzten Jahren haben sich die Touch-Displays in vielen Bereichen auf dem Markt durchgesetzt, wie zum Beispiel bei den Handys. Auch in der Home Automation gehören diese Touch-Displays bereits zum Standard. Es gibt bereits sogenannte Control Panels, die eine zentrale Steuerung der KNX-Anlagen möglich machen. Auch andere Anlagen können auf diese Weise gesteuert werden. Zudem wird auch die Ansteuerung über das Internet immer interessanter. Dabei werden die Computer der Managementebene als IP- Gateways eingerichtet und ermöglichen dadurch eine globale Bedienung der KNX-Geräte. (vgl. [MHH10, Kapitel 3.18]) Diejenigen, die bereits ein internetfähiges Handys besitzen, können so unkompliziert und ortsunabhängig, das Zuhause fernsteuern. 4 Das LonWorks-Bussystem Die LonWorks Technologie, aus dem Hause der Firma Echolon, ist die Alternative zum KNX-Standard. Allerdings setzt Echolon mit LonWorks auf eine dezentrale Home Automation. Die Sensoren und Aktoren sind mit einem sogenannten Neuron-Chip (s. Kapitel 4.2) ausgestattet, wodurch die Kommunikation nicht mehr über einen zentralen Punkt erfolgen muss. (vgl. [lon12, S. 6 ff.], [MHH10, S. 155 ff.]) Die LonWorks-Technologie ist ein nach EN genormtes Bussystem. Die eingesetzten Geräte besitzen eine eigene Intelligenz und werden miteinander zu einem lokal operierenden Netz verbunden. Die für diese Technik gebräuchliche Abkürzung LON geht auf die englische Bezeichnung Local Operating Network zurück. [MHH10, S. 155]

7 4.1 Die Übertragungsmedien Bei der LonWorks Technologie gibt es ebenfalls mehrere Möglichkeiten für die Datenübertragung. Zum einen die Übertragung über Twisted-Pair-Kabel (s. Kapitel 3.1). Dies wird am meisten genutzt. Zum anderen die Übertragung durch das 230 V Stromnetz mit Hilfe eines Transceivers. Das ist eine Netzwerkkomponente, die sowohl Sender als auch Empfänger in einem Bauteil darstellt. Die letzte Übertragungsmöglichkeit erfolgt über Funk, ebenfalls mit einem Transceiver. (vgl. [lon12, S. 6 ff.], [MHH10, S. 164]) 4.2 Der Neuron-Chip Dieser Chip ist ein programmierbares Prozessorsystem, das aus mehreren, separaten Prozessoren besteht. Es ermöglicht eine dezentrale Kommunikation zwischen den LON-Komponenten. Die einzelnen Prozessoren dieses Chips können dabei unterschiedliche Aufgaben übernehmen, welche für die Kommunikation relevant sind. Für den Datenaustausch zwischen den Chips, gibt es ein eigenes Protokoll mit dem Namen LonTalk. (vgl. [MHH10, S. 163 f.]) 4.3 Die Verkabelung bei LonWorks Die Verkabelung ist hier nach den Topologien der Rechnernetze klar strukturiert. Unter Topologien sind beispielsweise: die Linie, der Ring, die Masche, der Stern etc. zu verstehen. Wichtig ist, dass die Leitungsenden mit einem Abschlusswiderstand abgeschlossen werden. Dadurch werden mögliche Signalreflexionen vermieden. Dieser Widerstand wird auch als Terminator bezeichnet. Jede LON-Komponente, die mit einem Neuron-Chip ausgestattet ist und mit dem LON-Netz verbunden ist, wird als Knoten bezeichnet. (vgl. [MHH10, S. 174])

8 Abbildung 2: Verkabelung bei LonWorks. (vgl. [MHH10, Kapitel 4.5.1]) 4.4 Die Entwicklungs-Tools Zum Programmieren der Neuron-Chips wird eine Software benötigt. Die Firma Echolon stellt dafür zwei Tools zur Verfügung, die jedoch nur käuflich erhältlich sind. Es handelt sich dabei um die Programme LonBuilder und NodeBuilder. In beiden Entwicklungsumgebungen wird mit der Hochsprache Neuron-C programmiert. Die damit erstellte Software wird direkt in dem Speicher der Neuron-Chips gespeichert. (vgl. [MHH10, S. 188])

9 5 Weitere Kommunikationsstandards der Home Automation Auf die weiteren, in der Einleitung des Kapitels 2 genannten Kommunikationsstandards wird in der folgenden Tabelle informativ eingegangen. Ziel ist es, einen Überblick über die verschiedenen Kommunikationsstandards zu schaffen. KNX und LonWorks werden hier nicht mehr erwähnt, da diese bereits detailliert beschrieben wurden. Bluetooth und IrDa (Kommunikation via Infrarot) werden durch den alltäglichen Gebrauch, von zum Beispiel Handys, als bekannt vorausgesetzt. Bezeichnung HomePlug HomePNA UPnP Beschreibung Dies ist ein Anbieter für Steckdoesen-Adapter, die eine Power- Line-Communication möglich machen. HomePlug verwendet für die Datenübertragung die Leitungen eines bestehenden Stromnetzes im Haus. Es werden mindestens zwei dieser Adapter benötigt. Einer davon bei der Steckdose des Senders und der zweite bei der Steckdose des Empfängers. Je nach Anforderung gibt es unterschiedliche Steckdosen-Adapter. Für Netzwerkkabel, USB-Kabel und natürlich im Bereich Audio um nur einige Beispiele zu nennen.(vgl. [hpg12a], [hpg12b, S. 2]) Ähnlich wie bei HomePlug gibt es hier auch Adapter, allerdings nicht für das Stromnetz, sondern für die häusliche Telefon- und Koaxialkabel-Leitungen. Das Verkabelungsprinzip ist aber dasselbe, wie bei HomePlug. (vgl. [hpn12, S. 1]) Damit kann man einfach und schnell Geräte im eigenen Zuhause miteinander vernetzen. Die UPnP Technologie basiert auf einem IP-Netzwerk und jedes IP-fähige Gerät kann darüber angeschlossen und angesteuert werden. UPnP nutzt die bekannten Protokolle UDP, TCP/IP und HTTP und lässt deshalb eine Steuerung der vernetzten Geräte über jedes Internetfähige Gerät, wie zum Beispiel das iphone oder ipad, von außen zu. Für die Kommunikation zwischen den mit UPnP angeschlossenen Geräten wird die Extensible Markup Language (XML) und das Simple Object Access Protocol (SOAP) verwendet. Dadurch, dass UPnP mit den Standard-Protokollen der Netzwerktechnik arbeitet, kann jedes dem Netzwerk neu hinzukommende Gerät selbständig erkannt werden. Bei einem solchen Vorgang erhält das Gerät automatisch eine IP-Adresse, gibt seinen Namen im Netzwerk bekannt und kann des weiteren auf Anfrage auch seine Fähigkeiten offenlegen, sowie eigenständig von anderen Teilnehmern im Netzwerk lernen. (vgl. [upn06, S. 1])

10 ZigBee BACnet Diese Technologie wurde von der ZigBee Alliance entwickelt. Es handelt sich dabei um ein robustes Funknetz für die Kommunikation zwischen Geräten und Sensoren. Die ZigBee Technologie nutzt den IE- EE Standard. Aufgrund dieses Standards ist keine Synchronisation für die Kommunikation zwischen den anderen Netzteilnehmern nötig. ZigBee basiert auf der Netzwerk-Topologie Masche. (vgl. [zig07, S. 3]) BACnet ist seit dem Jahre 1995 ein aus Amerika stammender Standard für die Gebäudeautomation. Der Datenaustausch erfolgt über Kupferleitungen (Twisted Pair). Ebenso wie KNX und LonWorks findet die Kommunikation über einen Feldbus statt. (vgl. [MHH10, S. 201 ff.]) 6 Automatisierungssysteme in der Home Automation In diesem Kapitel werden Systeme für die Automatisierung in den verschiedenen Gewerken der Home Automation vorgestellt. In manchen Gewerken ist eine Automatisierung üblich. Dazu zählen beispielsweise Automatisierungssysteme für die Heizung, Beleuchtung, Beschattung, Elektroversorgung und Belüftung etc. Eine Automatisierung in diesen Gewerken ist zur heutigen Zeit bereits sowohl im öffentlichen, als auch privaten Bereich weit verbreitet. In modernen Neubauten sind Automatisierungssysteme aus diesen Gewerken heute nicht mehr wegzudenken. Es gibt noch weitere Automatisierungsmöglichkeiten, die aber nach heutigem Stand speziell und vor allem kostspielig sind, wodurch eine Umsetzung in Privathäusern eher die Ausnahme darstellt. Darunter zählen, Alarmanlagen, Videoüberwachungen und Zutrittskontrollen etc. (vgl. [MHH10, Tabelle 1.1, S. 21]) Im Folgenden werden einige Automatisierungssysteme aus den verschiedenen Gewerken vorgestellt. Darunter sind sowohl Systeme, die es schon über einen längeren Zeitraum hinweg gibt, als auch Systeme, die erst in jüngerer Vergangenheit entwickelt und getestet wurden.

11 6.1 Das Heizungssystem: PreHeat Dieses Heizungssystem wird durch verschiedene Sensoren gesteuert. Ziel ist eine effizientere Beheizung im Eigenheim. Möglich ist dies durch eine Anwesenheits Wahrnehmung in Kombination mit einer Vorhersage. Für die Steuerung der Heizung wurde ein Algorithmus entwickelt, der vorhersehen soll, wann jemand Zuhause ist und wann nicht. Dadurch wird die sogenannte MissTime [SBKMHHV11, S. 281] reduziert. Damit ist die Zeit gemeint, indem das Haus zwar bewohnt, aber noch nicht warm ist. Bei diesem System muss die Programmierung der Heizungssteuerung nicht manuell vorgenommen werden, da der Algorithmus mit der Zeit lernt, wann, und in welchen Zeiträumen das Eigenheim bewohnt ist. Damit das System weiß, ob jemand Zuhause ist oder nicht, werden Bewegungssensoren und RFID (Radio Frequency Identification)-Sensoren eingesetzt. Temperatursensoren, für das Messen der aktuellen Raumtemperatur sind ebenfalls ein wichtiger Bestandteil des Systems. Alle Komponenten des Systems beziehen ihren Strom über USB-Kabel. Dafür werden 230V Adapter verwendet. In jedem Raum werden Units [SBKMHHV11, S. 283] eingesetzt. Diese bestehen aus einer Temperaturanzeige, einem Bewegungssensor und einem Temperatursensor. Alle Units kommunizieren über die bereits in Kapitel 5 gezeigte ZigBee Technologie miteinander. (vgl. [SBKMHHV11, S. 281 ff.]) Abbildung 3: Aufbau einer Unit. (vgl. [SBKMHHV11, S. 283, Fig. 1]) Die erfassten Sensordaten werden über ZigBee an einen PC gesendet, der die Daten mit Hilfe eines in C# geschriebenen Algorithmusses auswertet. Alle 15 Minuten werden die Sensordaten erfasst und in einem binären Vektor gespeichert. Wurde innerhalb dieser 15 Minuten eine Person über die Bewegungssensoren erkannt, dann wird eine 1, ansonsten eine 0 gespeichert. Im Algorithmus ist für jeden der letzten, vergangenen Tage ein binärer Vektor angelegt. Somit lässt sich ermitteln, in welchen Zeiträumen die Wahrscheinlichkeit am größten ist, dass jemand Zuhause ist. Das Heizungssystem kann so gezielt selbst entscheiden, wann das Heizen nötig ist. (vgl. [SBKMHHV11, S. 281 ff.])

12 6.2 Automatisierung durch Spracherkennung Die Spracherkennung spielt zunehmend eine wichtige Rolle in der heutigen Gesellschaft. Gerade für Menschen mit einer Behinderung kann das eine große Hilfe sein, um so Zuhause hindernislos und flexibel Geräte zu bedienen. Das im Folgenden beschriebene System basiert ebenfalls auf der ZigBee Technologie. Die Geräte werden per Funk über ein Mikrofon gesteuert. Dazu muss das analoge Sprachsignal des Benutzers zuerst gefiltert und über einen D/A Wandler digitalisiert werden. Hierbei handelt es sich um einen Wandler, der digitale Signale in analoge Signale wandelt. Anschließend wird das Signal über das ZigBee Funknetz zu einem Mikrocontroller übertragen, der mit einem PC verbunden ist. Der Mikrocontroller sendet dann das Sprachsignal, für die Auswertung an den PC weiter. Auf dem PC arbeitet die Spracherkennungssoftware Microsoft Speech-API und vergleicht das Sprachsignal vom Benutzer mit einem digitalen Wörterbuch. Bei einer Übereinstimmung mit einem vordefinierten Befehl, wird der Befehl über das ZigBee Funknetz an das betreffende Gerät weitergeleitet. (vgl. [AGM11, S. 1 ff.]) Alle durch ZigBee ansteuerbaren Geräte, können durch diese Spracherkennung vom Benutzer bedient werden. Zum Beispiel die Beleuchtung, Rollläden, Fernseher etc. Die Aussprache ist dabei sehr wichtig, da sonst keine Übereinstimmung zwischen dem Sprachsignal des Benutzers und den definierten Befehlen gefunden werden kann. 6.3 Jalousie-Steuerung durch Sensoren Es ist längst nicht mehr nötig, jeden Morgen und Abend von Hand die Jalousien zu betätigen. Moderne Systeme schaffen hierfür Abhilfe. Zeitgesteuerte Jalousien sind inzwischen keine Seltenheit mehr. In solch einem System wird in einem zentralen Control Panel, eine Zeit festgelegt, zu der sich die Jalousien schließen oder öffnen sollen, vgl. [buj12, S. 4 ff.]. Es gibt aber auch Systeme, die je nach Lichtverhältnis, die Jalousien steuern. Dafür sind lichtempfindliche Sensoren ein elementares Bestandteil. Als Beispiel dient ein System, das von ehemaligen Studenten der Chienkuo Technology University in Taiwan vorgestellt wurde. Zusätzlich zu den Lichtempfindlichen Sensoren besteht das System aus einem Control Panel mit einem Mikroprozessor, einem Konverter für das Sensorsignal und aus Kontakten an der Ober- und Unterkante der Fenster. Die Jalousien selbst, werden über einen DC Motor gesteuert. Der Konverter ermittelt anhand der auf den Sensor fallenden Lichtstärke, ob die Jalousien hoch, oder runter gelassen werden sollen. Das Ganze sieht vereinfacht folgendermaßen aus (s. Abb. 4): (vgl. [CLLHC08, S ff.])

13 Abbildung 4: Vereinfachter Aufbau des Jalousie-Systems. (vgl. [CLLHC08, S. 2]) Für den Konverter sind Spannungsbereiche definiert, die für starke, schwache und normale Lichtstärken stehen. Je stärker das Licht ist, desto höher ist die Spannung, die an dem Konverter anliegt. Der Konverter besteht aus Widerständen und Transistoren, um die anliegende Spannung auszuwerten. Abhängig von der anliegenden Spannung (Lichtstärke am Sensor), steuert der Konverter den Mikroprozessor an. Entweder zum Öffnen, oder Schließen der Jalousien. Dabei erzeugt der Mikroprozessor eine Pulsweitenmodulation (PWM). Unter einer Pulsweitenmodulation kann man sich Signale mit einer bestimmten Frequenz bei definierter Signallänge vorstellen (z.b. Ein bestimmter Wechsel zwischen +5V und 0V). Bei diesem System kann der DC Motor mit 4 verschiedenen Pulsweitenmodulationen angesteuert werden, um die Funktion des DC Motors in unterschiedlichen Drehzahlen zu gewährleisten. So kann die Jalousie langsam anlaufen und wieder abbremsen. (vgl. [CLLHC08, S ff.]) 6.4 Home Automation über das Internet Das Zuhause von annähernd jedem Ort auf der ganzen Welt fernzusteuern, ist nahezu unvorstellbar. Allerdings ist mit einem Internetzugang in Kombination mit der Technik der heutigen Zeit unglaublich viel möglich. R. Nunes und J. Delgado (s. [NuD00, S. 298 ff.]) haben mit ihrem Automatisierungssystem genau das umgesetzt. Das System besteht aus einem PC, dem Home Server [NuD00, S. 298], auf dem ein Programm, der Home Automation Manager [NuD00, S. 299] für die Steuerung der Geräte läuft. Der PC ist zugleich als Webserver eingerichtet, um so den weltweiten Zugriff zu gewährleisten. Der Home Server ist mit den einzelnen Gewerks Anlagen (Heizungs-, Beschattungs-, Überwachungsanlage etc.) verbunden und wird vom Home Automation

14 Manager verwaltet. Die Verbindung zwischen dem Home Server und den Gewerks Anlagen kann zum Beispiel mit dem KNX oder dem LonWorks realisiert werden. (vgl. [NuD00, S. 298 ff.]) Alle Informationen über die zu steuernden Geräte, wie beispielsweise der Status, werden in einer Datenbank auf dem Webserver abgespeichert. Das Interface für die Steuerung, wird durch eine Website repräsentiert. Die Steuerung der einzelnen Komponenten kann flexibel über alle internetfähigen Geräte (Notebooks, Smart Phones, Tablet-PCs etc.) geschehen. (vgl. [NuD00, S. 299 ff.]) 6.5 Cloud-Computing für das Zuhause mit IPv6 Unterstützung IPv6 wird in der Zukunft eine zunehmend bedeutendere Rolle spielen, da der Adressierungsbereich von IPv4 demnächst erschöpft ist. Das liegt daran, dass heutzutage das Internet längst nicht mehr nur für die Kommunikation oder den Datenaustausch verwendet wird, sondern auch in vielen Bereichen als Webpräsenz dient. Außerdem hat fast jeder Zuhause mehrere Geräte (PCs, TVs etv.) mit dem Internet vernetzt. Auch für die modernen Home Automatisierungssysteme werden viele IP-Adressen benötigt. Wie beispielsweise bei dem folgenden System für das Cloud-Computing mit zugehöriger Website zur Steuerung der Geräte. Ähnlich wie im Kapitel 6.4 wird auch in diesem System ein Webserver als zentrale Kommunikationseinheit verwendet. Der Schwerpunkt liegt in diesem System hingegen aber auf einer Funkvernetzung zwischen den Geräten. Die Funkvernetzung basiert auf dem W-LAN Standard und zusätzlich dazu wird ein 6LoWPAN (IPv6 over Low power Wireless Personal Area Network)-USB-Adapter, für die Kompatibilität zu IPv6-Geräten verwendet. Als Kommunikationsprotokoll wird UPnP verwendet. Für die Kommunikation zum Webserver ist ein Mini-Computer als IP-Gateway eingerichtet, der den Webserver über Änderungen im Netzwerk informiert. Dieser Mini-Computer bildet zugleich den W-LAN Access Point und ist mit dem 6LoWPAN-USB-Adapter verbunden. Für die Steuerung über den Webserver wird ebenfalls ein Webinterface benötigt. Dank UPnP können so Geräte entweder über das W-LAN, oder über den 6LowPAN erkannt werden, und sind so über das Webinterface steuerbar. (vgl. [BMTPS12, S. 520 f.]) 6.6 Ein netzwerkbasierendes Brandmeldesystem über CAN K. Lee und H. Lee (s. [LeL04, S ff.]) haben ein intelligentes Brandmeldesystem entwickelt, welches mehr Sicherheit und Komfort in der Home Automation bietet als herkömmliche Brandmeldeanlagen. Ihr System erkennt nicht nur, dass ein Feuer ausgebrochen ist, sondern es kann auch die genaue Position des Feuers feststellen und automatisch entsprechende Gegenmaßnahmen einleiten, wie zum Beispiel Sprinkleranlagen gezielt einschalten etc. Zudem erkennt das System auch, wenn eine Leitung zu einem Brandmelder defekt ist, durch Korrosion oder Ähnliches.

15 Das Brandmeldesystem basiert auf einem Controller Area Network (CAN) Bussystem. Jeder Brandmelder verfügt über eine eigene Adresse im Netzwerk. Somit kann die genaue Position bei einem Brandfall ermittelt werden. Der grundsätzliche Aufbau dieses Netzwerks besteht aus einer Alarmleuchte, Alarmglocke, sowie aus mehreren Arten von Brandmeldern und Aktoren, beispielsweise Rauch-, Hitze-, Gas-Sensoren, Sprinkleranlagen und Brandwände. Diese Komponenten sind über das Netzwerk mit einem Empfänger (Computer) verbunden, der sogenannte Frames, also Datenübertragungspakete, auswertet. Die Frames werden zwischen dem Empfänger und den Brandmeldern/Aktoren ausgetauscht. Dabei handelt es sich um Anfragen, Statusmeldungen, Alarmmeldungen, oder Alarmbestätigungen. In Abb. 5 ist der Frame-Transfer grafisch dargestellt. (vgl. [LeL04, S ff.]) Abbildung 5: Ablaufdiagramm zum Brandmeldesystem. (vgl. [LeL04, S. 1096]) Die Erläuterungen zu den Abkürzungen: T R : Abfrage Intervall T A : Alarm Periode T E : Vergangene Zeit zwischen einer Alarmmeldung und der zugehörigen Alarmbestätigung.

16 Wenn der Empfänger bei einem Brandfall einen Alarm Frame erhält, dann überprüft er die Informationen von mehreren Brandmeldern im selben Bereich (Raum, Flur etc.), um sicher zu gehen, dass die Brandmeldung kein Fehlalarm ist. Erhält der Empfänger von einem weiteren Brandmelder/Aktor ein Alarm Frame, dann wird der Alarm ausgelöst und ein Alarmbestätigungs-Frame wird an die Brandmelder/Aktoren geschickt. Es werden so lange Alarm Frames geschickt, bis der Empfänger den Alarm bestätigt. Da das Netzwerk auf einem Bussystem basiert, könnten mehrere Frames in der Reihenfolge durcheinander kommen. Beispielsweise wenn an mehreren Stellen im Haus Brände ausbrechen. Um dem entgegen zu wirken, werden Frame IDs vergeben, die gewährleisten, dass die Frames von alarmschlagenden Brandmeldern Vorrang haben, und die Frame Arten in ihrer Reihenfolge nicht vertauscht werden. (vgl. [LeL04, S ff.]) 6.7 Ein auf Powerline Communication basierendes System Das folgende System für die Home Automation setzt auf einen geringen Verkabelungsaufwand, da für die Gerätesteuerung und die Stromversorgung dasselbe Kabel verwendet wird. Ebenso wie in vorherigen Kapiteln beschrieben, ist auch bei dieser Verkabelungsvariante eine Steuerung von außen über ein Webinterface umgesetzt worden. Der Kern des Systems besteht aus drei verschiedenen Mikrocontrollern. Einer davon ( ARM9) dient als Benutzerinterface, lokal innerhalb des Hauses, für die Steuerung der zu automatisierenden Geräte. Die Bedienung ist über ein Touch-Display möglich. Ein Weiterer Mikrocontroller (ATmega168) sendet Steuerbefehle zum dritten Mikrocontroller (XM10), der die Befehle für eine Frequenz von 120 khz aufbereitet und anschließend über die Stromleitungen zu den Geräten schickt. Die vom ATmega168 gesendeten Befehle basieren auf dem PLC Protokoll X10. Alle Mikrocontroller sind miteinander verbunden. Der XM10 stellt das Trennelement zwischen dem Stromnetz und den anderen Mikrocontrollern dar. (vgl. [DaG11, S. 4 f.]) Dieses System dient nicht nur zur Steuerung von Geräten im Eigenheim, sondern auch zur Videoüberwachung. Dafür werden IP-Kameras eingesetzt, die über Power over Ethernet (PoE) gespeist werden, um so dem geringen Verkabelungsaufwand treu zu bleiben. (vgl. [DaG11, S. 4 f.]) 6.8 Home Automation via Handys Sehr viele Systeme ermöglichen eine Remote-Steuerung der Geräte Zuhause, aber viele davon nutzen eine Website als Benutzerinterface. Jedoch gibt es hierzu auch Alternativen. Beispielsweise Apps für Handys etc., die als Bedienoberfläche genutzt werden können. M. Van Der Werff (s. [WGX05]) stellte ein Automatisierungssystem vor, welches speziell für Java-fähige Handys entwickelt wurde.

17 Werffs System besteht aus einem Home Server der für die Gerätesteuerung zuständig ist, einem Mobilfunk-Modem und einem Handy. Das Mobilfunk-Modem ist die Schnittstelle für die Kommunikation zwischen Home Server und Handy. Der Home Server ist ein Mikrocontroller. Werff hat eine Java-Anwendung geschrieben, die als Benutzerinterface auf dem Handy eingesetzt wird. Nur darüber können die Geräte gesteuert werden. Der Datenund Befehl Transfer funktioniert per SMS. Zur Sicherheit muss man sich für jeden Befehl authentifizieren, also Benutzername und Passwort eingeben. Die Daten der Authentifizierung werden mit denen, im EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory) gespeicherten Daten des Mikrocontrollers abgeglichen. Der EEPROM wird verwendet, damit die Daten der Authentifizierung nach einem Stromausfall auch noch im Speicher vorhanden sind. In der Java-Anwendung wird zusätzlich zu den Authentifizierungsdaten, die Nummer des Mobilfunk-Modems angegeben und der gewünschte Befehl in Form von Checkboxen ausgewählt. Alle Daten, die in der Java-Anwendung eingetragen wurden, werden in einem String zusammengesetzt und zu dem Mobilfunk-Modem per SMS übertragen. Nach erfolgreicher Ausführung des Befehls veranlasst der Home Server über das Mobilfunk-Modem den Versand einer Bestätigungs-SMS an das Handy. (vgl. [WGX05 S. 1 ff.]) Abbildung 6: Die Java-Anwendung Home Automation Control auf einem Handy [WGX05 S. 3, Fig. 3].