HÄUSER FERNSTEUERN UND PROZESSE OPTIMIEREN DURCH MOBILE LÖSUNGEN Autoren Prof. Dr. Michael Massoth, Robin Acker, Prof. Dr. Ronald Moore Die Dymacon Business Solutions GmbH und der Fachbereich Informatik haben eine Kernkompetenz und langjährige Kooperation im Bereich der Prozessoptimierung durch mobile Lösungen. Gemeinsam wurde eine benutzerfreundliche, mobile Lösung zur Fernsteuerung von intelligenten Häusern, sowie zur Steuerung von Haus- und Gebäudeautomationssystemen entwickelt. Der Prototyp besteht aus einem BlackBerry-Smartphone als My-Home-in-the-Pocket - Controller, einer sicheren Verbindung zum hauseigenen Netzwerk, sowie einer Sensorbox, die Messwerte aufnehmen und Befehle an die einzelnen Teilkomponenten, wie z. B. Beleuchtungselemente, Sicherheitssystem und Heizungsanlage, übermitteln kann. Mobile Lösungen eine Schlüsseltechnologie Logistiksysteme, Warenwirtschaftsketten und Informationskreisläufe zu mobilisieren, Information und Kommunikation jederzeit und überall nutzbar zu machen, Unterstützungssysteme für den Menschen zu entwickeln all das steckt hinter dem Schlagwort Mobile Lösungen. Die mobile Informationsverarbeitung und Kommunikation ist eine Schlüsseltechnologie des 21. Jahrhunderts. Die Bezeichnung Mobile Lösungen (engl. Mobile Solutions) wird als Oberbegriff für eine Vielzahl von Forschungs- und Geschäftsbereiche verwendet. Als eine Auswahl seien die nachfolgenden Bereiche erwähnt: Mobile Dienste und Anwendungen aus den Bereichen Informationswirtschaft, Telekommunikation und neue Medien (engl. Mobile Services and Applications). Mobile Business Lösungen, gemeint sind hier Geschäftslösungen für den Zugriff auf Unternehmensdaten, sowie deren Nutzung mittels mobiler Endgeräte abseits des eigentlichen Arbeitsplatzes (engl. Mobile Business Solutions). Mobile, tragbare oder in Kleidung integrierte Computersysteme, die dem Menschen bei seiner Tätigkeit assistieren (engl. Wearable Computing, Smart Clothing). Mobile Home Control und Facility Management ermöglicht es, elektronische Geräte im Haushalt oder in Gebäuden mit einem mobilen Endgerät fernzusteuern. Dabei kann man z. B. die Heimvernetzung der eigenen Wohnung überwachen, den Energieverbrauch kontrollieren, die Zimmertemperatur einstellen und auch Alarmanlagen fernsteuern. Prozesse optimieren durch mobile Lösungen Der Hauptnutzen mobiler Lösungen wird von Geschäftskunden im Wesentlichen in der erhöhten Effektivität und Produktivität der Mitarbeiter sowie in der Kostenreduktion und Optimierung der Gesamtprozesse gesehen. Heute verfügbare Lösungen versprechen einen Return-on-Investment (ROI) kleiner 12 Monate. Die Nutzungspotenziale mobiler Unternehmenslösungen sind vielschichtig und sollen im Folgenden kurz skizziert werden. Die Optimierung von Unternehmensprozessen mit mobilen Lösungen bewirkt nach [1]: Eine Einsparung von Prozessschritten, da Doppelerfassung und Schritte zur Transformation der Daten zwischen 102
Häuser fernsteuern und Prozesse optimieren durch mobile Lösungen FACHBEREICH INFORMATIK PROJEKTBERICHTE Abbildung 1 Robin Acker mit einem BlackBerry Smartphone als mobile Home Control Lösung internen oder externen mobilen Mitarbeitern und Backend- Systemen wegfallen. Eine Reduzierung oder Vermeidung von Medienbrüchen, da die Daten direkt elektronisch erfasst, abgebildet und abgefragt werden können. Eine zeit- und ortsnahe Bereitstellung von Informationen für die Mitarbeiter, insbesondere im Außendienst. Konkret werden durch den Einsatz mobiler Unternehmenslösungen Materialkosten, Betriebskosten, Arbeitsaufwand und Sachkosten eingespart, der Personaleinsatz optimiert, Arbeitsabläufe und Prozessketten beschleunigt, die Bearbeitungszeit sowie das Intervall bis zur Rechnungsstellung verkürzt, die Datenqualität erhöht, die Reklamationsrate bezüglich der Rechnungen gesenkt, sowie der Informationsfluss verbessert. Diese Effekte können den Unternehmenserfolg auf vielfache Weise positiv beeinflussen. Als Konkurrenzvorteile und Resultat der Prozessoptimierung durch mobile Lösungen müssen in einer Kosten-Nutzen-Betrachtung und ROI-Analyse zusätzlich noch folgende Aspekte berücksichtigt werden. Mitarbeiter sind stärker motiviert, durch eine Reduktion von administrativen Arbeiten und Routineaufgaben, sowie die Konzentration auf höherwertige Tätigkeiten. Einsparung von Wegekosten, da zusätzliche Wege durch Medienbrüche und dem händischen Austausch von Daten entfallen. Reduktion des Time-to-Market und /oder Time-to-Customer, durch Abbau überflüssiger Prozessschritte und Medienbrüche, sowie eine Verkürzung der Bearbeitungs- und Lieferzeiten. Reduktion von Kosten durch Fehllieferungen, Fehlleistungen und Fehlerbeseitigung, sowie durch kürzere Reaktionszeiten und den zielgerichteten Einsatz der betrieblichen Ressourcen auf Grundlage der mobil bereitgestellten Informationen. Erhöhung der Umsätze, durch die Beschleunigung der Arbeitsabläufe und die Verbesserung des Kundenservice, da die Verkürzung von Liefer- und Leistungszeiten das Vertrauen der Kunden vertieft und deren Bindung an das Unternehmen verstärkt. Verbesserung der Liquidität und des Cashflows, durch eine schnellere und qualitativ bessere Rechnungsstellung, sowie die Optimierung der Lagerhaltung und Beschaffungswirtschaft auf Grundlage der zeitnahen Informationen. Haus- und Gebäudeautomation mit KNX Haus- und Gebäudeautomation beschreibt die digitale Mess-, Steuer-, Regel-, und Leittechnik für die technische Gebäudeausrüstung. KNX ist der weltweit einzige offene Standard für Haus- und Gebäudesystemtechnik. Seit 2006 ist die europäische KNX Norm (EN 50090) auch international akzeptiert und wird unter der ISO/IEC 14543-3 Norm geführt. KNX bietet als weltweit einziges Bussystem den kompletten Satz an Übertragungsmedien für die Gebäudesteuerung: Leitungsgebunden (Twisted Pair Kupferkabel) mit IP/Ethernet, Stromleitung (Powerline) und Funk (Radio Frequency Identification, WLAN). Über Medienkoppler können die verschiedenen Übertragungsmedien problemlos miteinander gekoppelt werden. Das KNX-System besteht aus [2]: Sensoren (Befehlsgeber, wie z. B. Helligkeitssensoren, Stromzähler, Thermostat, Taster, Windmesser), die Befehle in Form von Telegrammen erzeugen. Aktoren (Befehlsempfänger, wie z. B. Schaltrelais für Beleuchtung, Energiemanagement, Jalousien), welche empfangene Telegramme in Aktionen umsetzen. Einer Busleitung, die alle Sensoren und Aktoren für den Telegrammverkehr miteinander verbindet. Eine zentrale Steuereinheit ist dabei nicht notwendig. Alle Geräte sind mit einem eigenen Prozessor ausgestattet. Die 103
BlackBerry Mit Steuerungssoftware IP-Kamera Netzwerkbasierte Steckdose Funkbasierte Steckdose WLAN GSM/3G DSL Temperatursensor BlackBerry Mit Steuerungssoftware Provider Mobilfunknetz DSL Router/AP BES Ethernetswitch Sensorbox AES Abbildung 2 Systemaufbau der mobilen Lösung zur Fernsteuerung von Haus- und Gebäudeautomationssystemen Geräte kommunizieren miteinander und können einzeln programmiert werden. Sensoren erzeugen Telegramme (Befehle) und schicken diese zu Aktoren, die je nach Konfiguration Aktionen ausführen. An das KNX-System können Gewerke aus unterschiedlichsten Kategorien im Gebäude angeschlossen werden. Typische Anwendungen sind: Beleuchtung, wie z. B. schaltbare, dimmbare, zeit-, bewegungs- und helligkeitsabhängige Beleuchtungssteuerung, sowie ein Zentrales Aus beim Verlassen des Hauses. Sicherheit, mit z. B. Störungsmeldungen, Anwesenheitssimulation, Brandmeldung und Einbruchalarm. Automatischer Sonnenschutz und Verdunklung, wie z. B. Jalousien mit zeit- und helligkeitsabhängigen Funktionen, Energiemanagement, wie z. B. Steuerung von Heizungsund Klimaanlagen, Einzelraumtemperatur und zeitabhängige Steuerung. Das KNX-System eignet sich für Einfamilienhäuser genauso wie für Büros und andere Zweckbauten. Durch die automatisierte und mobile Fernsteuerung von Beleuchtungs-, Heizungs- und Klimaanlagen kann effizient mit den Energieressourcen umgegangen und Kosten eingespart werden. Ebenso wichtig ist der Sicherheitsfaktor (vgl. dazu auch [3] und [4]). Im nachfolgenden Kapitel wird eine mobile Lösung zur Fernsteuerung von intelligenten Häusern sowie zur benutzerfreundlichen Steuerung von Haus- und Gebäudeautomationssystemen vorgestellt. Diese Lösung ist aus einer langjährigen Zusammenarbeit zwischen der Dymacon Business Solutions GmbH und des Fachbereichs Informatik hervorgegangen. Die Dymacon Business Solutions GmbH ist ein mittelständisches IT-Unternehmen aus Darmstadt mit 15 20 Mitarbeitern. Kernkompetenz der Dymacon sind mobile Lösungen, Endgeräte und mobile Datenkommunikation, inklusive der notwendigen Middleware. Mobile Lösung zur Steuerung von Haus- und Gebäudeautomationssystemen Auf dem Markt wird eine Vielzahl von Systemen zur Steuerung und Automation von Geräten im privaten Haus oder Bürogebäude angeboten. Diese steigern die Energieeffizienz und sollen den Komfort für Bewohner oder Mitarbeiter erhöhen. Sobald aber Systeme unterschiedlicher Hersteller verwendet werden, entsteht ein Konflikt. Derartige Systeme können zwar nebeneinander betrieben werden, bieten aber oft nicht die Möglichkeit, über eine zentrale Einheit gesteuert zu werden. Es sammeln sich mehrere verschiedenartige Bedienelemente für die Systeme an, die vom Benutzer überblickt werden müssen. Mit der entwickelten mobilen Lösung wird es ermöglicht, Haus- und Gebäudeautomationssysteme von unterschiedlichen Herstellern zu steuern und dass mit einem Mobiltelefon (Smartphone). Zum Einsatz kommt hier ein BlackBerry Smartphone des Herstellers Research in Motion (RIM). Mit dieser mobilen Lösung wird dem Benutzer nicht nur im Gebäude selbst eine komfortable Lösung geboten, um die Systeme zu bedienen, der Einsatz eines Mobiltelefons hebt auch räumliche Grenzen auf. Über das mobile Internet ist es möglich, die Automationssysteme von nahezu jedem Ort aus zu steuern. Weiterhin entfällt der Aufwand, den Überblick über unterschiedliche Bedienmethoden / -elemente zu behalten. Die Dymacon Business Solutions GmbH hat sich u. a. auf die Entwicklung von Anwendungen für BlackBerry Smartphones spezialisiert. Diese sind im Businessbereich weit verbreitet und bieten dafür einen großen Funktionsumfang. Im Vordergrund steht allerdings die besondere Infrastruktur, die der BlackBerry Hersteller den Kunden bietet. Diese garantiert eine große Sicherheit in der Datenübertragung, was für die Steuerung eines privaten Hauses oder Gebäudes unerlässlich ist. Abbildung 2 verdeutlicht den Systemaufbau der mobilen Lösung zur Fernsteuerung von Haus- und Gebäudeautomations- 104
Häuser fernsteuern und Prozesse optimieren durch mobile Lösungen FACHBEREICH INFORMATIK PROJEKTBERICHTE AES BlackBerry Enterprise Server Firewall Provider Mobilfunknetz BlackBerry Smartphone Abbildung 3 BlackBerry Sicherheitsinfrastruktur mit AES (256 Bit) Verschlüsselung systemen über ein BlackBerry Smartphone und zeigt wie die einzelnen Komponenten miteinander in Verbindung stehen. Um eine Verbindung zu den Haus- und Gebäudeautomationssystemen herstellen zu können, müssen diese mit dem hauseigenen Netzwerk (Ethernet, LAN) verbunden werden. Einige Geräte, wie in Abb. 2 die Sensorbox, sind per Kabel angeschlossen. Andere können kabellos über WLAN verbunden werden, wie die IP-Kamera, die ebenfalls in Abb. 2 zu sehen ist. Weiterhin wird ein permanenter Internetanschluss benötigt, um einen dauerhaften Zugriff auf das Netzwerk zu gewähren. Dadurch kann die Bedienung der Systeme auch von außerhalb des Hauses erfolgen. Das BlackBerry Smartphone kann zum einen intern per WLAN eine Verbindung zu den Automationssystemen herstellen, wobei keine Gebühren für die Datenübertragung anfallen. Zum anderen kann das Black- Berry Smartphone über das Mobilfunknetz (GSM/3G) und das mobile Internet mit den Haus- und Gebäudeautomationssystemen bzw. dem Home-Control-System kommunizieren (vgl. dazu auch [5] und [6]). Die Softwareanwendung bietet dem Benutzer zunächst eine Übersicht über die Automationssysteme, die unterstützt und gesteuert werden können. Die gewünschten Geräte können ausgewählt werden und müssen zunächst konfiguriert werden. Dazu müssen unter anderem ein Benutzername und ein Passwort eingetragen werden, um Unbefugten den Zugriff auf die Automationssysteme zu verwehren. Nach der Konfiguration werden dem Benutzer die Systeme in seiner persönlichen Geräteliste angezeigt. Die eingetragenen Informationen werden auf dem Smartphone gespeichert und beim Start der Anwendung wieder geladen. Dadurch müssen diese nur einmal eingegeben werden. Der Benutzer kann nun ein System, dass gesteuert werden soll, aus der Liste wählen. Zunächst muss eine Aktualisierung durchgeführt werden. Dabei werden z. B. Sensorwerte oder Schaltzustände elektrischer Verbraucher vom jeweiligen Automationssystem abgerufen. Wenn die Daten auf dem neusten Stand sind, können diese vom Benutzer betrachtet werden. In einem weiteren Bildschirm werden die elektrischen Verbaucher aufgeführt die mit dem System verbunden sind. Diese können von dort aus gezielt ein- und ausgeschaltet werden. Dadurch kann nahezu von jedem Ort aus überprüft werden, ob z. B. das Bügeleisen, der Herd oder die Beleuchtung wirklich ausgeschaltet ist. Sollte dies nicht der Fall sein, genügt ein Druck auf die Taste Aus um den gewünschten Verbraucher, der mit dem System verbunden ist, mobil und ferngesteuert auszuschalten. Der Prototyp der Anwendung ist fähig mit einer Sensor- Schaltbox zu kommunizieren. Diese bietet unter anderem die Möglichkeit, unterschiedliche Sensorwerte, wie z. B. Temperatur, Luftdruck, Feuchtigkeit und Helligkeit, bereitzustellen. Weiterhin besteht die Möglichkeit, mehrere Funksteckdosen ein- und auszuschalten, um ohne großen Installationsaufwand elektrische Verbraucher im ganzen Haus zu steuern. Das BlackBerry-System bietet eine besonders sichere Infrastruktur, die in Abbildung 3 zu sehen ist. Mit dieser kann zwischen dem Mobiltelefon und einem zusätzlichen Server (BlackBerry Enterprise Server BES) eine VPN-ähnliche, verschlüsselte Ende-zu-Ende-Verbindung aufgebaut werden. Zur Verschlüsselung der Kommunikation dient ein 256 Bit langer Master Encryption Key. Mit diesem Master- Schlüssel werden alle zu sendenden Nachrichten verschlüsselt. Dadurch ist es Unbefugten nicht möglich, Zugriff auf das entsprechende hauseigenes Netzwerk und die Automationssysteme zu erhalten. Weiterhin bieten BlackBerry Mobiltelefone die Möglichkeit, die gespeicherten Daten auf dem Gerät selbst zu verschlüsseln. Zusätzlich kann noch ein Anmeldepasswort vergeben werden. Damit besteht auch im seltenen Fall, dass das Mobiltelefon verloren geht oder entwendet wird, größtmögli- 105
cher Schutz vor Unbefugten. Mit diesen Sicherheitsfunktionen bietet das BlackBerry-System eine sehr gute und vertrauenswürdige Grundlage für eine benutzerfreundliche, mobile Lösung zur Fernsteuerung von intelligenten Häusern und Home-Control-Systemen. Quellenverzeichnis 1 Berlecon Research GmbH, Report: Prozesse optimieren mit Mobile Solutions. 2004. 2 KNX Association: KNX. Siehe dazu auch: http://www.knx.de. 3 Merz, Herrmann ; Hansemann, Thomas ; Hübner, Christof: Gebäudeautomation: Kommunikationssysteme mit EIB/ KNX, Lon und BACnet. Hanser Verlag, 2007 4 Nichols, Jeffrey ; Myers, Brad A.: Controlling Home and Office Appliance with Smart Phones. In: IEEE pervasive computing Vol. 5, 2006, S. 60 67 5 Research in Motion ldt.: BlackBerry Push-API Whitepaper. Version 2007 6 Research in Motion ldt.: BlackBerry Enterprise Solution. Version: 2008. Siehe dazu auch: http://www.blackberry.com Kurzbiografien Professor Dr. Michael Massoth, geb. 1966, promovierte am Max-Planck-Institut für Physik komplexer Systeme und der Technischen Universität in Dresden. Danach arbeitete er sechs Jahre lang als Research Engineer, Senior System Designer und Projektmanager bei der Ericsson Eurolab Deutschland GmbH im Bereich Mobilfunk (GSM, GPRS, UMTS, IMS) in Herzogenrath. Im August 2005 erwarb er den MBA-Abschluss Entrepreneurship am Aachen Institute of Applied Sciences. Seit September 2005 unterrichtet er an der Hochschule Darmstadt Telekommunikation, Wirtschaftsinformatik sowie Grundlagen der Informatik. Jeweils im Sommersemester hält Prof. Dr. Massoth die Lehrveranstaltung Mobile Computing im allg. Master und dem Joint International Master (JIM). Seit Juni 2009 leitet er ein BMBF-Forschungsprojekt im Bereich Netzwerke der nächsten Generation (engl. Next Generation Networks). Professor Dr. Ronald C. Moore, geb. 1961, promovierte an der Johann Wolfgang Goethe-Universität in Frankfurt am Main. Danach arbeitete er sechs Jahre lang bei der Interactive Data Managed Solutions im Bereich webbasierter Anwendungen bzw. verteilter Systeme in Frankfurt. Seit September 2007 unterrichtet er an der Hochschule Darmstadt parallele und verteilte Systeme, Betriebssysteme sowie Grundlagen der Informatik. Robin Acker, geb. 1986, studiert seit Oktober 2006 Informatik an der Hochschule Darmstadt mit dem Ziel im März 2010 das Master-Studium zu beginnen. Das Bachelor-Projekt vollendete er im Oktober dieses Jahres in Zusammenarbeit mit der Dymacon Business Solutions GmbH in Darmstadt. Zurzeit arbeitet er als Tutor in der Lehrveranstaltung Netzwerke und ist wissenschaftliche Hilfskraft im Forschung und Entwicklungsprojekt NextFactor an der Hochschule Darmstadt. Industriepartner Dymacon Business Solutions GmbH, Rheinstraße 96, 64295 Darmstadt. Kontakt: Herr Klaus Peter Klüter oder Herr Dirk Muckhoff. 106