Gebäudeintelligenz für mehr Sicherheit, Komfort und Energieeffizienz Smart Energy Ambient Assisted Living Mensch-Gebäude-Interaktion Internet of Things Sensor Fusion Low-Power Netzwerke Software Systeme Künstliche Intelligenz
Asut GV Horw, 20. Mai 2016 Energie-Effizienz und das Internet of Things Dr. Rainer Kyburz ihomelab, Hochschule Luzern Technik & Architektur 6048 Horw
Auftraggeber IEA 4E EDNA Technology Cooperation Program der International Energy Agency Energy Efficient End-Use Equipment (4E) 12 Länder aus Asia-Pacific, Europa (inkl. Schweiz) und Nordamerika Informations- und Erfahrungsaustausch bez. Energieeffizienz-Policies Projekte, um Policy-Making zu unterstützen EDNA Page 3
Motivation Vom Medien-Hype zur Realität IoT ist Wirklichkeit: In 2009 überstieg die Anzahl der Internet-verbundenen Geräte die Weltbevölkerung. 1) Täglich kommen 27 Millionen vernetze Dinge hinzu 1) 50 Milliarden vernetzte Dinge in 2020. 1) 2) 200 vernetzte Dinge pro Person sind langfristig möglich 1) Potentiell Hunderte von Milliarden von Endgeräten Relevanz für Energieverbrauch IoT kann helfen, die Energie effizienter zu nutzen. Milliarden von zusätzlichen Geräten, die wegen ihrer Netzwerkverbindung immer on sind. 1) Cisco 2) Gartner Page 4
Scope Standby-Energieverbrauch von netz-gespeisten neuartigen IoT-Endgeräten Abschätzung des zukünftigen Standby-Energieverbrauchs der relevantesten IoT- Anwendungen Analyse der verfügbaren Technologien und Standards und deren Einfluss auf den Standby-Energieverbrauch Page 5
Strukturierung & Priorisierung IoT-Anwendungen und Endgeräte Application Area Application Edge Device Power Source sensors (temperature, presence, Application, bus light) Application Edge Device Power Source office automation Area actuators (lights, blinds, ), bus (HVAC, lighting) breakdown/emergency on-board, gateway GPS / Cellular Application in car notification Application rechargeable battery Edge Device Power Source server Area on-board, road pricing passive, transceiver in car smart LED bulb badge smart lighting rechargeable battery battery gateway access control Battery, Smart Office sensor networks in road reader (doors, time reporting, smart roads ) energy harvesting battery powered sensors (e.g. battery smoke, window, ) roadside gateway camera home automation connected sensors (e.g. on-board, smart parking, guidance GPS / Cellular in car (security, comfort, light buttons) door/window sensors rechargeable battery intrusion detection Smart battery Smart Home energy) camera Mobility traffic congestion on-board, GPS / Cellular in car gateway motion sensors monitoring rechargeable battery battery actuators public transport RFID tag (Smart Card), smart passive, fire detection smoke detector ticketing battery phone rechargeable battery washing machine, dish washer, passive, asset tracking RFID tag car-to-car smart appliances clothes dryer, coffee machine, battery various devices in car communication (convenience, on-board energy) oven, refrigerator, etc. machine wear dedicated sensors car-to-infrastructure gateway monitoring various devices in car communication physical activity on-board machine diagnostics dedicated sensors activity tracker rech. battery Smart Factory car sharing communication device monitoring on-board machine remote weight monitoring smart body scale battery smart street lighting street light luminaires control / data machine acquisition passive, bed-side device product tracking RFID tag sleep monitoring battery sleep sensor / activity tracker rech. battery passive, inventory management RFID tag quality of storage dental health electrical toothbrush rech. battery battery dedicated sensors battery condition monitoring Smart Health emergency notification emergency tag (watch) rech. battery water quality battery, dedicated Smart sensors quality of shipment monitoring energy harvesting dedicated sensors battery fall sensor battery Logistics conditions monitoring battery, fall detection gateway (landline or mobile flood monitoring dedicated sensors on-board, fleet tracking energy harvesting GPS / Cellular in vehicle network) rechargeable battery battery, smart pill dispenser dispensing device battery Smart forest fire detection dedicated sensors wast containers with filling battery, waste management energy harvesting Environment sensors nutrition monitoring energy harvesting smart cup rech. battery landslide / avalanche battery, Monitoring dedicated sensors passive, passive, detection animal tracking energy harvesting RFID tag, GPS transceiver product tracking RFID tag battery battery earthquake early battery, dedicated Smart sensors automatic battery, shop check detection irrigation monitoring energy harvesting dedicated sensors RFID tag passive Agriculture Smart Retail out energy harvesting battery, glacier monitoring dedicated sensors location based battery, services beacons, smart phones battery pest monitoring energy harvesting dedicated sensors smart vending energy harvesting vending machine machines smart phone rech. battery Smart Grid covered by other IEA 4E EDNA task Page 6
Strukturierung & Priorisierung Fokus-Applikationen des Projekts Application Area Application Edge Device Power Source Proliferation Smart Home Smart Mobility smart lighting home automation (security, comfort, energy) smart appliances (convenience, energy) smart LED bulb high gateway high connected sensors (e.g. light buttons) high camera high gateway high actuators high washing machine, dish washer, clothes dryer, coffee machine, oven, refrigerator, etc. high gateway high smart roads roadside gateway high smart street lighting street light luminaires high Page 7
Strukturierung & Priorisierung Smart Home Anwendungen Smart Lighting Home Automation Smart Appliances Page 8
Strukturierung & Priorisierung Smart Mobility Anwendungen Smart Street Lighting Quelle: Elektron Smart Roads (vehicle-to-infrastructure communication) Page 9
Standby-Leistungsaufnahmen Eigene Messungen für Smart Lighting und Home Automation Datenblätter, Herstellerinformationen, und Schätzungen für Smart Appliances, Smart Street Lighting und Smart Roads Messungen Beispiel Smart Lighting Type ID / Manufacturer Needs Gateway Communication Technology Mean standby power [W] Smart LED bulb 1 / A No Wi-Fi 3.0 Smart LED bulb 2 / B No Bluetooth Smart 0.8 Smart LED bulb 3 / C No Bluetooth Smart 0.7 Smart LED bulb 4 / D Yes ZigBee 0.8 Gateway 5 / D - Wi-Fi 1.4 Smart LED bulb 6 / E Yes ZigBee 0.4 Gateway 7 / E - Ethernet 1.7 Smart LED bulb 8 / F Yes ZigBee 0.6 Gateway 9 / F - Ethernet 1.7 Page 10
Weltweite Installierte Basis bis 2025 280 1 470 3 570 335 Quellen: ON World, ABI Research, Machina Research, eigene Schätzungen und Extrapolationen Page 11
Weltweiter Standby-Energieverbrauch 3/4 des jährlichen Stromverbrauchs der Schweiz 15% 78% 7% Page 12
Verfügbare Technologien Reichweite vs Bandbreite Page 13
Tech. Anforderungen aus Applikationssicht Kriterien: Reichweite Bandbreite Häufigkeit Latenz Je höher die Anforderungen, desto höher der Energieverbrauch Page 14
Welche Technologie für welche Anwendung? Passende Technologien aus Sicht Energieverbrauch Page 15
Welche Technologie für welche Anwendung? Vorzugstechnologien am Beispiel Smart Lighting Anforderungen Mässige Reichweite, sporadische Datenübertragung, kleine Datenmengen, niedrigie Anforderungen bezüglich Latenzzeiten Momentan verwendete Technologien Bluetooth Smart, WiFi, Z-Wave, ZigBee Bevorzugte Technologie bez. Energieverbrauch: Bluetooth Smart Niedrige Standby-Leistungsaufnahme des Endgerätes Kein Gateway nötig Mögliche Technologien DECT ULE, Z-Wave, ZigBee, EnOcean, LP-WiFi Niedrige Standby-Leistungsaufnahme, aber Gateway benötigt Nicht empfehlenswert aus Sicht Energieverbrauch WiFi: Hohe Standby-Leistungsaufnahme, Bandbreite wird nicht benötigt Page 16
Standards Applikations-Layer wichtig für Energieverbrauch Layers 7. Application 6. Presentation 5. Session 4. Transport 3. Network 2. Data link 1. Physical ANT+ profile ANT protocol OBEX API used GATT service API used ULE profile used Z-Wave Protocol ITU-T G.9959 ZigBee Profiles IEEE 802.15.4 EEP (EnOcean Equipment Profiles) ISO/IEC 14543-3-10 Definiert Verwendung der Energiesparmechanismen Definieren physikalische Kommunikation und Energiesparmechanismen Technology / Standard ANT+ Bluetooth Bluetooth Smart DECT ULE Z-Wave ZigBee EnOcean Short Range Wi-Fi Low Power WiFi Ethernet GPRS 3G (UMTS) 3.5G (HSPA) 4G (LTE) LoRa Long Range Sigfox Page 17
Standards Applikationsspez., energiesparende Standards etabliert Layers 7. Application 6. Presentation 5. Session 4. Transport 3. Network 2. Data link 1. Physical ANT+ profile ANT protocol OBEX API used GATT service API used ULE profile used Z-Wave Protocol ITU-T G.9959 ZigBee Profiles IEEE 802.15.4 EEP (EnOcean Equipment Profiles) ISO/IEC 14543-3-10 Technology / Standard ANT+ Bluetooth Bluetooth Smart DECT ULE Z-Wave ZigBee EnOcean Short Range Wi-Fi Low Power WiFi Ethernet GPRS 3G (UMTS) 3.5G (HSPA) 4G (LTE) LoRa Long Range Sigfox Page 18
Standards oder in Markteinführung Layers 7. Application 6. Presentation 5. Session 4. Transport 3. Network 2. Data link 1. Physical ANT+ profile ANT protocol OBEX API used GATT service API used ULE profile used Z-Wave Protocol ITU-T G.9959 ZigBee Profiles IEEE 802.15.4 EEP (EnOcean Equipment Profiles) ISO/IEC 14543-3-10 Treiber: Batteriebetriebene Endgeräte Technology / Standard ANT+ Bluetooth Bluetooth Smart DECT ULE Z-Wave ZigBee EnOcean Short Range Wi-Fi Low Power WiFi Ethernet GPRS 3G (UMTS) 3.5G (HSPA) 4G (LTE) LoRa Long Range Sigfox Page 19
Standards Energiesparmechanismen auch in Mainstream-Standards Layers 7. Application 6. Presentation 5. Session 4. Transport 3. Network 2. Data link 1. Physical ANT+ profile ANT protocol OBEX API used GATT service API used ULE profile used Z-Wave Protocol ITU-T G.9959 ZigBee Profiles IEEE 802.15.4 EEP (EnOcean Equipment Profiles) ISO/IEC 14543-3-10 diverse Stromspar- Mechanismen Energy Efficient Ethernet Wake-On Lan Technology / Standard ANT+ Bluetooth Bluetooth Smart DECT ULE Z-Wave ZigBee EnOcean Short Range Wi-Fi Low Power WiFi Ethernet GPRS 3G (UMTS) 3.5G (HSPA) 4G (LTE) LoRa Long Range Sigfox Page 20
Zusammenfassung Standby-Energieverbrauch von IoT-Endgeräten nicht vernachlässigbar. Energiesparende IoT-spezifische Kommunikationstechnologien sind verfügbar. Haupttreiber: IoT-Anwendungen mit batterie-betriebenen Endgeräten. Smart Phones als universelle Userinterfaces treiben auch Energiesparmechanismen in Mainstream-Standards (z.b. WiFi). Gründe für unnötig hohen Standby-Verbrauch: Schlechte Implementation oder nicht geeignete Technologie. Beträchtliche Energieeinsparung möglich, wenn auch für netzgespeiste Endgeräte energiesparende Technologien eingesetzt und die vorhandenen Energiesparmechanismen richtig konfiguriert werden. Report : http://www.iea-4e.org/publications Page 21