Funksysteme für Smart-Home-Anwendungen

Standardisierte und proprietäre Kommunikationsprotokolle

Wenn drahtgebundene Lösungen nur mit hohem Aufwand installiert werden können oder gar nicht möglich sind, zum Beispiel aus Gründen des Denkmalsschutzes, kann das Kommunikationsmedium Funk vorteilhaft eingesetzt werden. Bei den Funksystemen unterscheidet man grundsätzlich zwischen standardisierten Kommunikationsprotokollen und herstellerspezifischen, proprietären Kommunikationsprotokollen. Die standardisierten Protokolle können herstellerübergreifend genutzt werden und sind daher für viele Anbieter offen. Die andere Variante hingegen kann nur von einem Hersteller (oder einigen wenigen) genutzt werden. Eine Kommunikation mit Komponenten anderer Anbieter ist dabei nicht ohne Weiteres möglich, sodass damit eine Herstellerabhängigkeit entsteht.

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Zu den standardisierten Funkprotokollen, die weit verbreitet sind, gehören Bluetooth, EnOcean, KNX-RF, WLAN, ZigBee und Z-Wave, von denen nachfolgend einige beispielhaft dargestellt werden. Homematic, RWE Smart Home und viele weitere zählen zu den proprietären Protokollen.

Bluetooth
Bluetooth dient zum Datenaustausch über kurze Entfernungen zwischen Geräten, die sich durch ein einfaches Pairing miteinander verbinden, z. B. durch eine Tastatur mit einem Tablet. Der Funkstandard Bluetooth ist nur für kürzere Distanzen von etwa 0,2 bis 10 Meter geeignet (mit Bluetooth 5 sind aber schon Reichweiten bis 200 Meter möglich). Das zu Bluetooth gehörende Funkprotokoll ist das Wireless Personal Area Network (WPAN). Die Bezeichnung des Standards ist vom Namen des dänischen Königs Harald Blauzahn (engl. Harald Bluetooth) abgeleitet; diese Initialen H und B finden sich im Logo wieder. Die Bluetooth-Microchips mit je einer Sende- und Empfangseinheit sind oft schon in die Geräte integriert. Mit Bluetooth und WLAN können Smart-Home-Komponenten komfortabel über mobile Endgeräte wie Tablets oder Smartphones gesteuert werden.

EnOcean
Der EnOcean-Standard stellt eine energieautarke Funklösung für smarte Geräte dar. Eine Besonderheit und hauptsächlicher Vorteil ist, dass für die Übertragung von Steuersignalen weder Leitungen noch Batterien benötigt werden. Die Sender nutzen die Energie aus der Umgebung (sogenanntes Energy Harvesting), zum Beispiel über den Piezoeffekt oder aus der Bewegungsenergie beim Betätigen von Schaltern sowie aus Solarzellen. Der Funkstandard EnOcean arbeitet mit 868 MHz und ist seit 2012 durch das Normungsgremium für Elektrotechnik IEC (International Electrotechnical Commission) als internationaler Standard festgeschrieben. Das Protokoll wird vor allem für energieautarke Funkmodule (Sende-, Empfangs-, Transceiver-Module und die dazugehörigen Energiewandler) der Haussteuerung eingesetzt. Die wartungsarmen, energieautarken Lösungen eignen sich besonders für die einfache und rasche Nachrüstung von Installationen bei geringen Datenmengen.

Der interoperable Funkstandard erlaubt es, Geräte wie Schalter, Sensoren oder Gateways verschiedener Hersteller einfach miteinander zu verbinden. Die Technologie wird heute von zahlreichen Unternehmen angewandt, die in der EnOcean-Allianz vereint sind und Komponenten für die Gebäudeautomation, für Licht-, Jalousie- oder Raumklimasteuerung herstellen. Sie nutzen das Protokoll für Wandschalter, für Rauch-, Bewegungs- und Temperaturmelder, für Fenster- und Türkontakte und viele weitere Anwendungen.

KNX-RF
Der Standard KNX-RF ist die Funkversion von KNX und ergänzt dieses drahtgebundene Bussystem. So können in das KNX-System eingebundene Smart-Home-Geräte per Funk gesteuert werden. Der Funkstandard eignet sich besonders gut zur Nachrüstung, da keine baulichen Eingriffe notwendig sind – wohl aber eine fachkundige Installation aufgrund der komplexen Integration und Programmierung. Zur Datenübermittlung wird die Frequenz 868 MHz genutzt. Die Reichweite ist von der räumlichen Beschaffenheit und der Einrichtung abhängig, denn Hindernisse schwächen die Ausbreitung der elektrischen Wellen ab. So variiert die Reichweite etwa von etwa zehn Metern in engen Fluren bis rund 30 Meter in einem großen, hohen Raum.

WLAN/ WiFi
Das weit verbreitete WLAN (Wireless Local Area Network), oft auch als WiFi bezeichnet, kann grundsätzlich große Datenmengen übertragen. Dieser Funkstandard wurde ursprünglich nicht für die Gebäudeautomation oder Hausautomatisierung entwickelt und optimiert. Da WLAN aber in den meisten Häusern und Wohnungen vorhanden ist, wird das System nun auch für die Kommunikation in der Gebäudetechnik und in Beleuchtungsanlagen angewendet. Der Datenaustausch zu den Komponenten erfolgt direkt über WLAN-Router oder einen dazwischengeschalteten drahtlosen Zugangspunkt (Access Point).

ZigBee
Der ZigBee-Funkstandard ist ein Smart-Home-Standard, der in der Gebäudeautomation, in drahtlosen Sensornetzwerken, aber vor allem in der Lichttechnik stark verbreitet ist. Beispielsweie werden am Markt ZigBee-fähige Lampen- und Leuchtensysteme angeboten. Der Funkstandard ist für Anwendungen mit geringem Datenaufkommen einfach und flexibel handhabbar. Zigbee-Funkchips gibt es sowohl für die Frequenz 868 MHz als auch für 2,4 GHz, sodass das System weltweit einsetzbar ist. Es benötigt wenig Energie und ist daher gut für batteriebetriebene Geräte geeignet. Der Schwerpunkt von ZigBee liegt auf Netzwerken mit relativ kurzer Reichweite bis zu 100 Metern, was im Gebäude meistens ausreicht. Über vermaschte Netze (Mesh-Netze) sind aber auch Reichweiten über mehrere Kilometer realisierbar.

Z-Wave
Ein ähnliches Drahtlosprotokoll wie ZigBee ist Z-Wave, das von der Z-Wave-Alliance für Smart Homes spezifiziert wurde und hauptsächlich für die Frequenz 868 MHz ausgelegt ist. Auch dieses System kann sich als Mesh-Netz organisieren, indem sich Funkknoten miteinander verbinden, wodurch sich große Reichweiten erzielen lassen.

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