Funksysteme für Smart-Home-Anwendungen

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.

Gallerie

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.

Bluetooth LE (BLE) / Bluetooth 4.0
Bluetooth 4.0 oder Bluetooth Low Energy (Bluetooth LE oder BLE) hat im Vergleich zu Bluetooth einen deutlich geringeren Energieaufwand. Dadurch können Anwendungen mit einer schwächeren Batterie über einen längeren Zeitraum betrieben werden. Der entscheidende Unterschied in der Funktionsweise besteht darin, dass BLE im Ruhezustand bleibt, solange keine Verbindung aufgebaut wird. Diese kurzen Verbindungen sind notwendig, weil die Datenübertragungsraten deutlich höher sind (1 Mb pro Sekunde). Daher ist BLE unerlässlich für Funktionen, die regelmäßig kleine Datenmengen austauschen, wie etwa bei IoT Anwendungen.

Basierend auf BLE können beispielsweise mit der kostenlosen Software Casambi bis zu 250 LED-Leuchten einzeln oder in Gruppen gesteuert und in Szenen verwaltet werden. Die Anwendungsmöglichkeiten sind vielfältig und reichen von Büros und Konferenzräumen über Gastronomie, Museen und Galerien bis hin zu Event- und Veranstaltungstechnik. Gesteuert werden die Casambi-Beleuchtungssysteme über Funk-Wandsender mit Bluetooth LE und batterielosem Energy Harvesting, die u.a. von Jung angeboten werden. Die Umsetzung vor Ort ist abhängig von der Programmierung und den verwendeten Leuchten sowie den Casambi-Empfängermodulen. So können beispielsweise auch DALI-Komponente oder Phasendimmer über die Funk-Wandsender gesteuert werden.

Funktionsmöglichkeiten mit Casambi:

• Einzelne Leuchten mobil schalten oder dimmen
• Aufruf von Szenen
• Gruppensteuerung
• Gesamtsteuerung aller angeschlossenen Leuchten

Bluetooth Mesh

Bluetooth Mesh ist eine erweiterte Version des Bluetooth-Standards, die speziell für die Vernetzung von Geräten in großen Bereichen entwickelt wurde. Es ermöglicht den Aufbau eines Mesh-Netzwerks, in dem viele Geräte, sogenannte Knoten (nodes), miteinander verbunden sind. Jeder Knoten fungiert als Sender und Empfänger und kann Datenpakete im Netzwerk weiterleiten. Dadurch entsteht eine dezentrale Netzwerkstruktur, in der die Geräte miteinander kommunizieren, ohne dass ein zentraler Hub oder eine Steuereinheit erforderlich ist, wie beispielsweise im Smart-Home-System Jung Home.

EnOcean

Der EnOcean-Standard stellt eine energieautarke Funklösung für smarte Geräte dar. Besonderheit und Hauptvorteil ist, dass für die Übertragung von Steuersignalen weder Kabel 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 oder 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 Gebäudeautomation eingesetzt. Die wartungsarmen, energieautarken Lösungen eignen sich besonders für die einfache und schnelle Nachrüstung von Anlagen mit geringen Datenmengen.

Durch den interoperablen Funkstandard können Geräte wie Schalter, Sensoren oder Gateways verschiedener Hersteller einfach miteinander verbunden werden. Die Technologie wird heute von zahlreichen Unternehmen genutzt, die in der EnOcean Alliance zusammengeschlossen sind und Komponenten für die Gebäudeautomation, für die Steuerung von Licht, Jalousien oder Raumklima herstellen. Sie nutzen das Protokoll für Wandschalter, Rauch-, Bewegungs- und Temperaturmelder, 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. Für die Datenübertragung wird die Frequenz 868 MHz genutzt. Die Reichweite hängt von den räumlichen Gegebenheiten und der Installation ab, da Hindernisse die Ausbreitung der elektrischen Wellen dämpfen. So variiert die Reichweite von etwa zehn Metern in engen Gängen bis zu etwa 30 Metern in einem großen, hohen Raum.

WLAN/ WiFi

Das weit verbreitete WLAN (Wireless Local Area Network), oft auch als WiFi bezeichnet, kann prinzipiell 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 mit den Komponenten erfolgt direkt über WLAN-Router oder über einen zwischengeschalteten drahtlosen Zugangspunkt (Access Point).

ZigBee Der Funkstandard ZigBee ist ein Smart-Home-Standard, der in der Gebäudeautomation, in drahtlosen Sensornetzwerken, vor allem aber in der Beleuchtungstechnik weit verbreitet ist. So werden beispielsweise ZigBee-fähige Lampen- und Leuchtensysteme am Markt angeboten. Der Funkstandard ist für Anwendungen mit geringen Datenmengen 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 eignet sich daher gut für batteriebetriebene Geräte. Der Schwerpunkt von ZigBee liegt auf Netzwerken mit relativ kurzen Reichweiten von bis zu 100 Metern, was in Gebäuden meist ausreicht. Über Mesh-Netzwerke sind aber auch weitaus größere Strecken vernetzbar.

Z-Wave

Ein ähnliches Funkprotokoll 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 als Mesh-Netzwerk organisiert werden, indem sich Funkknoten miteinander verbinden und dadurch große Reichweiten erzielen.

Fachwissen zum Thema