Funkstandard mit autarker Energieversorgung EnOcean: Umgebungsenergie treibt Komponenten an

Ein automatisiertes Zuhause, das sich selbst versorgt? Durch Energy Harvesting, also „Energie-Ernte“, zieht EnOcean die zum Betrieb seiner Funkkomponenten notwendige Energie aus der Umgebung. Diese Funktion zum Generieren von Eigenstrom macht den Funkstandard weitestgehend unabhängig von Batterien und damit überaus energieeffizient. Zudem punktet das Protokoll mit Herstellerunabhängigkeit und der Kompatibilität zu kabelgebundenen Systemen.

enocean @ enocean.com

Grundlagen - so funktioniert die EnOcean-Technologie für die Hausautomation

Der Funkstandard EnOcean verwendet in Europa die Frequenz von 868 MHz und ist seit März 2012 durch die IEC als internationaler Standard festgelegt. Das Protokoll nutzt die Amplitudenumtastung zur Funkmodulation und ist sowohl energiesparend als auch elektronisch einfach umzusetzen. Für eine erhöhte Stabilität und Sicherheit der Funkbefehle verwendet EnOcean bei ihrer Dolphin-Technologie, wie andere Systeme auch, ein Bestätigungssignal für den Datenempfang (Bi-Direktionalität). So wird sichergestellt, dass der vorgesehene Austausch zwischen der Steuerungseinheit und Sensoren bzw. Aktoren korrekt stattgefunden hat. Die Nutzung bereits in der Umgebung vorhandener Energie trägt wesentlich zur ökologischen Verträglichkeit bei und macht es zu einem äußerst energieeffizienten Smart-Home-System. Zudem ist EnOcean weitestgehend wartungsfrei und bietet dadurch Zeiteinsparungspotential. Flexibel wird der Standard durch die Kompatibilität mit kabelgebundenen Hausautomationen und unterschiedlichen Bussystemen. Diese nutzen die EnOcean-Technologie oftmals, um ihre eigenen Systeme dort zu ergänzen, wo sie selbst nicht flexibel genug sind.

Anwendung und Reichweite des Funkprotokolls

Das EnOcean-Protokoll nutzt die äußerst leistungsfähige Form des Mesh-Netzwerks, wenn auch nur in eingeschränkter Form, da nicht alle Geräte in alle Richtungen kommunizieren können. So gibt es sowohl uni- als auch bidirektionale Funkmodule. Die bidirektionalen Geräte können Routingfunktionen übernehmen und als Gateway eingesetzt werden. Obwohl es auch bidirektional arbeitende Aktoren und Sensoren gibt, können diese oftmals auch nur als Sender oder Empfänger ausgelegt sein: Gerade bei den Komponenten, die ihre Energie meistens aus der Umgebung erwirtschaften müssen, kann der Mehraufwand für eine bidirektionale Kommunikation nicht immer gewährleistet werden.

Für die Kommunikation sind in der Anwendungsschicht die sogenannten EEP (EnOcean Equipment Profiles) zuständig. Diese sind je nach Anwendung entsprechend durch die EnOcean Alliance definiert und regeln die Interoperabilität der Produkte unterschiedlicher Hersteller. Neben den standardisiert veröffentlichten EnOcean-Funktionssets können herstellerspezifische Anwendungsprofile beziehungsweise Steuerungsbefehle (MSC, also Manufacturer Specific Communication) erstellt werden. Für die Zukunft ist ein allgemeines Profil mit vereinfachter Applikationsschicht in Planung. EnOcean setzt in allen Bereichen auf Einfachheit und den Verzicht unnötiger Komponenten. Das gilt auch für die Vermeidung von Kollisionen, für die es keinen speziellen Mechanismus gibt: Durch die möglichst kurzen Datenpakete, die bei diesem Funkprotokoll gesendet werden, treten Kollisionen erst gar nicht auf. Die Reichweite des Protokolls beschränkt sich dadurch innerhalb von Gebäuden auf 30 Meter.

Energy Harvesting bei EnOcean

Die zur Übermittlung der relativ kurzen Funksignale im Smart Home benötigte elektrische Energie ist so gering, dass sie sozusagen aus der Umgebung abgegriffen werden kann. Der EnOcean-Funkstandard macht sich im Smart Home verschiedene Möglichkeiten zunutze. Die Energieumwandlung funktioniert beispielweise über piezoelektrische Effekte, hier reicht das Drücken des Schalters aus, um genügend Energie zur Übertragung eines Funksignals zu erzeugen. Seit 2010 verwendet EnOcean Solarmodule, die bereits mit geringstem Lichteinfall eine dauerhafte Versorgung von Komponenten und sogar Zwei-Wege-Kommunikation ermöglichen, etwa in Raumthermostaten. Ebenso ergiebig ist der Einsatz von Thermodynamik, Unterschieden in der Raumtemperatur, als autarke Stromquelle unter anderem für Fensterkontakte. In Wasserzählern nutzen EnOcean-Komponenten Rotationswandler, für gleichmäßig laufende Industriemaschinen Vibrationswandler zur Energiegewinnung und -versorgung. So wird die Hausautomation nicht nur kabellos, EnOcean-Komponenten müssen zudem nur in Ausnahmefällen über Batterien betrieben werden - etwa wenn weder gute Lichtverhältnisse noch mechanische Betätigung verfügbar sind.

Sicherheit des EnOcean-Funkstandards im Smart Home

Mit der Einführung der Dolphin-Architektur 2010 ermöglichte der Funkstandard eine bidirektionale Kommunikation und damit verbesserte Sicherheitsalgorithmen. Das unbemerkte Abgreifen von Datenpaketen wird bei diesem System zur Hausautomation durch ein aus mehreren Komponenten bestehendes Sicherheitskonzept verhindert. Zum einen wird der Mechanismus „Rolling Code” verwendet, ein sich stets ändernder Code, mit dem ein Authentifizierungscode (Cypher-based Message Authentication Code, kurz CMAC) berechnet wird. Mit diesem muss sich der Sender beim Empfänger zunächst verifizieren. Zur Absicherung des Smart-Home-Systems tragen außerdem die Verschlüsselung von Funkdaten sowie eine sich nicht veränderbare, fest hinterlegte 32bit Identifikationsnummer bei, die bei der Herstellung vergeben wird und jedes Gerät eindeutig erkennbar macht. Allerdings gilt das nur für originäre Komponenten von EnOcean, nicht alle Komponentenhersteller setzen diese Sicherungsmöglichkeiten bei ihren Geräten ein. Eine eigene Implementierung ist durchaus möglich.

Entwicklung, Verbreitung und Produkte

Die batterielose Funksensorik, die von der EnOcean GmbH erfunden und entwickelt wurde, bildet die Grundlagentechnologie für den Funkstandard zur Hausautomation. Das 2001 gegründete Unternehmen ist ein Venture der Siemens AG. 2008 bildete sich die EnOcean-Alliance mit der Zielsetzung, Interoperabilität und die Kompatibilität verschiedener Systeme und Geräte im Smart Home zu fördern, die mit dem EnOcean-Funkstandard betrieben werden. Dazu zählt sowohl die Weiterentwicklung des Protokolls als auch der Abgleich mit dem internationalen Standard ISO/IEC 14543-3-10 für Funkanwendungen mit einem besonders niedrigen Energieverbrauch. Auch für die Entwicklung kompatibler Produkte aus allen Bereichen der Gebäude- und Hausautomation setzt sich die Allianz ein, um ein vollständiges Smart-Home-System anbieten zu können.

Die EnOcean-Technologie wird von über 50 Systemintegratoren verwendet, um Endprodukte für die Gebäudeautomation (Licht, Beschattung, Raumklima), die Industrieautomatisierung sowie für Anwendungsfelder wie Transport und Logistik zu entwickeln und zu fertigen. Dazu zählen Hersteller wie beispielweise Zumtobel, WAGO und Somfy. Jung und Siemens nutzen das Protokoll für Wandschalter, Eltako für Rauch-, Bewegungs-, und Temperaturmelder oder Fenster-/Türkontakte. Das Protokoll wird größtenteils für energieautarke Funkmodule (Sende-, Empfangs-, Transceiver-Module und die dazugehörigen Energiewandler) der Haussteuerung eingesetzt, mit denen sich dann zum Beispiel die TaHoma-Box von Somfy erweitern lässt. Auch Bedien- und Steuerungssoftware für die Hausautomation wird von verschiedenen Herstellern angeboten. Am gebräuchlichsten sind BSC-Bose von der BSC Computer GmbH und MyHomeControl von der BootUp GmbH. In Deutschland wird die EnOcean-Technologie von einigen Fertighaus-Anbietern unter eigenem Markennamen vertrieben, zum Beispiel als Weberlogic von Weberhaus. EnOcean hat mit seiner Technologie eine Nische gefunden und füllt diese nahezu konkurrenzlos aus. Trotzdem ist der absolute Marktanteil im Vergleich zu anderen Funkstandards eher gering.

Das unbemerkte Abgreifen von Datenpaketen wird bei diesem System zur Hausautomation durch ein aus mehreren Komponenten bestehendes Sicherheitskonzept erreicht. Zu den Komponenten zählen etwa der Einsatz von Rolling Code, also ein sich stets ändernder Code, mit dem sich der Sender beim Empfänger zunächst verifizieren muss. Auch die Verschlüsselung von Funkdaten und die ausschließliche Verwendung festgelegter IDs gehören zur Absicherung des Smart Home Systems. Dies gilt zumindest für alle originären Komponenten von EnOcean, nicht alle Komponentenhersteller setzen diese Sicherungsmöglichkeiten jedoch auch bei ihren Geräten ein. So genial einfach der Funkstandard ist, so besteht in dieser Tatsache natürlich auch immer ein gewisses Sicherheitsrisiko, welches man im Hinterkopf behalten sollte. Schließlich ist eine eigene Implementierung durchaus möglich.

Pro und Contra zur Hausautomation mit EnOcean

Durch Energy Harvesting gewinnen die Komponenten dieses Funkstandards ihren Strom für den Betrieb fast ausschließlich batterie- und steckerlos. Die Nutzung von Umgebungsenergie für den möglichst energieautarken Betrieb smarter Komponenten war im Hausautomationsbereich lange Zeit ein Alleinstellungsmerkmal für EnOcean. Mittlerweile haben Funkprotokolle wie ZigBee diesen Vorteil auch für sich entdeckt und stellen damit eine Konkurrenz dar. Nicht jede Technologie ist allerdings darauf ausgelegt mit derart geringem Strombedarf zu funktionieren, weshalb die Erweiterung um eine Harvesting-Funktion etwa bei ZigBee unter Umständen dennoch keine mit EnOcean vergleichbaren Ergebnisse bringt. Letzteres verwendet insbesondere eine sparsame Syntax und funktioniert ohne aktive Abfragung – gesendet wird nur, wenn ein Ereignis übertragen wird. Zudem ist die Sendedauer der Signale sehr kurz und das Overhead-Protokoll, also die Begleitdaten beim Versenden von Datenpaketen, bei EnOcean gering gehalten. Diese Faktoren machen den Funkstandard nicht nur energieeffizient, sondern auch strahlungs- sowie wartungsarm. Die einfache Konstruktion des Funkstandards stellt natürlich auch ein gewisses Sicherheitsrisiko dar. Das energiesparende Modell der Ein-Weg-Kommunikation bedeutet gleichzeitig, dass keine Bestätigung für den Empfang der Daten vorhanden ist. Ein erhöhter Sicherheitsstandard wird erst durch die Dolphin-Architektur möglich. Herstellerspezifizierte MSC-Produkte bieten nur eingeschränkte Interoperabilität und auch das standardisierte EnOcean kann nicht alle Einsatzzwecke des Smart Homes abdecken. Zudem wird dem Protokoll mangelnde Zuverlässigkeit unterstellt, was es für kritische Anwendungen ungeeignet macht. Bei Neubauten, die mit kabelgebundenen Smart-Home-Systemen ausgestattet sind, lässt sich der Funkstandard hingegen unproblematisch in die vorhandene Technologie integrieren. EnOcean bietet also eine gute Ergänzung zu bereits existierenden drahtgebundenen Systemen und wird von vielen Herstellern eben aufgrund des Energie-Harvesting und der energiesparenden Kommunikationslösung des Standards als Erweiterung des eigenen Systems eingesetzt.

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homeandsmart.de Redaktion Sarah Mall

Nach dem Studium der Kultur- & Medienwissenschaft und der freiberuflichen Tätigkeit als Übersetzerin, Lektorin und Texterin nun kritisches Auge der homeandsmart.de-Redaktion. Anfangs völlig technikfremd, mittlerweile Expertin für das breite Wissen rund um die Thematik Smart Home und Home Automation.

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