Smart Home Funkstandards

ZigBee, Z-Wave und EnOcean - Smart Home Geräte kommunizieren auf unterschiedliche Art und Weise. Was sind die Vor- und Nachteile bezüglich Reichweite, Kompatibilität und Zukunftsfähigkeit? Informieren Sie sich hier.

Funkstandards
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Funkprotokoll für die Hausautomation
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Funkstandards - Die unsichtbaren Helden des Smart Home

Dass die Verbreitung des Smartphone zum Boom des Smart Home beigetragen hat, ist für die meisten wenig überraschend. Es gibt allerdings eine zweite, unscheinbare Komponente, die maßgeblich zum Erfolg der intelligenten Haussteuerung verantwortlich ist: Bidirektionale Funkprotokolle wie ZigBee, Z-Wave und Bluetooth. Bidirektionale Funkverbindungen können Informationen nicht nur vom Sender zum Empfänger, sondern auch in die umgekehrte Richtung senden. Das smarte Heizungsthermostat beispielsweise kann also nicht nur mit dem Smartphone ferngesteuert werden, sondern dem Smartphone seinen veränderten Zustand auch mitteilen. Durch die passenden Apps lässt sich damit zum einen feststellen, wie das Klima im Haus ist, zum anderen lassen sich Statistiken über den Energieverbrauch erstellen. Erst diese Feedback-Funktion hat die Hausautomation wirklich smart gemacht.

Hausautomation: Wie alles begann

Die Idee des Smart Home ist nicht neu. Allerdings hieß sie in den 70er Jahren noch Hausautomation. Ein Begriff der etwas sperrig ist und damit zum Stand der damaligen Technik passte. Das x10 Powerline war eines der ersten Hausautomationssysteme. Es nutzte die hauseigenen Stromleitungen, um darauf Befehle an die dadurch intelligent gewordenen Geräte zu senden. Mit der Erfindung von Computern verbreiteten sich in den 80er Jahren Bussysteme wie der EIB Bus (heute: KNX Bussystem), die auch heute noch zur energieeffizienten Automation von Neubauten genutzt werden. Bei dieser Bus-Variante werden unabhängig von den Stromleitungen, eigene Steuerleitungen verlegt. Da diese Lösungen kostenintensiv und aufwendig in der Installation sind, entdeckte man schließlich die Funkwelle als gute Alternative zur kabelbasierten Steuerung. Diverse Funk-Protokolle mit der Frequenz 433 MHz und insbesondere das ELV FS20 waren ein erster großer Schritt zum modernen Smart Home. Allerdings konnten die anfangs unidirektionalen Funkprotokolle die Informationen nur in eine Richtung senden. Geräte fernzusteuern ohne ein Feedback über die Durchführung zu erhalten schien Hausbesitzern aber nicht sehr vertrauenserweckend, so dass die Hausautomation die breite Masse nicht erreichte. Das änderte sich erst mit Bidirektionalen Funkprotokollen, die erst ab 2004 Karriere machten- begleitet von der schnellen Weiterentwicklung des Smartphone. Durch die flächendeckende Verbreitung der Funkstandards WLAN und Bluetooth war nun auch jedes Haus grundsätzlich Smart Home-fähig. Trotzdem kommt das Smart Home nicht mit WLAN und Bluetooth alleine aus. Zahlreiche weitere Funkprotokolle spielen eine wichtige Rolle bei Smart Home Systemen. Aber wieso eigentlich?

ZigBee, Z-Wave, Bluetooth. Welcher Funkstandard setzt sich durch?

Bluetooth kennt mittlerweile jeder. Immer mehr Geräte sind bluetoothfähig und lassen sich kinderleicht mit dem Smartphone verbinden. Auch WLAN ist ein Funkstandard, der in jedem Haushalt vorhanden ist. Wozu schlagen sich Hersteller von Smart Home Produkten überhaupt noch mit anderen Funkprotokollen herum? Wieso läuft die Hausautomation nicht einfach über das Internet? Das hat natürlich einen guten Grund: Das Internet wurde nicht für das Smart Home entwickelt. Das WLAN-Netz ist auf ständigen Datentransfer ausgerichtet. Sinnbildlich kann man sich eine mehrspurige Datenautobahn vorstellen, die ständig befahren wird. Dadurch ziehen WLAN-basierte Smart Home Produkte sehr viel Strom und müssen permanent mit der Steckdose verbunden sein. Um drahtlose Geräte mit dem Smartphone zu steuern, eignet sich Bluetooth wesentlich besser: der Funkstandard wurde konzipiert um das Akku von Smartphones zu schonen und Geräte auch über einen längeren Zeitraum zu verbinden. Doch auch Bluetooth ist nicht der Weisheit letzter Schluss für das gesamte Smart Home. Das Protokoll ist nicht darauf ausgelegt über eine größere Distanz und in mehrere Räume zu funken. Aus diesem Grund arbeiten Smart Home Systeme mit einem zentralen Gateway, dass neben WLAN und Bluetooth auch Funkstandards unterstützt, die speziell für die Bedürfnisse des Smart Home entwickelt wurden, darunter ZigBee und Z-Wave. Sie sind vergleichbar mit einer Landstraße, die ohne Umwege zum Ziel führt und bei Nicht-Gebrauch sogar gesperrt wird. Heißt: Geringer Stromverbrauch, bei hoher Funktionalität. Welcher Funkstandard sich durchsetzt ist also klar: Jeder, in jeweils unterschiedlichen Bereichen.

Ordnung ins Chaos der Funkstandards

Die zahlreichen Funkstandards sind ein Hauptgrund dafür, dass der Smart Home Markt noch segmentiert und für den Verbraucher unübersichtlich ist. Gerade zu Beginn des großen Smart Home Booms entwickelten die Hersteller häufig ihre eigenen Funkprotokolle. Das liegt einerseits an den unterschiedlichen Anforderungen an Bandbreite, Sicherheit und Energieverbrauch. Außerdem sahen die Hersteller den Vorteil, dass eine proprietäre Lösung, die Kunden an ihre Smart Home Produkte bindet. Smart Home Systeme wie das viel verbreitete ELV HomeMatic oder Max! oder auch Innogy SmartHome (alle von dem Hersteller eQ-3, aber nicht zueinander kompatibel), definieren solche „Insellösungen“ sehr erfolgreich. Trotzdem bewegt sich der Trend in Richtung offenes Smart Home System. Die Gateways von beispielsweise QIVICON sprechen großflächig-verbreitete „Funk-Sprachen“, so dass sich die Smart Home Basisstation fast beliebig mit Geräten externer Hersteller vernetzen lässt. Neben Z-Wave und ZigBee konnten sich folgende Funkprotokolle in die Reihe der aktuellen Funkstandards stellen: EnOcean, HomeMatic, Thread, Bluetooth LE, KNX RF, NFC und DECT Ule. Größtenteils werden diese Standards durch Allianzen reglementiert und weiterentwickelt. Hersteller zahlen also Mitgliedsbeiträge und profitieren dafür von den Sicherheitsstandards und der herstellerunabhängigen Kompatibilität, die ihren Kunden einen wichtigen Mehrwert bietet.

Welcher Standard kann was?

Die Vielzahl unterschiedlicher Funkstandards ist nicht weiter verwunderlich, da jede Anwendung spezifische Eigenschaften mit sich bringt. WLAN zum Beispiel ist für hohe Datenraten ausgelegt und damit optimal für Audio- und Videoübertragung geeignet und als Schnittstellensprache für die Anbindung von Kontroll- und Steuergeräten wie Smartphone und Tablets im Smart Home. Und natürlich generell für die Anbindung an das Internet. Der große Vorteil von Smart Home Geräten, die mit WLAN oder auch Bluetooth funken, ist die Möglichkeit, sie direkt mit dem Smartphone, Tablet oder Computer zu verbinden. Smarte Geräte dieser Kategorie werden deshalb auch plug-and-play Geräte bzw. Gadgets genannt. Bluetooth kommt bevorzugt zum Einsatz, wenn die verbundenen Geräte drahtlos sind, eine Punkt-zu-Punkt Verbindung benötigen und keine Verbindung zum Stromnetz besteht. Ein beliebtes Einsatzfeld sind Health Gadgets wie smarte Waagen oder Smart Watches. Sobald aber eine größere Reichweite gefragt ist, muss man Funkstandards nutzen, die das Smartphone nicht kennt. Für Smart Home Geräte die beispielsweise Z-Wave, ZigBee oder EnOcean nutzen, ist daher der Einsatz einer „Bridge“ gefragt, also eine Basisstation für das Smart Home System. Sie übernimmt die Übersetzung des fremden Funksignals in ein WLAN-Signal, welches das Smartphone verarbeiten kann. Im Bereich der LED Beleuchtung konnte sich der ZigBee-Funk durchsetzen. Das liegt nicht zuletzt am großen Erfolg, den die ZigBee-basierten LED-Birnen von Philips Hue haben. EnOcean hingegen eignet sich perfekt durch die Verwendung von Energy-Harvesting (Gerät hat keine eigene Stromversorgung, sondern gewinnt die benötigte Energie aus seiner Umgebung) für äußerst energiesparsame Anwendungen. ZigBee und Z-Wave sind weitverbreitet und durch hunderte von Hersteller gestützt, bieten gerade durch den Einsatz einer Mesh-Netzwerktechnologie große Vernetzungsreichweite und hohe Signalübertragungssicherheit. HomeMatic hingegen kann man als „Quasi“-Standard bezeichnen, da es nur einen Hersteller gibt, aber die Produkte sehr umfangreich und weitverbreitet sind, aber das Protokoll nicht für jeden zugänglich ist. Daneben gibt es noch weitere Funkprotokolle wie beispielsweise DECT-Ule, welches sich auf einer Fritz!Box per Firmware-Update installieren lässt, äußerst sparsam und robust in seiner Übertragung ist, oder das neue Thread Protokoll, welches die Vorteile eines vermaschten, energiearmen ZigBee Protokoll aufweist, aber IP-basierend arbeitet.

Das Haus funkt sich selbst

Eine Steuerzentrale für alle Anwendungen im Haus: das ist der Trend im Smart Home. Eine einzige Bridge, die mit dem Internetrouter verbunden ist, ermöglicht es mit Hilfe von App oder Computerprogramm alle smarten Geräte samt Zustandsinformationen zu überblicken und zu steuern. Nun könnte man meinen, das eine Bridge reichlich überfordert damit ist, die komplette Hausautomation über mehrere Etagen zu steuern. Dem ist nicht so. Der Grund dafür heißt „Mesh-System“. Funkstandards wie Z-Wave und ZigBee sind in der Lage, das Funksignal nicht nur über die Bridge weiterzugeben, sondern über eingebundene Smart Home Geräte, die ans Stromnetz angeschlossen sind. Vielleicht wird auch Bluetooth zukünftig in der Lage sein ein Mesh-System aufzubauen, zum jetzigen Entwicklungszustand lässt sich das noch nicht absehen. So gut wie sicher hingegen ist es, dass Mesh-Systeme im Smart Home der Zukunft der Standard sein werden.

Verbesserte Funkstandards, neue Konzepte

Mit den neuen Funkstandards ergeben sich immer neue Möglichkeiten, smarte Gadgets und Systeme zu entwickeln. Ein Münchener Start-up beispielsweise entwickelte tado, ein ausgereiftes Heizungssteuerungssystem. Es nutzt neben dem Satelliten-Netzwerk GPS auch WLAN-Signale und Bluetooth-Beacons, die eine ausreichende Ortung des Smartphones ermöglichen (=Geofencing). Das Thermostat nutzt also unterschiedliche Funksignale, um zu identifizieren, wann sich ein Bewohner dem Haus nähert. Genau das macht die smarte Heizung so sinnvoll; sie heizt nicht stumpf nach einem voreingestellten Plan, sondern ändert den Plan von selbst, sollte kein Bewohner zuhause sein. Das spart bares Geld und schont Umweltressourcen. Zwei Aspekte, die das funkbasierte Smart Home so interessant machen.