Funkprotokolle für modernes Gebäudemanagement: Alles über Zigbee, Z-Wave, EnOcean und endiio
von Alexander Schwarz, Artikel aus dem Archiv vom
Wenn Lichtsteuerungssysteme mit wenig Aufwand in vorhandene Gebäude integriert werden sollen, fällt die Wahl recht schnell auf kabellose Systeme. Das klingt vorerst einfach und komfortabel – aber ist es das auch? PROFESSIONAL SYSTEM hat die Funksteuerungssysteme Zigbee, Z-Wave, EnOcean und endiio unter die Lupe genommen.
Moderne Büroarchitektur erfordert auch eine passende Steuerungselektronik hinsichtlich der Beleuchtungsanlage. Hier können Funklösungen eingesetzt werden, um den Installationsaufwand möglichst gering zu halten. (Bild: Schwarz-Licht)
Prinzipiell sind Funksteuerungssysteme nach den gleichen Regeln wie kabelgebundene Lösungen aufgebaut. Mit dem grundlegenden Unterschied, dass zu dem Standard-Stromnetz keine weiteren Kabel benötigt werden, das Datensignal auch nicht über die Netzspannung gelegt oder gar per Infrarot- Signal übertragen wird. Die Informationen zwischen Bedienungselementen, Sensoren und Aktoren erfolgen demnach über Funkwellen mit begrenzter Reichweite.
Die jeweiligen Module werden gerätespezifisch meist in vorhandene Schalter, Leuchten oder andere Teilnehmer integriert, so dass sich der handwerkliche Aufwand in einem begrenzten Rahmen hält. Die Sensoren – Schalter, Temperaturfühler, Bewegungsmelder – senden per Funk ihre Befehle an die Aktoren (Leuchten, Jalousien, Heizungsanlagen etc.), welche die Informationen auswerten und entsprechend reagieren.
Grundsätzlich erfolgt die Kommunikation bidirektional, das heißt, dass es zwischen Befehlsgeber und Empfänger zu einem beidseitigen Datenaustausch kommt. Dadurch behält der Anwender die Kontrolle darüber, ob erteilte Befehle auch tatsächlich ausgeführt werden. Aufgrund dieser elementaren Eigenschaft besteht grundsätzlich die Möglichkeit, manche Module flexibel einzusetzen und ihnen per nachträglicher Programmierung ihre Funktion (Sensor oder Aktor) zuzuweisen.
Die Stromversorgung der einzelnen Komponenten kann entweder kabelgebunden über die 230-V-Leitung erfolgen oder über Batterien bzw. Akkus oder sogar unabhängig durch die Umwandlung von Wärme, Licht oder Bewegung in die notwendige Versorgungsspannung. Die Hauptanwendungsgebiete der Funk-basierten Steuerungslösungen sind Gebäude, bei denen andere, an Kabel gebundene Systeme nur schwer bzw. mit erhöhtem Aufwand zu montieren sind.
Ebenso ist der Einsatz bei historisch wertvoller Bausubstanz, auf Glastrennwänden, Sichtbeton oder Sichtmauerwerk oder wenn die Bedienung sehr flexibel bleiben soll, durchaus sinnvoll und als notwendig zu betrachten. Das Hauptanwendungsgebiet liegt, vereinfacht betrachtet, in der Steuerung von Beleuchtungs- und Verdunklungsanlagen und der Raumtemperaturregelung. Über entsprechende Buszentralen können auch weitere Funktionen wie Alarmanlagen und Anwesenheitssteuerungen in das Netzwerk eingebunden werden. Durch Gateways lässt sich ein solches System auch in andere, z. B. an Kabel gebundene Steuerungen integrieren und so weitestgehend grenzenlos ausbauen.
Probleme können aufgrund der Reichweitenbegrenzung entstehen, die besonders von der Beschaffenheit und Anzahl der zu durchdringenden Wände geprägt ist. Die Herstellerangaben bewegen sich meist zwischen Reichweiten von 30 bis 50 Metern in geschlossenen Gebäuden und müssen grundsätzlich individuell bewertet werden.
Eine weitere Unsicherheit entsteht durch die Gefahr, dass ein solches System prinzipiell auch von außen zu bedienen ist und somit die Möglichkeit, unbefugt in das System einzudringen gegeben ist. Insbesondere, wenn komplexere Steuerungen oder gar die Sicherheitstechnik über Funk geregelt werden, besteht hier ein erhöhtes Sicherheitsrisiko, welches beachtet werden sollte.
Das Angebot an funkbasierten Steuerungssystemen ist umfangreich und lässt sich nur schwer umfassend abbilden. Alle Systeme verfolgen jedoch die gleichen Ansprüche an Sicherheit, Komfort und Gerätekompatibilität. Die Unterschiede liegen oftmals nur im Detail und sind nicht für alle Anwendungen relevant. Im Folgenden werden wichtige Systeme unter die Lupe genommen.
Zigbee zählt neben EnOcean und Z-Wave mit zu den am häufigsten verwendeten Funkprotokollen, was sicherlich auch durch die Mitgliedschaft hochkarätiger Firmen in der Alliance begründet ist. Die Teilnahme unterteilt sich in drei Kategorien: Promoters (z. B. Philips, Huawei und Somfi), Participants (z. B. Busch-Jaeger, Osram, Siemens und Zumtobel) und eine große Menge Adopter Members, die Zugang zu fertigen Zigbee-Spezifikationen und -Standards erhalten.
Doch erst seit Zigbee 3.0 ist auch tatsächlich gewährleistet, dass alle angebotenen Systemlösungen tatsächlich miteinander kompatibel sind. Die neueste Version mit dem Namen Zigbee Pro 2017 verfügt neben dem 2,4-GHz-Band für globale Anwendungen auch über ein 800–900 MHz Frequenzband. Diese Dual-Band-Option soll die Flexibilität für Planer und Kommunen in der differenzierten Nutzung und den Herstellern mehr Freiheit bei der Ausarbeitung neuer Module hinsichtlich Design und Funktionalität bieten.
Mit einem optionalen Zigbee-Interface kann der Shop-Strahler In.Evo von Trilux die Steuerbefehle auch drahtlos empfangen. (Bild: RILUX GmbH & Co. KG)
Durch Sicherheitslücken im Protokoll bekam Zigbee in der Vergangenheit verständlicherweise eine negative Aufmerksamkeit, die durch die Pro-Versionen allerdings behoben sein sollten.
Sowohl das Steuergerät als auch das Zigbee-DALI Interface in den Leuchten von Trilux besitzen einen DALI-Ausgang, über den sich beispielsweise weitere Leuchten, Taster oder Sensoren einbinden lassen. (Bild: TRILUX GmbH & Co. KG)
Da die Reichweite des Systems technisch bedingt auf maximal 100 Meter begrenzt ist, verfügt das Netzwerk über ein sogenanntes Mesh-Networking, welches die Weitergabe der Befehle von einem Modul zum nächsten ermöglicht und dadurch die zentrale Steuerungsanlage auch weiter entfernte Aktoren und Sensoren erreichen kann. Anhand der teilnehmenden Global-Player wird deutlich, dass Zigbee in erster Linie für Beleuchtungslösungen, Hausautomation und Sensornetzwerke geeignet ist und durch seinen geringen Stromverbrauch, der durchaus Batterielösungen ermöglicht, punkten kann. So eignet sich das System nicht nur für den begrenzten Smart-Home-Bereich, sondern durchaus auch für größere Netzwerke mit professionellem Anspruch.
Z-Wave wird gerne mit Zigbee verglichen, obwohl durchaus Unterschiede vorhanden sind, die sich insbesondere in den Anwendungsbereichen aufzeigen. Bezüglich der teilnehmenden und unterstützenden Firmen braucht sich Z-Wave in jedem Fall nicht zu verstecken: dabei sind LG, Bosch, Honeywell, Logitech, Nokia und Steinel, um nur ein paar aus der Liste zu nennen. Schon an dieser Auswahl wird ersichtlich, dass sich das System eher auf die Smart-Home-Lösungen konzentriert und hier seine Kompetenzen ausspielen kann. Doch letztendlich unterscheiden sich die Bedürfnisse gewerblicher bzw. professioneller Anwendungen „nur“ durch die Größe der Räumlichkeiten und Netzwerke, denn die zu regelnden Geräte sind oftmals gleich.
Von der Heizungs- und Lüftungssteuerung über Beleuchtung, Klimageräte und Alarmanlagen bis hin zu Energiezählern und sogar Audio- und Videogeräten können mit Z-Wave bis zu 231 Geräte mit der Steuerungseinheit und untereinander vernetzt werden. Der Funkstandard nutzt sowohl das SRD-Frequenzband (Short Range Devices) als auch unterschiedliche ISM-Bänder (Industrial, Scientific and Medical) mit Funkfrequenzen zwischen 850 und 950 MHz. Die Reichweite beträgt mindestens 40 m und durch die verwendete Frequenzumtastung wird eine höhere Unempfindlichkeit gegenüber Störfeldern erreicht. Die bidirektionale Kommunikation sorgt für eine entsprechend hohe Kommunikations- und Kontrollsicherheit, da die angesprochenen Geräte eine Bestätigung senden, wenn Befehle erfolgreich übermittelt wurden.
Durch die strategische Ausrichtung auf den Endverbraucher liegt ein großer Schwerpunkt bei der Einfachheit der Einrichtung und Bedienung des Netzwerks. So erkennt die Steuerzentrale neu hinzugefügte Aktoren und Sensoren und bindet diese automatisch mit ein und diese können durch eine anschließende Konfiguration an die individuellen Bedürfnisse angepasst werden. Netzgebundene Aktoren und Sensoren sind pausenlos aktiv und können im Störungsfall Funksignale direkt weiterleiten.
Um entsprechend Energie zu sparen, werden batteriebetriebene Geräte nur im Bedarfsfall bzw. in regelmäßigen Abständen angesprochen, um deren Funktionstauglichkeit zu überprüfen. Für das klassische Smart Home ist Z-Wave in jedem Fall ein Funkstandard, der schon alleine aufgrund der Bedienung und der Geräteauswahl genauere Beachtung verdient. Und Letztere macht das System durchaus auch für kleinere professionelle Anwendungen interessant.
Obwohl EnOcean aufgrund seiner Energy Harvesting Technologie eine Art Alleinstellungsmerkmal besitzt, sind die Marktanteile im Vergleich zu den anderen Systemen relativ gering. Dabei ist diese Methode der Energiegewinnung für die einzelnen Systemkomponenten durchaus revolutionär und folgt dem Wunsch nach energieeffizienten Lösungen beinahe kompromisslos. Wird bei anderen Systemen der Strombedarf für die Sensoren und Aktoren mithilfe von Akkus, Batterien oder Anschlüssen an das 230-V-Netz befriedigt, so nehmen sich die EnOcean-Module diesen aus den Eigenschaften der Umgebung. Das bedeutet zum Beispiel, dass ein Schalter den Schaltvorgang über piezoelektrische Effekte nutzt, um die Energie für die Datenübertragung zu gewinnen.
Ebenso sind anspruchslose Solarlösungen vorhanden und manche Module nutzen die Wärmedifferenzen als autarke Stromquelle, unter anderem für Fensterkontakte. Das klingt nicht nur innovativ, sondern ist es auch. Möglich wird dies durch eine eingeschränkte Kommunikation innerhalb des Netzwerks und entsprechend kleine zu sendende Protokolle. Dies sorgt jedoch im Gegenzug für ein gewisses Sicherheitsrisiko, da nicht alle Befehle während des Datenaustauschs auch bestätigt werden können und dem System haftet der Ruf von Unzuverlässigkeit an.
Das Zigbee basierte LEDLeuchten und Lampensystem Philips Hue (hier das Philips Hue White Color Ambiance Starterkit) zählt vermutlich zu den bekanntesten Produkten aus dem Zigbee- Portfolio und hat aufgrund seiner einfachen Benutzersteuerung entsprechende Erfolge verbuchen können. (Bild: Philips Lighting)
Dafür ist der Funkstandard nicht nur sehr energieeffizient, sondern auch strahlungs- so wie wartungsarm. Der Funkstandard EnOcean verwendet in Europa die Frequenz von 868 MHz und das Protokoll nutzt die Amplitudenumtastung zur Funkmodulation und ist sowohl energiesparend als auch elektronisch einfach umzusetzen. Das unbemerkte Abgreifen der Datenpakete von außen wird durch die Dolphin- Architektur mithilfe eines aus mehreren Komponenten bestehenden Sicherheitskonzepts verhindert. Durch die Kompatibilität zu kabelgebundenen Systemen lässt sich EnOcean jedoch durchaus vielfältig einsetzen und es besteht so die Möglichkeit, modernste Funktechnik in ältere Systeme zu integrieren.
Das auf Z-Wave basierende Home Control Starter Kit von devolo bietet die Möglichkeit, Heizung, Beleuchtung und elektrische Geräte genauso wie die Sicherheit und den Energieverbrauch zu steuern und zu überwachen. (Bild: devolo)
Die endiio GmbH, als Spin-off der Universität Freiburg gegründet, entwickelt und vermarktet eine IoT (Internet of Things) Plattform basierend auf einer echtzeitfähigen Low-Power- Funktechnologie. Nach eigenen Angaben arbeitet die endiio-Lösung dank einer neuartigen Funktechnologie im Echtzeit-Modus bis zu 10.000 Mal sparsamer als alle herkömmlichen Kommunikationslösungen, wie beispielsweise Bluetooth Low Energy, Zigbee oder WLAN. Das Ergebnis erschließt sich aus der Rechnung, dass mit nur einem Gateway bis zu 65.000 Sensoren in der Mesh-Networking- Technologie angesprochen werden können.
Die Sensoren befinden sich dauerhaft in einem Ruhemodus und werden erst bei Bedarf durch eine patentierte Wake-up-Funktechnologie aus dem Tiefschlaf geholt, so dass dann die Messdaten eingesammelt werden können, um diese in definierte Befehle umzusetzen. Dies ermöglicht den Einsatz sich selbst versorgender Sensoren und Aktoren, bei denen die Module die benötigte Energie beispielsweise aus dem manuellen Knopfdruck ziehen, wie bereits aus dem EnOcean-System bekannt ist.
EnOcean bietet auch batterielose Funkmodule für BLE-Systeme (Bluetooth Low Energy) mit 2,4 GHz. Das batterielose Schaltermodul PTM 215B ist erstmals mit einer NFC-Funktionalität ausgestattet und soll so das Einlernen und Konfigurieren des Schalters vereinfachen. (Bild: EnOcean GmbH)
Das endiio Funkmodul ist dabei Teil eines modularen Baukastensystems zur Umsetzung vielfältiger IoT-Anwendungen. Es ermöglicht eine schnelle und kosteneffiziente Integration der Technologie in die unterschiedlichsten Produkte und Lösungen, so z. B. bei intelligenten Warenträgern für die Produktion oder bei wartungsfreien Rauchmeldern in der Gebäude automation. Das System bietet vom Funkmodul bis zur Cloud eine IoT-Lösung aus einer Hand an. Dadurch können Entwickler, OEMs und Anwender unterschiedliche Applikationen, bei denen Sparsamkeit, Erreichbarkeit, Sicherheit, Robustheit und Systemeinfachheit höchste Priorität haben, schnell realisieren.
Die Funkmodule und Evaluation Boards lassen sich auf dem Gateway einfach konfigurieren und schnell in Betrieb nehmen. Außerdem bietet das Gateway eine Entwicklungsumgebung mit der Skriptsprache Python, die es Anwendern ermöglicht, sehr einfach neue Applikationen zu realisieren. Noch ist endiio eher Entwicklern, Produktionspartnern und Technikern vorbehalten, doch die Spezifikationen klingen durchaus spannend, so dass die weitere Entwicklung gespannt beachtet werden darf.
Das endiio Evaluation Kit basiert auf der endiio Technologie und wurde als komplette Demonstrations- und Entwicklungsplattform für drahtlose, echtzeitfähige, sparsame und sicherheitsrelevante Sensornetzwerke zusammengestellt. (Bild: endiio GmbH)
