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Smart Home - Intelligentes Wohnen

Inhaltsverzeichnis

1. Allgemeines

Der Wunsch nach intelligentem Wohnen in einem "Smart Home" wird hauptsächlich von drei Faktoren getrieben: Optimierung des Energieverbrauchs wegen rasant gestiegener Energiekosten, der Zusammenführung von Kommunikations-, Informationstechnik und der Unterhaltungselektronik zu einem einfach zu bedienenden Ganzen und die Verbesserung der Lebensqualität durch Vereinfachung bzw. Wegfall von Haushaltstätigkeiten.
Um ein Smart Home zu realisieren sind viele Disziplinen moderner Technik beteiligt.

2. Gebäude- und Hausautomation

Die Gebäude- bzw. Haustechnik soll für eine effiziente Licht-, Heizungs- und Jalousiesteuerung sorgen. Über programmierbare Zeitschaltuhren, Präsensmelder, Helligkeitsmesser und Temperaturfühler werden das Hausklima und die Beleuchtung an die aktuelle Wohnsituation (Szenen) automatisch angepasst.

Licht und vorgegebene Verbraucher  werden nach dem Verlassen des Hauses ("Leaving Home") automatisch abgeschaltet, die Raumtemperatur wird heruntergefahren und die Alarmanlage wird scharfgeschaltet. Sollten irgendwelche Fenster oder Außentüren nicht verschlossen sein, wird dieses erkannt und gemeldet. Ist das Haus, z.B. während eines Urlaubs, vorrübergehend ungewohnt, können über eine Anwesenheitssimulation Beleuchtung an- und ausgeschaltet werden und die Jalousien tagsüber hochgefahren werden. So erscheint das Haus bewohnt und weckt nicht das Interesse von Einbrechern.

Abb. 01: Out-Of-Home: Eines von vielen vorprogrammierbaren Szenarien
Abb. 01: Out-Of-Home: Eines von vielen vorprogrammierbaren Szenarien

Über PC oder Smart Phone kann von unterwegs Verbindung mit der Zentrale zuhause gehalten werden. Auf Teneriffa kann man per Web-Cam sehen wer gerade an der Haustür klingelt oder wie hoch die Vorlauftemperatur der Heizungsanlage gerade ist. Ist man auf dem Heimweg ("Coming Home") kann man ferngesteuert die Heizung hochfahren und die Waschmaschine in Betrieb setzen.
War die Gebäudeautomation früher ausschließlich eine Domäne der Nutzbauten, also Firmen- und Behördengebäude, Schulen oder Krankenhäuser, wird sie seit gut zehn Jahren auch vermehrt in Wohngebäuden eingesetzt. Für Bussysteme wie den KNX-Bus (früher Europäischer Installationsbus EIB) werden mittlerweile in Massen produzierte Komponenten angeboten, die die Installation intelligenter Technik in Neubauten oder Grundsanierungen auch für Otto Normalbürger erschwinglich macht.

2.1. Das Prinzip der Gebäudeautomation

Abb. 2: Der klassische Anschluss von vier Leuchtkörpern
Abb. 2: Der klassische Anschluss von vier Leuchtkörpern

Der Sinn der Gebäude- und Hausautomation ist die Zusammenfassung von Steuer- Regel- und Überwachungssystemen, die in einem Gebäude installiert sind. Die Informationen von mehreren Sensoren werden gemeinschaftlich genutzt um (analoge) Steuergrößen für Regelkreise, z.B. für Heiz- und Klimaanlagen, und (binäre) Schaltsignale z.B. für die Jalousiesteuerung, zu erzeugen. Alle Sensoren, Bedienelemente und Stellglieder ("Aktoren") sind dabei logisch miteinander verknüpft ("vernetzt"). Ist beispielsweise ein Fensterkontakt geöffnet, erhält die Heizungssteuerung den Befehl trotz (vom Raumthermostat gemeldeter) sinkender Raumtemperatur nicht hochzufahren. Der gleiche geöffnete Fensterkontakt verhindert aber auch ein Scharfschalten der Alarmanlage. Ein weiteres Beispiel: Meldet der Temperaturfühler im Kamin, dass dieser eingeheizt ist, kann die Dunstabzugshaube in der Küche nicht in Betrieb genommen werden.

Die Aufgaben der Gebäudeautomation lassen sich natürlich mit der konventionellen Elektroinstallation kaum realisieren, denn diese kennt nur ein Netz: das Leistungsnetz mit Schaltern oder Dimmern (Abb. 2). Bei der Gebäudeautomatisierung werden mindestens zwei voneinander getrennte Netzwerke unterschiedlichen Typs aufgebaut. Die einzige Aufgabe des Leistungsnetzes ist es, die Verbraucher mit Energie zu versorgen. Das Steuerungsnetzwerk überträgt ausschließlich Daten oder Befehle von den Sensoren zu den Aktoren, die ihrerseits die Energiezufuhr in die Verbraucher steuern. Die Protokolle und die einprogrammierten Regeln machen das Steuernetz zu einem intelligenten Netz. Kennzeichnend hierbei ist, dass die Steuerungseinheiten (DDC-GA = Direct Digital Control-Gebäudeautomation) dezentral angeordnet sind.

Abb. 3: Getrennte Netze für Daten und Energie
Abb. 3: Getrennte Netze für Daten und Energie

Realisiert wird das Steuernetzwerk, auch Feldbus genannt, durch ein Bussystem mit praktisch freier Topologie (Stern, Baum, Linie, Ring ist verboten).

2.2. Logische Struktur des Steuernetzes

Die klassische Gebäudeautomation unterscheidet in ihrer logischen Struktur drei Ebenen:
Die Managementebene dient zur Konfiguration und zur Überwachung des Systems. Hier laufen alle systemrelevanten Daten zusammen. Mittels spezieller Software können die Daten protokolliert, visualisiert und auch statistisch ausgewertet werden. Von der Managementebene aus können über angepasste Router/Gateways auch proprietäre Subsysteme unterschiedlicher Hersteller angesprochen werden. Der Zugriff auf die Gateways erfolgt in neueren Anlagen meist über Ethernet, RS 232 oder USB.
Auf der Automationsebene erfolgt der Datenaustausch zwischen den DDCs. Alle DDCs sind über den Feldbus miteinander verbunden. Normierte Protokolle stellen sicher, dass die Kommunikation ohne Datenverluste, z.B. durch Paketkollisionen, erfolgt. Wichtige drahtgebundene Feldbussysteme sind CAN, KNX (EIB), LON und BACnet. Alternative Feldbussysteme verwenden Powerline Communication (PLC) oder Funk (z.B. WLAN).
Als Feldebene wird die Verbindung zwischen den Sensoren (z.B. Temperaturfühler) oder Aktoren (z.B. Leistungsschalter) mit den dazugehörenden DDCs bezeichnet. Bei modernen Gebäudeautomationssystemen wie KNX lassen sich Automationsebene und Feldebene nicht immer voneinander differenzieren, weil die Sensoren oder Aktoren bei Einbau- und Reiheneinbaukomponenten oft direkt über die Anwendungsschnittstelle an die DDCs angekoppelt sind.

Abb. 4: Kommunikationsebenen in der Gebäudeautomation
Abb. 4: Kommunikationsebenen in der Gebäudeautomation

3. Smart Metering

Beim Smart Metering erfassen intelligente Messgeräte die Leistungsaufnahme und die Betriebszeiten von Verbrauchern. Die gewonnenen Daten werden in Quasi-Echtzeit z.B. über PLC an eine Zentrale weitergeleitet oder lokal gespeichert bis sie von der Zentrale abgerufen werden. Über eine Visualisierung der Daten lassen sich dann Defizite im Energieverbrauch erkennen und und durch Verhaltensänderung ( und vielleicht auch durch einen Tarifwechsel) beheben.
Als Teil von Smart Grids (Schlaue Netze) können Energieversorger mittels des Smart Meterings das Verbraucherverhalten genau analysieren und ihre Netze und die Energieerzeugung entsprechend anpassen. Diese Analysierbarkeit des Verbraucherverhaltens ist natürlich auch aus Gründen des Datenschutzes fragwürdig und hat bereits Verbraucherschutzorganisationen auf den Plan gerufen.

4. Heimnetzwerke

Ein Smart Home setzt auch ein "Digital Home" voraus. Die Digitalisierung der Unterhaltungselektronik begann mit der Ablösung der Schallplatte durch die CD. Fast gleichzeitig revolutionierte ein anderes Gerät die Arbeitswelt: der PC. Beides, CD und PC, existierten bis vor wenigen Jahren jeder für sich in seiner eigenen Welt.
Bald erlangte der PC aber auch die Fähigkeit Musik abzuspielen und aufzuzeichnen. Der Trend zum Multimedia-PC wurde mit der Verfügbarkeit der DVD und dem Auftauchen von MP3 als Kompressionsverfahren weiter beschleunigt.
Die immer weiter steigende Leistungsfähigkeit der PCs ließen bald auch bis dahin der professionellen Technik zugeordnete digitale Anwendungen wie digitale Video- und Fotobearbeitung für den „einfachen“ Konsumenten möglich werden. Digitale Fotoapparate und Camcorder sind heute in nahezu jedem Haushalt zu finden.
Mit dem Internet sind neue Anwendungen wie Internet-Telefon über (VoIP, Voice over IP), Internet-Fernsehen (IPTV) u. v. a., erschienen und damit verwischen die Grenzen zwischen Unterhaltungselektronik, Informationstechnik und Kommunikationstechnik immer mehr. Es hat eine " Digitale Konvergenz" stattgefunden.
Das digitale Heim ist ständig mit dem Internet verbunden. Das Internet ist nicht mehr ausschließlich Informationsquelle und Briefkasten, sondern ist das Kommunikationsmedium per se. Klassische Punkt-zu-Punktverbindungen wie analoges Telefon oder ISDN wurden immer unwichtiger und sind bereits flächendeckend durch paketorientierte Verbindungen über Netzwerke ersetzt. Die Vernetzung setzt sich auch in einem Smart Home fort.
Die in einem Heimnetzwerk eingesetzte Hochtechnologie überhaupt für einen Laien bedienbar zu machen ist für die Industrie kein leichtes Unterfangen. Die Informationstechnik, die Kommunikationstechnik und auch die Unterhaltungselektronik haben alle ihre eigenen liebgewonnenen Standards und Normen. Herstellerübergreifende Organisationen, wie z.B. die DLNA, versuchen diese, mit Blick auf die Bedürfnisse des Konsumenten, unter einen Hut zu bringen.

Referenzen

Literatur

Robert Beiter: Installationsbus EIB/KNX Twisted Pair (ISBN 3-8101-0185-0)
Frank Völkel: Smart Home mit KNX (ISBN 978-3-7723-4387-2)
Erwin Richter: Smart Home-So wird's gemacht (ISBN 3-8101-0236-9)

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