Auf einen Blick

Hausautomatisierung ist heute in aller Munde. Große Firmen wie Google oder Apple befassen sich bereits mit dem Thema oder planen einen Einstieg. Mit der fortschreitenden Automatisierung von Kommunikationsprozessen zwischen Maschinen, Strom-, Wasser-, Gaszählern, Verkaufsautomaten und zentralen Servern, also sogenannten M-2-M- (Machine-to-Machine) Lösungen, ist der Weg ins Haus hinein schon geebnet. Allerdings werden oft proprietäre Lösungen genutzt, spezielle Router werden eingesetzt und es wird jeweils sporadisch eine Verbindung aufgebaut. Atlantik Elektronik unterstützt seine Kunden bei einer entsprechenden Implementierung bis hin zum Ausbau einer kompletten IoT-Implementierung und ermöglicht dem Endkunden alle Freiheitsgrade von der traditionellen Bedienung, über die Steuerung der Beleuchtung per Smartphone zu Hause, bis hin zur Kontrolle von jedem beliebigen Ort der Welt.

Moderne Beleuchtungsinstallationen.

Moderne Beleuchtungsinstallationen.Atlantik Elektronik

Aktuell werden die Daten aus dem Haus nur zu Informations- oder Abrechnungszwecken genutzt. Das Internet-of-Things (IoT) geht einen Schritt weiter. Informationen von verschiedenen „Knoten“ werden in Form fragmentierter Pakete über die Infrastruktur eines bestehenden oder erweiterten Netzes versendet. Dabei ist das Internetprotokoll nicht unbedingt jeweils die technisch beste Lösung, aber es ist allgegenwärtig. DSL-Modems mit integrierter Ethernet- und WLAN-Schnittstelle sind weit verbreitet, sodass mithilfe von Servern nicht nur gelesen, sondern von extern auch gesteuert werden kann. Dazu kommen die zunehmende Verbreitung von Smartphones und deren immer intensivere Nutzung hinzu. In Deutschland gibt es allein zurzeit mehr als 36 Millionen Smartphone-Nutzer. Die Verbreitung steigt aber weiter. In diesem Jahr beträgt der erwartete Absatz rund 30 Millionen Stück. Ende des Jahres wird also mindestens jeder zweite Bundesbürger ein Smartphone besitzen und es auch entsprechend nutzen wollen. Oft geht es dabei um das Quantified-Self – ich messe, speichere, teile, vergleiche Daten zu Körperfunktionen. Sensorik ist dabei drahtlos an das Smartphone angebunden und übermittelt die Daten dorthin. Medium ist dabei praktisch immer Bluetooth Smart (Bluetooth Low Energy). Dies alles geht mit dem Trend zu Haushalten mit immer weniger Personen einher. Schon heute liegt der Durchschnitt gemäß Zahlen des Statistischen Bundesamtes bei weniger als zwei Personen pro Haushalt. Von zirka 40 Millionen Haushalten sind etwa 16,5 Millionen Ein-Personen-Haushalte und 14,5 Millionen Zwei-Personen-Haushalte – zusammen also über 75 Prozent. Für die Beleuchtung im eigenen Haushalt bedeuten diese Strömungen zweierlei: Das Smartphone wird die Schaltzentrale der Zukunft und die Kommunikation, die heute nur vom Sensor zum Smartphone verläuft, wird zur Interaktion. Ein immenser Vorteil bei der Markteinführung solcher Lösungen ist deren Gesellschaftsfähigkeit, sie werden vom Nutzer nicht nur akzeptiert, sondern fast schon erwartet.

Die Hausautomatisierung ist ein Markt mit großem Wachstum.

Die Hausautomatisierung ist ein Markt mit großem Wachstum.Atlantik Elektronik

Steuerung von Lampen und Leuchten

Die Auswahl der besten Technologie für die Steuerung von Lampen und Leuchten ist relativ einfach. Es muss berücksichtigt werden, was heute im Smartphone neben Mobilfunk zur Verfügung steht, die Technologie sollte eine gewisse Reichweite haben (Zimmer, Wohnung, Haus) und stromsparend sein. LED-Beleuchtungen haben Maßstäbe hinsichtlich der Reduzierung des Stromverbrauchs um mehr als 80 Prozent gegenüber alten Glühbirnen gesetzt. Wi-Fi kann deshalb für die direkte Kommunikation praktisch ausgeschlossen werden. Da eine Lampe kontinuierlich ein kurzes Einschaltsignal empfangen können soll, muss der Empfänger bereit sein. Dafür ist Wi-Fi (noch) viel zu stromhungrig. NFC wurde niemals für Anwendungen dieser Art konzipiert. Damit bleibt nur Bluetooth, genauer gesagt Bluetooth Smart, das bereits in Quantified-Self-Anwendungen zum Einsatz kommt. Dies wird seit letztem Jahr auch innerhalb von Android nativ unterstützt. Dadurch hat die Verbreitung und Akzeptanz weiter zugenommen und es ist möglich, Apps für iOS, Android und Windows Phone zu entwickeln, ohne dabei auf verschiedene Implementierungen Rücksicht nehmen zu müssen. Somit ist praktisch der gesamte weltweite Smartphone- und Tablet-Markt einfach adressierbar. Bluetooth Smart unterscheidet sich auch deutlich von klassischem Bluetooth, was den meisten durch die Verwendung ihrer Freisprecheinrichtung im Auto oder für Musik-Audiostreaming bekannt ist. Dort kommt BT2.1 mit 0dBm (1 mW) Ausgangsleistung zum Einsatz. Die maximale Reichweite schwankt von 5 bis 20 m. Bluetooth Smart Chips wie die Vertreter der CSR101x-Familie von CSR oder Module wie das Flairmicro BTM101 senden hingegen mit bis zu 7 dBm (5 mW), dies entspricht dem mehr als Vierfachen der Ausgangsleistung der Freisprecheinrichtung. Auch das geänderte Modulationsverfahren trägt zu einer Erhöhung der Reichweite auf typisch 30 bis 50 m in freiem Feld bei. Dennoch wird es im Haus durch Mauern und Decken schwer, zum Beispiel die gesamte Beleuchtung mittels direkter Verbindung vom Smartphone zu den einzelnen Lampen auszuschalten.

Mesh-Netzwerk auf Basis von Bluetooth Smart

Reine Punkt-zu-Punkt-Verbindungen sind daher sicherlich ein Anfang. Es sollte aber zukünftig die Möglichkeit bestehen, diese auf vermaschte Netze erweitern zu können. Daher kommen Lösungen auf den Markt, die die Unterstützung eines Mesh-Netzwerks auf Basis von Bluetooth Smart beinhalten. Vorreiter ist dabei die Firma CSR, die mit ihrem CSRmesh auf dem bisherigen Standard aufsetzt und mittels verschiedener Modelle die Funktionen der Teilnehmer abbildet. Die Inbetriebnahme ist relativ einfach etwa über vom Smartphone lesbare QR-Codes zu realisieren. Wichtig für den Nutzer ist dabei natürlich die Sicherheit. Die Beleuchtung in der Wohnung soll nur vom Nutzer beziehungsweise von ihm autorisierten Personen bedient werden können. Dazu werden Netzwerkschlüssel verwendet, die den Teilnehmern (Lampen und Leuchten) beim Einbinden in das Heimbeleuchtungsnetzwerk übermittelt werden. Diese Übermittlung ist sowohl gegen reines Mithören als auch gegen sogenannte Man-in-the-Middle Attacken abgesichert, bei denen Nachrichten abgefangen, manipuliert und dann zum eigentlichen Empfänger weitergesendet werden. Darüber hinaus gehört zu den Sicherheitsaspekten auch die Ausfallsicherheit. Die Lampen müssen also ganz traditionell ohne Smartphone weiter normal bedient werden können. Dafür besteht optional die Möglichkeit, Schalter oder Helligkeitssensoren in dieses Netzwerk mit einzubinden. Außerdem können Gruppen gebildet werden, um ganze Räume oder eben ein komplettes Haus zusammenzufassen. Mittels der Mesh-Technologie können von einem Punkt aus alle Lampen in einem Haus erreicht werden, auch wenn die direkt mögliche Reichweite überschritten wird. Dabei wird eine Methode verwendet, die auch den Ausfall einzelner Teilnehmer kompensieren kann. Dies gilt nur mit der Einschränkung, dass dieser bestimmte Teilnehmer keinen Flaschenhals zum Rest des Netzes darstellt. Aber dadurch, dass kein Teilnehmer explizit als Repeater konfiguriert werden muss, wird auch hier wieder eine Fehlerquelle vermieden. Zudem spart diese Technologie ohne spezielle Repeater und ohne dedizierte Router oder Access Points Kosten. Zu guter Letzt muss für den Fall, dass das Smartphone komplett verloren geht, noch die Möglichkeit eines Back-ups auf einem Server bestehen, entweder auf einem lokalen PC oder in der Cloud. Das Smartphone oder das Tablet, das zur Konfiguration genutzt wurde, kann hier auch zur Steuerung und Statusabfrage eingesetzt werden – das war einer der Hauptgründe für dieses Netzwerk. Die jeweilige App kann Funktionen bereitstellen, die moderne LED-Leuchten auszeichnen. So sind Dimmen, Farbe, Farbverläufe oder -übergänge mit verschiedenen zeitlichen Einstellungen konfigurier- und abrufbar. Zudem können komplette Szenarien zusammengestellt werden, wie etwa die Beleuchtung beim Fernsehen. Ebenso können weitere Smartphones oder Tablets eingebunden werden. Hier zeigt sich wieder der Charme der Lösung, die es durch Bluetooth Smart erlaubt, weitverbreitete und -genutzte Geräte ohne Router direkt zu nutzen.

Geräte ohne Router direkt nutzen

Ein weiterer Schritt kann dann noch der Weg ins Internet (und zurück) sein. Dafür benötigt man im Haus eine Bridge, die über Wi-Fi den Zugang zum DSL-Router ermöglicht. Der Bridge muss das Beleuchtungsnetzwerk im Haus bekannt sein. Dabei könnte bei Nutzung von IPv6 jedem einzelnen Teilnehmer eine feste und eindeutige IP-Adresse zugeordnet werden – eigentlich die ideale Konstellation für das Internet der Dinge. Im Moment stehen mit IPv4 nur gut vier Milliarden Adressen zur Verfügung, deutlich zu wenig für das IoT. Das eigentliche Problem besteht aber darin, dass die IP-Adressen für den DSL-Router dynamisch vergeben werden. Das Haus selbst ist damit nicht über eine feste Adresse erreichbar. Also muss ein Server für die Übersetzung dieser dynamischen Adressen zuständig sein, um den externen Zugriff auf die einzelnen Teilnehmer im Haus zu ermöglichen. Nur so kann die App auch von außen die Beleuchtung im Haus steuern.

Unterstützung bei der Implementierung

Bluetooth-Smart-Chips wie die Vertreter der CSR101x-Familie senden mit bisnzu 7 dBm, bei einer Reichweite zwischen 30 bis 50 m im freien Feld.

Bluetooth-Smart-Chips wie die Vertreter der CSR101x-Familie senden mit bisnzu 7 dBm, bei einer Reichweite zwischen 30 bis 50 m im freien Feld.Atlantik Elektronik

Atlantik Elektronik unterstützt seine Kunden bei einer entsprechenden Implementierung, die zwei Seiten umfasst: Die Embedded-Hardware mit den Bluetooth Smart Chips CSR101x mit der dazu gehörigen Embedded-Software und die Apps auf Smartphones oder Tablets unter iOS oder Android. Ein großer Vorteil für Kunden, die auf diese neue Technologie setzen wollen, ist die Tatsache, dass Atlantik Elektronik neben den Chips auch vollständig zertifizierte Bluetooth-Smart-Module (BTM101) anbieten kann, die auf diesen Chips aufsetzen und somit mit der gleichen Embedded-Software funktionieren. Dadurch ist eine schnellere Hardware- und Projekt-Realisierung auf Kundenseite möglich. Darüber hinaus können Kunden auch auf die Erfahrung von Atlantik Elektronik Services bauen. Hier wurden bereits mehrere Beleuchtungsprojekte erfolgreich durchgeführt, bei denen kundenspezifische Anforderungen berücksichtigt wurden. Hinzu kommt noch eine für Beleuchtungssteuerung ausgelegte Hardware, die die Steuerung mittels DALI oder PWM erlaubt.

 Entwicklungskits für den Weg ins Internet.

Entwicklungskits für den Weg ins Internet.Atlantik Elektronik

Herzstück des „Ranger-Lighting“-Produktes ist auch hier wieder das Bluetooth- Smart-Modul BTM101, das auf dem CSR1010 basiert. Schließlich werden auch zukünftig Entwicklungskits für den Weg ins Internet angeboten. Bluetooth Smart zusammen mit der Wi-Fi-Technologie und den notwendigen Software-Paketen erlauben dann den Ausbau zur kompletten IoT-Implementierung. Dies gibt dem Endkunden schließlich alle Freiheitsgrade von der traditionellen Bedienung, über die Steuerung der Beleuchtung per Smartphone zu Hause, bis hin zur Kontrolle von jedem beliebigen Ort der Welt.