Kommunikationsstandards fürs Smart Home im Vergleich

Der Wettbewerb beim Smart Home wird nicht zuletzt über Standards geführt. Denn sie regeln in erster Linie, wie die installierten Smart-Home-Geräte untereinander und mit dem Anwender kommunizieren. Ziel ist es, die elektrischen Geräte im Haus zentral zu steuern und zur gleichen Zeit aber auch automatisch arbeiten zu lassen. Die Smart-Home-Zentrale sammelt über Sensoren beispielsweise Daten zur Lichtintensität oder Temperatur und erhalt vom Anwender Sollwerte, etwa zur Temperatur in den Schlaf- und Aufenthaltsraumen der Wohnung. Dort steuert sie die Heizung oder Klimaanlage so, dass die gewünschten Werte erreicht werden. Eine solche Zentrale kann sowohl als Hardware wie auch als App ausgeführt werden.

Als Kommunikationskanal werden heute zumeist Funklösungen gewählt. Die meisten verwenden die Frequenzen im 868-MHz-Band, das zu den ISM-Bändern gehört (Industrial, Scientific, Medical) und lizenzfrei nutzbar ist. Nur einige wenige Hersteller setzen auf die weit verbreiteten Übertragungskanale WLAN, Bluetooth oder DECT. Daneben existieren einige Systeme, bei denen die Geräte ihre Daten per Kabel austauschen. Neben der Unterscheidung zwischen Funkverbindung und kabelgebundenen Losungen ist zudem eine Differenzierung nach proprietären, also nur von einem einzigen Hersteller genutzten, und offenen Standards möglich. In der Folge stellen wir Ihnen die verbreitetsten Kommunikationsmodelle für die Home-Automation vor.

Die Smart Home-Highlights auf der IFA 2014

Zig Bee

Der bekannteste Standard für Smart Home heißt Zig Bee. Er wurde 2002 definiert und 2004 unter der Bezeichnung IEEE 802.15.4 in eine Norm gegossen. Heute gehören der Zig Bee Alliance mehr als 250 Unternehmen an, darunter Philips, Texas Instruments, der amerikanische Kabelnetzbetreiber Comcast, aber auch AT&T, Belkin, Broadcom, Buffalo, Cisco, GE, Honeywell, Huawei, LG, Marvell, Mitsubishi, Motorola, NEC, OKI, Panasonic, Samsung, Siemens, Sony, Telecom Italia und Wincor Nixdorf.

Zig Bee ist ein Funkstandard und arbeitet im 868- sowie im 2400-MHz-Band, das auch vielfach von WLAN und von Bluetooth verwendet wird. Hier kann es daher zu Störungen bei der Datenübertragung kommen.

Der Standard unterscheidet zwischen drei Gerätetypen:

• Einfache Endgeräte wie Lichtschalter, bei denen lediglich ein Teil der Zig-Bee-Protokolle implementiert ist. Sie melden sich an bei einem
• Router oder Full Function Device (FFD). Einer dieser Router wird dann definiert als
• Koordinator, der die zentrale Steuerung des Netzes übernimmt.

Zig-Bee-Geräte haben nur eine sehr geringe Stromaufnahme. Sind sie aktiv, benötigen sie nur rund 15 Milliampere (mA). Da sie im Schlafmodus sogar mit weniger als 1 μM (Millionstel Ampere) auskommen, können sie über Jahre hinweg wartungsfrei mit einer Batterie laufen. Dazu tragt auch bei, dass die einzelnen Geräte zumeist nur kurz aufwachen, Daten aufnehmen und weitergeben und anschließend wieder in den Schlafmodus gehen. Die Reichweite liegt je nach Umgebung und Bauform zwischen 10 und 75 Metern.

Aufgrund seiner Struktur hat Zig Bee eine große Schwache: Fallt der Koordinator aus, ist das gesamte Netzwerk tot. Es ist zwar möglich, einen anderen Router so zu konfigurieren, dass er in diesem Fall die Rolle des Koordinators einnimmt. Allerdings wird das von kaum einem Gerat am Markt unterstutzt.

Ende August 2014 gab die Zig Bee Alliance bekannt, dass nun mehr als 1000 Produkte dem Standard entsprechen. Dazu zählen unter anderem Wohnungsbeleuchtungssysteme und Geräte für das Energiemanagement, aber beispielsweise auch Garagentorsteuerungen.

Z-Wave

Der direkte Konkurrent von Zig Bee heißt Z-Wave. Der Funkstandard wurde von der Anfang 2005 gegründeten Z-Wave Alliance definiert, zu den ersten Mitgliedern zahlte der Heizungsbauer Danfoss. Heute treibt unter anderem der Chiphersteller Sigma Designs die Entwicklung voran. Die Mitgliederliste umfasst mittlerweile rund 250 Namen, darunter Bosch, Buffalo, Diehl Controls, Honeywell, LG, NEC, Rademacher, Verizon und Zyxel. 

Z-Wave wurde 2012 von der ITU-T unter der Bezeichnung G.9959 als Standard eingetragen. Ursprünglich verwendete er ausschließlich das 868-MHz-Band, mittlerweile funkt Z-Wave auch bei 2400 MHz. Genauso wie Zig Bee verbraucht die Technik nur sehr wenig Strom, dennoch liegt die Reichweite im Freien bei bis zu 200 Metern, in Gebäuden ist meist bei etwa 30 Metern Schluss. Das ist dennoch deutlich mehr, als mit Zig Bee erreichbar ist.

Die Struktur mit Routern und Endgeräten ist vergleichbar mit der von Zig Bee. Beide Standards bilden ein vermaschtes Netz, bei dem ein Router mehrere Endgeräte versorgt und im Schadensfall durch einen anderen Router ersetzt werden kann. Der Unterschied zwischen den beiden Standards ist zum einen das Einsatzgebiet: Zig Bee ist vielseitiger und kann im Nahbereich für fast jede Funkvernetzung eingesetzt werden. Entwickler können bei der Arbeit an Geräten und Applikationen auf vorgefertigte Profile zurückgreifen. Allerdings ist das Protokoll von Zig Bee komplexer als das von Z-Wave, was die Entwicklung neuer Anwendungen aufwendiger macht. Der zweite große Unterschied ist die benötigte Hardware: Z-Wave-Chips werden ausschließlich von Sigma Designs hergestellt, Zig-Bee-Produkte hingegen gibt es von Texas Instruments, Ember, Freescale und Microchip Technology. Auch bei den fertigen Modulen, etwa für die Heizungssteuerung, bietet Zig Bee eine größere Vielfalt. Und: Zig Bee ist vor allem in Europa verbreitet, Z-Wave-Technik hingegen findet man vor allem in den USA.

Home Matic

Home Matic ist eine proprietäre Losung für die Heimautomatisierung von der Firma eQ-3, die zum deutschen Versandhandler ELV Elektronik gehört. Sie nutzt einen selbst entwickelten Funkstandard namens BidCoS (Bidirectional Communication System), der im 868-MHz-Band arbeitet. Das System baut eine sternförmige Struktur ein, bei der die Home-Matic-Zentrale CCU2 direkte und per AES-128 verschlüsselte Verbindungen zu den einzelnen Komponenten aufbaut. Die Zentrale selbst besitzt eine Internetschnittstelle und erlaubt so eine Fernsteuerung von externen Anwendern. Sie ist direkt mit dem Stromnetz verbunden, während die einzelnen Komponenten zumeist mit Batterien arbeiten.

Es gibt eine umfangreiche Auswahl an Zubehör für Home Matic, angefangen bei elektrischen Schaltern und Fensterantrieben über Geräte für Heizung oder Lüftung bis hin zu Einbruchsschutz und Meldesystemen für Rauch, Gas oder Wasser. Das System ist bei deutschen Installateuren sehr beliebt, vergleichsweise preisgünstig und auch bei anderen Elektronikhandlern wie Conrad erhältlich.

Android als Fernbedienung für Ihr Smart Home

RWE Smart Home

Eng verwandt mit dem System von ELV ist RWE Smart Home; es wurde ebenfalls von eQ-3 entwickelt. Bei der Software hat aber auch Microsoft mitgearbeitet. Das System des deutschen Energieversorgers verwendet ebenfalls das 868-MHz-Band, allerdings mit dem moderneren und sicheren Protokoll CosIP, das über eine 128-Bit-Verschlusselung per AES verfugt. Es ist nicht kompatibel zu dem BidCoS-Protokoll von Home Matic. Das Zubehör umfasst unter anderem Heizkörperthermostate, Fenstersensoren, Zwischenstecker für die Steckdose, Bewegungs- und Rauchmelder. Die meisten Geräte benötigen zwei oder drei Batterien. Einige Dimmer und Rollladensteuerungen sind auch für die Unterputzmontage vorgesehen und werden direkt mit dem Stromnetz verbunden.

Standardmäßig erfolgt die Konfiguration des Systems über die Cloud von RWE, mit der sich die Zentrale nach der Installation automatisch verbinden will. Der Zugriff auf das Webportal ist zwei Jahre lang kostenlos, danach will RWE rund 15 Euro pro Jahr dafür haben. Mit einer lokalen Silverlight-Anwendung lassen sich die Einstellungen aber auch im LAN erledigen. RWE Smart Home besitzt eine Schnittstelle zu Philips Hue, einem System, mit dem sich spezielle LED-Leuchten des niederländischen Elektronikkonzerns farblich und in der Lichtstarke steuern lassen. Hue kommuniziert über das Zig-Bee-Protokoll und bringt selbst eine Hue-Bridge für den Anschluss an IP-Netzwerke mit. Per WLAN und mit einer App lasst sich dann die Lichtstimmung in einem Raum den persönlichen Vorlieben und der Tages- beziehungsweise Jahreszeit anpassen.

RWE Smart Home gilt als günstig und bedienerfreundlich und steht auch Kunden anderer Stromanbieter offen. Tests haben jedoch gezeigt, dass es bei der Konfiguration Hurden zu überwinden gilt.

QIVICON

Um die verschiedenen Insellosungen zusammenzufuhren und eine erschwingliche Basis für die Home-Automation zu schaffen, taten sich 2011 unter Führung der Deutschen Telekom die wichtigsten deutschen Hersteller zur QIVICON-Allianz zusammen. 2013, als die ersten Produkte auf den Markt kamen, gehörten bereits 30 in- und ausländische Firmen dem Verband an, darunter Belkin, Cyberport, D-Link, EnBW, eQ-3, Euronics, Karcher, Miele, Philips, RheinEnergie, Samsung und Vattenfall.

Jeder Hersteller kann für die QIVICON-Plattform beliebige Komponenten und Apps entwickeln. Derzeit sind beispielsweise Bewegungs- und Rauchmelder, Feuchtigkeits-, Temperatur- und Helligkeits-Sensoren, Schaltsteckdosen, Sensoren für Türen und Fenster sowie Thermostate erhältlich. Der Clou dabei: Die Geräte können sowohl mit dem Funkstandard von Home Matic (BidCoS) wie auch mit Zig Bee arbeiten. Um die unterschiedlichen Geräte miteinander zu verbinden und sie kontrollieren zu können, bringt das zentrale Steuerelement, die QIVICON Home Base von der Deutschen Telekom, vier USB-Ports mit, an denen sich Sticks von den einzelnen Herstellern anschließen lassen. Diese Sticks stellen dann den Kontakt zu den Geräten her. Die Home Base wiederum lasst sich per Router mit dem Internet verbinden und erlaubt so eine Fernsteuerung der Komponenten.

KNX

Die Definition des KNX-Standards begann bereits in den 1990er Jahren. Anfangs regelte er lediglich kabelgebundene Verbindungen, erst in den letzten Jahren kam mit KNX-RF eine Funkverbindung im 868-MHz-Band dazu. Zu den Gründungsmitgliedern der KNX-Association gehörten unter anderem Albrecht Jung, Gira, Bosch Telecom, Electrolux und Siemens. Mittlerweile haben sich dem offenen Standard weltweit mehr als 300 Firmen angeschlossen.

Ursprünglich trennte KNX die Stromversorgung und die Gerätesteuerung, es mussten also zu jedem angeschlossenen Gerat zwei Kabel verlegt werden. Später kam auch eine Powernet-Variante dazu, bei der die Steuerung über die Stromleitung erfolgte.

Der Vorteil eines kabelgebundenen Standards gegenüber den Funktechniken ist, dass sich die vorhandenen Komponenten der Hauselektronik leicht umwidmen lassen. So kann man etwa einen vorhandenen Lichtschalter so umprogrammieren, dass man ihn zum Einschalten des Rasensprengers nutzen kann. Auch die Koppelung mehrerer Sensoren ist kein Problem – so lassen sich etwa die Daten eines Windmessers mit der Steuerung einer Markise verbinden, die auf diese Weise bei Sturm automatisch eingezogen wird. Der Nachteil von KNX ist die zusätzliche Verkabelung, die bei älteren Häusern und Wohnungen zu vertretbaren Kosten nur über Putz erfolgen kann. Auf dem Markt ist eine umfangreiche Auswahl an Geräten für den KNX-Standard erhältlich. Die Steuerung kann heute auch über eine Windows-Software erfolgen. In den vergangenen Jahren hat KNX gegenüber den Funktechniken jedoch deutlich an Beliebtheit eingebüßt.

DECT

AVM ist der einzige größere Hersteller, der bei der Funktechnik seiner Smart- Home-Komponenten auf DECT (Digital Enhanced Cordless Telecommunications) setzt, also den Standard für schnurlose Telefone. Auf diesem Weg koppeln die Berliner ihre Fritzbox-Router mit dem Fritz DECT 200, einem Zwischenstecker zum Steuern von Elektrogeräten. Bis zu zehn DECT-Geräte lassen sich mit einer Fritzbox verwalten, die erforderliche Software ist bei jeder neueren Box Bestandteil des Betriebssystems. Die Stecker werden vom Router direkt angesteuert. Sollte die Reichweite zu kurz sein, kann man von AVM einen Repeater erwerben, der das DECT-Netz erweitert. Neben den reinen Schaltsteckdosen verkauft die Firma auch Powerline-Adapter mit integriertem Zwischenstecker. Bei diesen Geräten läuft die Verbindung zur Fritzbox jedoch über das WLAN.

Sicherheitslücken in Smart Home-Geräten

Bluetooth

Das französische Unternehmen Archos brachte im Frühjahr 2014 eine Produktserie namens Connected Home auf den Markt, bei der die Verbindung zwischen den einzelnen Komponenten über Bluetooth Low Energy (BLE) läuft. Enthalten sind ein Android-Tablet als Steuerzentrale sowie drei Geräte zur Haussteuerung. Das Tablet dient als Brücke zu einem WLAN. Auf ihm ist eine App installiert, über die der Anwender die verschiedenen Komponenten steuert. Zur Grundausstattung gehören eine Minicam zur Überwachung, ein Movement Tag zur Kontrolle von Fenstern und Türen sowie ein Weather Tag als kleine Wetterstation. Mit Connected Home kann der Anwender also übers Internet feststellen, ob daheim alles in Ordnung ist. Zudem sind der Bewegungssensor Motion Ball sowie ein Zwischenstecker namens Smart Plug erhältlich, über den der Anwender Elektrogeräte aus der Ferne ein- und ausschalten kann. Die einzelnen Geräte lassen sich miteinander kombinieren, laut Archos können bis zu 13 Geräte gleichzeitig aktiv sein. Verwalten lassen sich über die App bis zu 35 Komponenten. Die Software kann auch auf anderen Tablets installiert werden.

BLE verwendet wie WLAN das 2,4-GHz-Band. Archos gibt für Connected Home innerhalb des Hauses eine Reichweite von bis zu 16 Metern an, realistisch sind jedoch 10 Meter und weniger.

WLAN

Da bei vielen Anwendern heute ohnehin ein WLAN eingerichtet ist, liegt es nahe, auch Smart-Home-Geräte über diesen Kanal zu steuern. Da die WLAN-Technik jedoch im Vergleich mit anderen Funkstandards erheblich mehr Strom verbraucht, handelt es sich um eine Nischenlosung.

Immerhin setzt der Netzwerkausrüster Belkin bei seinen Wemo-Produkten auf WLAN-Verbindungen. Wemo umfasst einen Bewegungssensor und eine Schaltsteckdose, die per Android- oder iOS-App gesteuert werden. So lassen sich beispielsweise Zeitplane anlegen, um Lampen, Kaffeemaschinen oder Heizgeräte zu bestimmten Zeiten ein- und auszuschalten. Koppelt man die Schaltsteckdose mit dem Bewegungssensor, kann beim Betreten eines Zimmers automatisch die Stereoanlage eingeschaltet werden.

Neue Standards

Auf der IFA 2014 zeigten Bosch und Siemens Home Connect, eine offene Plattform für Hauselektronik. Sie basiert auf einem neu entwickelten Funkstandard und ermöglicht eine zentrale Steuerung von Haushaltsgeräten per App. Die entsprechende Android-Applikation ist für 2015 geplant. Nahere Details über Home Connect waren bei Redaktionsschluss noch nicht bekannt, doch es sieht so aus, als wurde der Standard WLAN-Technik nutzen.

Die Thread Group wurde gegründet von ARM, Samsung und dem kürzlich von Google erworbenen Unternehmen Nest. Ziel ist die Bereitstellung eines auf IPv6 basierenden Protokolls für Drahtlosnetzwerke. Es soll energieeffiziente Verbindungen ermöglichen, sodass der Energieverbrauch von akkubetriebenen Geräten, wie von Thermostaten und Lichtsteuerungen, gering bleibt. Das Thread-Protokoll ist bereits in die Produkte von Nest integriert, die Chips für die Funkkommunikation entsprechen dem Zig-Bee-Standard.

Intel, Samsung und weitere Technikfirmen wie Broadcom, Dell, Atmel und die Intel-Tochter Wind River haben OIC gegründet, das Open Interconnect Consortium. Sie wollen gemeinsam einen Standard für das Internet der Dinge (Internet of Things, IoT) entwickeln und konzentrieren sich zunächst auf intelligente Haus- und Bürotechnik. Am Schluss soll dabei ein Framework für die drahtlose Verbindung und intelligente Verwaltung zwischen PCs und IoT-Geräten herauskommen.

Ebenfalls um das Internet of Things will sich die All Seen Alliance kümmern. Zu ihren Mitgliedern zählen unter anderem AT&T Digital Life, Bosch, Cisco, LG, Microsoft, Panasonic, Qualcomm und Sharp. Die Alliance entstand rund um das Open-Source-Projekt All Joyn von Qualcomm, das Entwicklern ein Programmiergerüst und Kerndienste für die Kommunikation bereitstellt. Ziel ist die Vernetzung von Geräten und Anwendungen über Peer-to-Peer-Verbindungen. Die derzeit erhältlichen Produkte arbeiten mit dem WLAN-Standard 802.11.

Fehlt noch Apple als wichtiger Hersteller. Die Firma aus Cupertino hat auf ihrer letzten Entwicklerkonferenz Homekit angekündigt, das in iOS 8 integriert werden soll. Damit konnten iOS-Geräte per Sprachbefehl und Siri sowie über ein neu entwickeltes Funkprotokoll Lampen, Steckdosen, Thermostate und mehr steuern. Neben anderen will der deutsche Thermostathersteller Tado das Apple Homekit unterstutzen.

Probleme bei der Kompatibilität

Obwohl es sich um Standards handelt, ist eine reibungslose Zusammenarbeit zwischen den Geräten verschiedener Hersteller nicht immer garantiert. Zig Bee beispielsweise arbeitet im Europa im 868-MHz-Band, das in den USA jedoch für die Handy-Kommunikation genutzt wird. Amerikanische Zig-Bee-Komponenten verwenden daher das 915-MHz-Band. In China wiederum wird das 784-MHz-Band eingesetzt. Die gleichen Probleme gibt es auch bei Z-Wave-Produkten. Zig Bee hat zudem auch das 2,4-GHz-Band in den Standard aufgenommen, das eine höhere Datenübertragungsrate verspricht und weltweit genutzt werden kann. Doch nicht alle Komponenten verstehen sich auf diese Funktechnik.