Z-Wave

Die Funktechnologie für das Smart Home

Christian Pätz

• Verlag: Books on Demand
• Jahr: 2017
• ISBN drucken: 9783738601947
• eBook-ISBN: 9783738681611
• Auflage: 2
• Thema: Informatik
• Thema: Informatik Allgemein

Z-Wave ist der führende internationale Standard für die drahtlose Kommunikation im Smart Home. Verschiedene Produkte von verschiedenen Anbietern arbeiten zusammen und interagieren in einem einzigen Netzwerk und bieten intelligente Beleuchtung, Sicherheit und Energieeffizienz. In diesem Buch wird Z-Wave als Technologie vorgestellt und Hinweise für die Nutzung beim Aufbau eines Smart Home gegeben. Kapitel 1 vergleicht verschiedene Funktechniken und Führt in Z-Wave ein. Es werden die Historie, der Zertifizierungsprozess und der aktuelle Stand der Technik erklärt.Kapitel 2 beschreibt die auf dem ITU-T Standard G.9959 basierende Funkschicht mit Kodierungen, Antennentechnik, etc. Kapitel 3 widmet sich der Nerzwerk-Schicht und erklärt die Adressierung, die Selbstorganisation und die Zusammenarbeit der einzelnen Z-Wave Geräte. Im vierten Kapitel werden die Befehlsstrukturen und die damit einhergehenden Anforderungen zur Einhaltung der Interoperabilität unterschiedlicher Geräte erklärt. Kapitel 5 gibt sehr praktische Hinweise zum Aufbau, zum Management von Z-Wave Funknetzen und liefert einige praktische Tipps und Erfahrungen. Im letzten Kapitel werden einige Spezialthemen rund um Z-Wave wie die rechtliche Situation oder spezielle praktische Probleme z.B. das Dimmen von Leuchten betrachtet. Das Buch richtet sich an Anwender, Installateure und Entwickler. Es setzt kein Fachwissen über Z-Wave, jedoch solide allgemein-technische Grundkenntnisse voraus.

1 Einleitung

Die Z-Wave-Technologie ist ein internationaler Funkstandard, der drahtlose Kommunikation in intelligenten Häusern ermöglicht. Sie verbindet einzelne elektrische Funktionen im Haus, wie beispielsweise Licht, Klimaanalagen, Heizungen, sowie Entertainment- und Sicherheitssysteme. Das Zusammenspiel dieser Systeme ergibt ein intelligentes Haus, in dem elektronische Geräte verschiedener Anbieter verbunden werden, um den Grad an Sicherheit, Komfort und Lebensqualität der dort lebenden Personen zu erhöhen. Darüber hinaus hilft ein intelligentes Haus auch dabei, Energie zu sparen sowie Umwelt und Menschenleben zu schützen.

Ein intelligentes Haus ist gekennzeichnet durch die Verbindung unterschiedlicher Geräte im Haus und die Möglichkeit diese über eine Bedienoberfläche zu kontrollieren. Diese Bedienoberfläche kann ein Web-Browser, ein an der Wand montiertes Touch-Panel, eine Fernbedienung oder ein Mobiltelefon sein.

Zur Verbindung der Geräte in einem Wohnhaus gibt es drei Möglichkeiten:

• Drahtgebundene Lösungen erfordern Kabel, die während des Baus oder der Sanierung im Gebäude installiert werden müssen. Beispiele dafür sind BACnet (BACnet ist ein Protokoll, das mit verschiedenen Datenträgern funktioniert), bestimmte Versionen von LON oder KNX bzw. Instabus sind typischerweise teuer und daher nur im gewerblichen Bereich und in einigen wenigen Luxuswohnhäusern anzutreffen.
• Sogenannte Powerline-Kommunikationsprotokolle verwenden das 230 V Stromnetz als Kommunikationsmedium. Gewisse Standards wie HomeplugAV werden gebräuchlicher, wenn auch eher als Ersatz für die Ethernet-Technologie, die für TV, Video und Audio angewandt wird.
• Drahtlose Lösungen verzeichnen das größte Wachstum am Markt, da sie sowohl zuverlässig als auch bezahlbar sind und im Haus ohne aufwändige Renovierungsarbeiten installiert werden können. Außerdem können gewisse Funktionen, wie beispielsweise intelligente Türschlösser oder -sensoren, nicht drahtgebunden installiert werden, da sich die Tür bewegt oder sie an Stellen angebracht werden sollen, an denen keine Kabel verfügbar sind.

1.1Was ist ein intelligentes Haus

Der Begriff ’intelligentes Haus’, englisch Smart Home wird häufig zusammen mit dem Begriff Home Automation genutzt. Wikipedia definiert Home Automation wie folgt:

Home automation is the residential extension of building automation. It is automation of the home, housework or household activity. Home automation may include centralized control of lighting, HVAC(heating, ventilation and air conditioning), appliances, and other systems, to provide improved convenience, comfort, energy efficiency and security. Home automation for the elderly and disabled can provide increased quality of life for persons who might otherwise require caregivers or institutional care. A home automation system integrates electrical devices in a house with each other. The techniques employed in home automation include those in building automation as well as the control of domestic activities, such as home entertainment systems, houseplant and yard watering, pet feeding, changing the ambiance ’scenes’ for different events (such as dinners or parties), and the use of domestic robots. Devices may be connected through a computer network to allow control by a personal computer, and may allow remote access from the internet. Through the integration of information technologies with the home environment, systems and appliances are able to communicate in an integrated manner which results in convenience, energy efficiency, and safety benefits. [SmartHome2017]

Die Definition ist korrekt aber nicht sehr aufschlussreich. Um sich der Thematik zu nähern, bietet es sich an, sich zunächst einmal in die gute alte Zeit zurück zu versetzen.

Früher erfolgte die Bedienung eines jeden Gerätes oder Produktes direkt am Gerät - Funktion und Bedienung waren eine Einheit. Eine Kerze wurde am Docht angezündet und das Licht kam direkt von der Kerze. Ein Türklopfer musste von Hand bedient werden und das Geräusch des Klopfens wurde unmittelbar vom Türklopfer generiert.

Durch das Aufkommen von Elektrizität hat sich in den letzten 100 Jahren einiges geändert. Die elektronische Türklingel wird an der Tür durch das Drücken eines Knopfes bedient. Der mehr oder weniger schöne Klang der Klingel kommt von einer elektrisch mit dem Knopf an der Tür verbundenen ’Schelle’. Das elektrische Licht wird typischerweise mit einem Lichtschalter an der Wand bedient, der sich nicht mehr direkt neben der Lichtquelle befindet, sondern bequem neben der Tür, sodass der Bewohner ihn einfach erreichen kann, wenn er den Raum betritt. Dieser Lichtschalter an der Wand ist durch einen elektrischen Stromkreis mit der Lichtquelle verbunden.

Andere Beispiele sind die Bedienung der Jalousien am Fenster, Wandthermostate, die die Temperatur im Raum regeln oder einfache Fernbedienungen, mit denen man Geräte ein- und ausschalten kann, die umständlich direkt zu bedienen sind. Viele Geräte im Haus werden immer noch direkt am Gerät bedient, wie beispielsweise Geschirrspülmaschinen, Waschmaschinen, Wäschetrockner oder Elektroherde. Fernsehgeräte werden seit der Einführung der Infrarot-Fernbedienung vor 40 Jahren mit eben dieser bedient.

Abbildung 1.1: Herkömmliches Haus am Ende des 20sten Jahrhunderts

Die Abbildung 1.1 zeigt die verschiedenen Arten die Geräte im Haus zu bedienen in einem herkömmlichen Haus am Anfang des 21. Jahrhunderts. Das intelligente Haus bzw. die Hausautomatisierung hat diese Situation vielfach verändert.

Die Bedienung unterschiedlicher Geräte erfolgt über eine Bedieneinheit. Der Lichtschalter dient nicht mehr nur zum Anschalten des Lichtes, sondern auch für andere Funktionen des Raumes. Die Fernbedienung ist nicht mehr nur einem Gerät zugeordnet, sondern bedient mehrere Unterhaltungsgeräte und Hausfunktionen, wie Licht oder Klimaanlage.

Abbildung 1.2: Erster Schritt zum intelligenten Haus

Abbildung 1.2 veranschaulicht den ersten Schritt hin zum intelligenten Haus.

Dieser erste Schritt bietet dem Bewohner erste Erleichterungen im Gebrauch und in der Bedienung der Geräte. Die Bedienung wird zentralisiert und vereint und ist somit in der Nutzung sehr viel bequemer. Ein gutes Beispiel für zentrale Bedienung sind Mobiltelefone, die zunehmend dazu genutzt werden, verschiedene Funktionen und Services im täglichen Leben zu vereinfachen.

Abbildung 1.3: Zweiter Schritt zum intelligenten Haus

Das zweite Merkmal eines intelligenten Hauses ist die Nutzung von Sensoren, die ausführliche Informationen über den Status des Hauses liefern.

Dies ist keinesfalls ein neues Konzept. Wandthermostate haben einen Temperatursensor, der die Heizung steuert und ein Rauchmelder ist ebenfalls ein Sensor. Die Idee eines intelligenten Hauses bringt die Nutzung von Sensoren auf ein neues Level: Bewegungsmelder steuern das Licht, wenn jemand im Raum ist oder sie drehen die Heizung herunter bzw. schalten sie ganz aus, wenn jemand den Raum verlässt. Sensoren für die Luftqualität steuern Fenster und Ventilation, um eine ausreichende Sauerstoffversorgung sicherzustellen, wenn der Raum genutzt wird.

Diese zweite Funktion ist in Abbildung 1.3 dargestellt.

Die Kernfunktion eines intelligenten Hauses ist die Automatisierung. Eine intelligente Schaltzentrale verbindet die Informationen, die Sensoren oder Interaktionen der Benutzer, wie beispielsweise durch Drücken eines Buttons, um eine Funktion des Hauses zu regulieren, ihnen liefern. Die Automatisierung bildet die Verbindung von verschiedenen Funktionen, die schon in der manuellen Bedienung im Schritt 1 eines intelligenten Hauses zentralisiert wurden, mit einer intelligenten Schaltzentrale. Diese stellt sicher, dass das Haus die verschiedenen Funktionen automatisch und unabhängig von der Bedienung durch den Nutzer ausführt.

Ein gutes Beispiel ist die Steuerung eines Dachfensters. Im Winter soll es geschlossen bleiben und während der Nacht sollen die Rollläden unten bleiben, um so viel Energie wie möglich zu bewahren. Tagsüber werden die Jalousien geöffnet und am Mittag, wenn die Außentemperatur hoch genug ist, öffnet sich das Fenster automatisch, um frische Luft in das Gebäude zu bringen. Ein Regen-und Windsensor sorgt dafür, dass das Fenster geschlossen bleibt, wenn es regnet oder starker Wind weht. Im Sommer unterscheidet sich die Automatisierung. Jetzt soll das Fenster tagsüber geschlossen mit heruntergelassenen Rollläden bleiben. Damit soll eine Überhitzung vermieden werden. Nachts soll das Fenster dann geöffnet sein, um frische Luft in den Raum zu leiten. Natürlich ist auch im Sommer der Schutz vor Regen und Wind relevant. Falls die Schaltzentrale weiß, dass der Bewohner nicht im Haus ist, können die Fenster aus Sicherheitsgründen 24h geschlossen bleiben. Neben der Steuerung des Hauses erhebt das vernetzte System von Sensoren und Geräten Informationen über gewisse Messwerte bezüglich des Status des Hauses und der Bewohner. Das hilft bei der weiteren Optimierung der Funktionen und informiert die Bewohner über die Sicherheit und hilft, wenn möglich, Energie zu sparen.

Abbildung 1.4: Letzter Schritt zum intelligenten Haus

Abbildung 1.4 zeigt den finalen Schritt zu einem intelligenten Haus. Die Eigenschaften eines intelligenten Hauses können folgendermaßen definiert werden:

“ Verschiedene, zentralisierte Bedienoberflächen steuern durch Interaktion mit dem Bewohner, Sensordate...

Inhaltsverzeichnis

• Motto
• Inhaltsverzeichnis
• 1 Einleitung
• 2 Funkschicht
• 3 Z-Wave Netzwerkschicht
• 4 Z-Wave Anwendungsschicht
• 5 Z-Wave in der Praxis
• 6 Spezialthemen rund um Z-Wave
• A Nützliche Online-Ressourcen
• B Z-Wave Device Types
• C Z-Wave Command Classes Reference
• D Frequencies by Country
• Literaturverzeichnis
• Tabellenverzeichnis
• Abbildungsverzeichnis
• Index
• Impressum