Barkhausen Institut

Smart Home Testbed Platform

Internet of Things (IoT) Geräte für das SmartHome (zu Deutsch Intelligentes Zuhause) haben über die letzten Jahre immer mehr Aufmerksamkeit bekommen. Das Angebot reicht von intelligenten, vernetzten Lautsprechern von Amazon und Google bis hin zu Fenstern, Kühlschränken und Lichtern. In dieser Hinsicht verbleiben viele unbeantwortete Fragen bezüglich Sicherheit, Privatsphäre, Nachhaltigkeit und den Lebenszyklus solcher Geräte. Zwei Fragen auf die wir uns mit einer Installation gewidmet haben, sind…

1. Welche drahtlosen Kommunikationstechnologien sind derzeit verfügbar und welche Vorteile, Nachteile und Limitierungen bringen sie mit?

2. Ist es möglich, Produkte unterschiedlicher Hersteller, welche unterschiedlichste Kommunikationstechnologien nutzen (wie WLAN oder Bluetooth) miteinander zu vernetzen und zu nutzen?

Verfügbare Technologien

Hersteller von IoT Geräten verwenden üblicherweise eine einzige Funk- und Kommunikationstechnologie, damit die Geräte der eigenen Produktlinie untereinander kompatibel sind und vor allem über den dazugehörigen Access Point (wie ein WLAN Access Point) ins Netzwerk eingebunden werden können. Wir haben uns angeschaut, welche IoT Technologien auf dem Markt existieren, in welcher Form sie Anwendung finden, ihre Vorteile, Nachteile und Limitierungen. Je nach Anwendungsfall und Umgebung stellen sich andere Anforderungen an den Energiebedarf, Robustheit gegen Interferenz, Datenrate, Latenz, Netzwerkgröße und weiteren. Daher gibt es keine Funktechnologie, die in allen Kriterien besser abschneidet und überall bedingungslos eingesetzt werden kann. Zu den untersuchten Technologien gehören unter anderem WLAN, Bluetooth Low Energy, LoRa, Homematic IP, EnOcean, Z-Wave und ZigBee.

 

Integration

Im Anschluss an die Recherche, nutzten wir unsere Erkenntnisse zur Auswahl von IoT Kommunikationstechnologien die

1. Breit verfügbar sind und aktiv in IoT Produkten verwendet werden (ZigBee)

2. Sich als vielversprechend und interessant herausgestellt hatten (EnOcean)

Zu den ausgewählten Produkten aus dem Handel entwickelten wir auch noch eine eigene IoT Komponente welche mit WLAN funkt um die Erweiterbarkeit zu demonstrieren. Ziel der Integration war es, alle Komponenten in ein zusammenhängendes Netzwerk bzw.

Zentrale Steuerung

Ein modernes Smart Home-System besteht in der Regel aus mehreren Sensoren, Aktoren, einem Gateway für die Internetverbindung und einer einzigen zentralen Steuereinheit (CCU). Die CCU ist für die Automatisierung und Steuerung zuständig. Wir haben festgestellt, dass es kommerzielle Lösungen gibt, die einige gemeinsame Eigenschaften haben.

1. Sie laufen alle in der Cloud.

2. Sie verursachen laufende Kosten, wie z.B. monatliche Abogebühren.

Diese Variante bietet eine einfache und schnelle Installation ohne Upgrade-Probleme. Aber diese Bequemlichkeit hat ihren Preis. Das Smart Home hört einfach auf zu funktionieren, wenn die Internetverbindung unterbrochen wird, der Anbieter offline geht oder Sie kein Monatsabonnement mehr zahlen. Darüber hinaus vertrauen Sie auf die Sicherheit der Infrastruktur des Anbieters, welche mehrere, wenn nicht Tausende von Haushalten zentral steuert.

Als Alternative haben wir eine Open-Source-Lösung gewählt, die lokal und unter unserer Kontrolle eingesetzt wird. Zahlreiche Lösungen für die CCU sind verfügbar, wobei OpenHAB, Domoticz und HomeAssistant die prominentesten sind. Dieser Ansatz hat einige Vorteile, z.B.

1. Die (privaten) Daten bleiben lokal.

2. Das System funktioniert auch ohne Internetanschluss

3. Keine monatlichen Abogebühren.

Wir beschlossen, HomeAssistant auszuprobieren.

1. Wir richteten HomeAssistant auf einem Raspberry Pi ein und erweiterten diesen mit Funkmodulen für die drahtlosen SmartHome-Technologien "ZigBee" & "EnOcean". Er ist ebenfalls mit einem lokalen WLAN-Netzwerk verbunden.

2. Wir kauften Geräte mit ZigBee & EnOcean und verbanden sie über diese Funkmodule mit HomeAssistant. Dadurch waren nun alle Geräte zentral eingebunden.

3. Anschließend haben wir unseren Aufbau getestet, indem wir einige Beispielszenarien implementiert haben.

  • Zugangskontrolle - Nur eine Person kann einen Nussspender benutzen, nachdem diese identifiziert wurde.
  • Lichtsteuerung - Abhängig von der Person, die sich am Eingang identifiziert hat, reagiert die Wand mit benutzerdefinierten Farben und Lichtern.
  • Alarm - die Wand erkennt Bewegung und gibt Alarm, wenn sich keine Person identifiziert hat.

Schlussfolgerung

Die wichtigste Lektion, die wir gelernt haben ist, dass erfolgreiche IoT-Systeme miteinander integriert werden müssen. Wir haben gezeigt, dass mit sehr unterschiedlichen IoT-Geräten in einem System of Systems reale Anwendungsfälle mit verschiedenen drahtlosen Technologien und Produkten verschiedener Hersteller realisiert werden können. Diese konnte mit einer Open-Source-Lösung umgesetzt werden.

 

Ausblick

In der Zukunft könnten wir diese Idee der intelligenten Technologieintegration ausbauen.

1. Sprachsteuerung - Statusrückmeldung per Sprache, Steuerung von Aktionen per Sprache

2. Private Videoüberwachung - Prüfen, wer was wann getan hat, intelligente Löschung, Analyse und gegebenenfalls Benachrichtigungen wie "eine unbekannte Person ist eingetreten..."

3. Roboter, z.B. Staubsauger - Das Smart Home steuert den Roboter, indem er nur dann aktiviert wird, wenn niemand in der Nähe ist

Es stehen noch viele weitere Szenarien und Technologien zur Verfügung, und es wäre interessant zu sehen, was integriert werden kann und welche Anwendungsfälle dadurch verfügbar werden.

FAQ

Was ist der Zweck dieser Wand?

Sie soll zeigen, dass unterschiedliche SmartHome Geräte mit verschiedensten Funktechnologien in ein gemeinsames SmartHome Netzwerk integriert werden können. Außerdem, dass die Realisierung von Automatisierungen mit Open-Source Software und vor Ort ohne Cloud erfolgen kann.

 

Was bedeutet SmartHome?

Ein SmartHome ist ein intelligentes, vernetztes System aus Aktoren, Sensoren und Steuerung. Aktoren sind z.B. Lichter, Lautsprecher, Garagentormotoren und alle weiteren Geräte, die etwas machen oder ausführen. Sensoren hingegen messen und observieren. Das können Bewegungsmelder, Kameras, Thermometer oder auch einfach Knöpfe und Schalter sein. Die Steuerung ist das Gehirn des SmartHomes und trifft Aufgrund der Informationen des Sensoren Entscheidungen für Aktionen. Das kann die Steuerung eines Aktors sein oder einfach nur das Versenden einer Benachrichtigung an den Eigentümer. Das kann zum Beispiel eine Nachricht bei Detektion von Wasser unter einem offen gelassenen Küchenfenster sein.

 

Was bedeuten die bunten, runden Leuchten?

Neben jedem IoT SmartHome Gerät ist eine runde Leuchte in die Wand eingelassen. Die Farbe und das Logo darauf gibt an, welche Funktechnik das Gerät verwendet. Blau steht für WLAN, Pink für ZigBee und Grün für EnOcean. Fängt eine Leuchte an zu blinken, kommuniziert das jeweilige IoT Gerät gerade.

 

Was kann diese Wand?

Dies gilt es selber herauszufinden. Die Interaktion mit der Wand geschieht indem man sich ihr nähert und verschiedene Benutzerkarten auf das Kartenlesegerät legt. Die Wand wird entsprechend reagieren.

 

Wo ist die Steuerung?

Im Gegensatz zu einer Steuerung in der Cloud befindet sich die Steuerung dieser IoT SmartHome Wand ebenfalls an der Wand. Sie ist in der Mitte angebracht und kann mit allen Geräten gleichzeitig kommunizieren. Sie spricht sozusagen 3 Sprachen. Hier werden alle Informationen verarbeitet und Entscheidungen für Aktionen getroffen sowie versendet.

 

Warum gibt es verschiedene Funktechnologien? Warum sollen diese gemeinsam genutzt werden?

Die jeweiligen Funktechnologien haben unterschiedlichste Reichweiten, Energieverbrauch und Geschwindigkeiten. Oft kommt auch noch ein Netzwerk- und Kommunikationsprotokoll dazu, welches z.B. ermöglicht, dass sich Geräte untereinander vernetzen können, um die Gesamtreichweite zu erhöhen. Oder sie ermöglichen eine sehr lange Batterielaufzeit. Je nach Anwendungsfall, Gerät und Installationsort kann eine andere Technologie sinnvoll sein. Aus demselben Grund haben Smartphones ebenfalls verschiedene Funktechnologien eingebaut wie WLAN (heimisches Internet), Bluetooth (z.B. Kopfhörer) und LTE (Mobilfunk).

 

Welchen Mehrwert bietet die Integration aller SmartHome Geräte in ein Netzwerk?

Um sinnvolle Automatisierungen einzurichten, braucht die Steuerung des SmartHomes Zugriff auf alle Geräte. Habe ich 2 oder 3 Systeme von verschiedenen Herstellern können diese nicht ohne weiteres miteinander interagieren, geschweige denn zentral von einer Steuerung kontrolliert werden. Das liegt daran, dass die meisten Hersteller ihre Geräte über einen eigenen Access Point in das Netzwerk einbinden, sodass die Geräte im Anschluss über eine App gesteuert werden können. Dieser Access Point kann nur mit dem eingebauten Funkprotokoll kommunizieren, genau wie der heimische WLAN Access Point nur WLAN spricht. Für alle anderen Funktechnologien ist er blind.

 

Warum ohne Cloud?

Die Cloud ist nur über das Internet erreichbar. Das heißt ein weit entfernter Computer kommuniziert mit den IoT Geräten und steuert diese über das Internet. Sollte die Internetverbindung abbrechen, funktioniert auch das SmartHome nicht mehr. Wird das Produkt eingestellt oder geht der Anbieter Insolvent, hört das SmartHome ebenfalls auf "smart" zu sein. Dies bedeutet eine große Abhängigkeit von mehreren externen Parteien für ein funktionierendes SmartHome. Dazu kommt, dass ein hohes Vetrauen in den Anbieter gelegt wird. Denn die Steuerung aus dem Internet bedeutet, dass es eine offene Schnittstelle nach außen gibt. Diese muss gegenüber möglichen Angreifern gut abgesichert werden. Auch die privaten Daten die in einem SmartHome anfallen, müssen sicher verarbeitet, gespeichert und auch wieder gelöscht werden. Natürlich gibt es auch Vorteile, wie eine einfache Installation und Wartung der Software, da dies vom Cloud-Service Anbieter übernommen wird. Da wir uns am Barkhauseninstitut für Sicherheit und Privatsphäre einsetzen, kam beim Aufbau dieser IoT SmartHome Wand nur eine lokale Steuerung ohne Verbindung und Abhängigkeit nach Außen in Frage.

Welche Funktechnologien wurden hier verwendet?

Zu Demonstrationszwecken wurden Geräte vernetzt, welche die Kommunikationstechnologien WLAN, EnOcean und ZigBee verwenden. An der Wand sind diese durch die "WiFi", "enocean" und "Z" Sticker zu erkennen.

 

Was ist EnOcean?

EnOcean ist eine der drei Funktechnologien, welche für den Aufbau der Wand verwendet wurden. Sie zeichnet sich durch extrem geringe Energieaufnahme aus, sodass bereits eine kleine Solarzelle oder das Hinunterdrücken einer Türklinke ausreicht, um genug Energie für eine Nachricht zu sammeln. So können Geräte mit dieser Technologie ohne Batterie betrieben werden. Die von uns eingesetzten Geräte sind zwei Bewegungsmelder welche gegenüber der eigentlichen Wand angebracht wurden.

 

Was ist ZigBee?

ZigBee ist eine der drei Funktechnologien, welche für den Aufbau der Wand verwendet wurden. Sie zeichnet sich durch einen geringen Energieverbrauch aus. Außerdem können Geräte untereinander kommunizieren und Nachrichten weiterleiten. So erhöht sich die Reichweite des Netzwerks mit der Anzahl der Geräte. Diese Funktechnik wird heute von vielen Produkten genutzt, z.B. von IKEA Lampen und Philips Hue. Amazons Alexa spricht ebenfalls ZigBee und kann solche Geräte so direkt kontrollieren. In unserem Aufbau wurde die Lampe, der LED Streifen auf der Oberseite und die Steckdose für den Dispenser damit ausgestattet.

 

Gibt es Pläne für die Zukunft?

Momentan gibt es keine konkreten Pläne die Wand auszubauen, obwohl wir bereits Ideen haben.

1. Sprachsteuerung - Die Wand könnte mit Sprachbefehlen kontrolliert werden und mit dem Benutzer interagieren. Gleichzeitig könnten Schwierigkeiten und Probleme bei der Authentifizierung durch die Stimme gezeigt werden.

2. Videoüberwachung - Untersuchung wie private Videoüberwachung sicher integriert werden kann ohne die Privatsphäre Anderer zu verletzen.

3. Roboterstaubsauger - Integration und automatisierte Steuerung eines Staubsaugerroboters ohne Zugriff auf das Internet.