Gebäudesystemtechnik
Funklösungen für die Hausautomation - Teil 2: Z-Wave - der Weg zum Industriestandard
ep2/2008, 2 Seiten
Historie Die Entwicklung der Z-Wave-Technologie1) ist eng mit dem Unternehmen Zensys verbunden. Dieses dänisch-amerikanische Gemeinschaftsunternehmen wurde im Jahre 1999 mit dem Ziel der Schaffung eines De-facto-Standards für die Heimautomation gegründet. Ein erster Chip wurde im Jahre 2002 vorgestellt. Derzeit ist bereits die 3. Generation von Z-Wave-Chips verfügbar. Im Detail wurden bei der Entwicklung dieser Technologie vor allem Ziele wie: · niedrige Kosten, · geringer Energieverbrauch, · Robustheit und · Interoperabilität verfolgt. Um die Verbreitung der Technologie zu fördern wurde im Jahre 2005 die Z-Wave-Alliance ins Leben gerufen. Inzwischen haben sich weit mehr als 150 Firmen dieser Allianz (www.z-wavealliance.org) angeschlossen und bieten entsprechende Produkte an. Zielmarkt der Z-Wave-Technologie ist eindeutig die Heimautomation (Bild ). Dieser Markt hat in den letzten zwei bis drei Jahren insbesondere unter dem Aspekt der steigenden Energiepreise eine bedeutende Entwicklung erfahren. Es ist daher nicht verwunderlich, dass eine Vielzahl der angebotenen Produkte der Steuerung und Regelung von Raumheizungen dienen. Die Verwendung des Z-Wave-Logos signalisiert dem Anwender, dass diese Produkte dem Z-Wave-Standard entsprechen und bei Bedarf auch durch Produkte eines anderen Herstellers ersetzt werden können. Der Begriff Z-Wave ist offenbar aus dem Firmennamen (Z von Zensys) entstanden und enthält einen Hinweis auf die Übertragung per Funk (wave - Welle). Ausgewählte technische Details Kernstück der Z-Wave-Technologie ist ein von der Firma Zensys hergestellter Chip von der Größe einer Streichholzkuppe. Der Chip enthält eine komplett integrierte Wireless-Lösung mit RF-Transceiver, Mikrocontroller, Flash- und SRAM-Speicher sowie periphere Systeme und Software. Neben dem Chip werden Werkzeuge zu dessen Integration in Sensorik (Taster, Temperaturfühler, Bewegungsmelder usw.) und Aktorik (Schalter, Thermostate, Antriebe usw.) den Produktentwicklern durch die Firma Zensys bereit gestellt. Schichtenmodell. Das Z-Wave-Schichtenmodell (Bild ) ist recht kompakt. Die unterste Schicht, RF-Media genannt, ist bezüglich der Funktion vergleichbar mit der Bitübertragungsschicht (Physical Layer) des OSI-Modells. Die darüberliegende MAC-Schicht ist zumindest begrifflich identisch mit der unteren Subschicht, der Schicht-2 (Data Link Layer) dieser Modellvorstellung. Hier sind alle notwendigen Funktionen zur Hardware-Adressierung und zum Zugriff auf den Übertragungskanal angesiedelt. Die Transfer-Schicht ist das Bindeglied zwischen den hardwareorientierten unteren Schichten und der Benutzeranwendung in der Anwendungsschicht (APP-Schicht). Hier werden Funktionen wie · Sicherung der Übertragung gegen Fehler (z. B. durch Prüfsummen), · Vergabe/Verwaltung der logischen Adresse und die · Weiterleitung (Routing) von Datenpaketen bereit gestellt. Die Interoperabilität zwischen Geräten verschiedener Hersteller wird aber auch hier nicht nur durch die übertragungsorientierten Schichten, sondern auch durch die Definition von Anwendungs- und Geräteklassen der Anwendungsschicht sicher gestellt. Knotentypen und Topologie. Ein Z-Wave-Netz ist ein selbstkonfigurierendes Mesh-Netz (Maschen-Netz), welches ohne manuelles Netzwerkmanagement auskommt (Bild ). Vom Prinzip her kann jeder Knoten zugleich als Sender und Empfänger fungieren und darüber hinaus die Weiterleitung (Routing) ankommender Datentelegramme übernehmen. Neu hinzukommende Knoten werden automatisch erkannt und in das Netz integriert. Bei Ausfall eines Knoten erfolgt ebenfalls eine Rekonfiguration (Re-Routing) des Netzes. Bei den Knotentypen wird zwischen · Controllern, · Routing-Controllern und · Slaves unterschieden. Unterscheidungsmerkmal ist dabei das Kommunikationsverhalten. Controller-Knoten können mit allen anderen Knoten kommunizieren. Slave-Knoten antworten nur auf Anfragen und Routing-Controller kommunizieren nur mit ausgewählten anderen Knoten. Adressierung. In einem Z-Wave-Netz können bis zu 232 Geräte eingebunden werden. Für die Adressierung stehen offenbar 8 Bit zur Verfügung und wegen der Automatikfunktionen sind verschiedene Adressen speziell dafür reserviert. Sollen mehr als 232 Geräte vernetzt werden, kommen Gateways zum Einsatz. Bezüglich des Zugriffs auf den Übertragungskanal und des Energiemanagements (aktive und passive Phasen) der Knoten kommen hier ähnlichen Lösungen zur Anwendung wie bei Zig Bee. Auch hier geht es darum Kollisionen bei der Übertragung zu vermeiden Elektropraktiker, Berlin 62 (2008) 2 132 BETRIEBSFÜHRUNG Funklösungen für die Hausautomation Teil 2: Z-Wave - der Weg zum Industriestandard Neben der auf dem Standard IEEE 802.15.04 basierenden Funklösung Zig Bee [1] gibt es eine Fülle an herstellerspezifischen Systemen. Z-Wave ist vor Jahren als eine dieser Lösungen gestartet und ist jetzt auf dem besten Weg, als Industriestandard breite Marktpräsenz zu erreichen. Z-Wave wurde speziell für die Heimautomation entwickelt und steht daher im direkten Wettbewerb zu Zig Bee. MEISTERWISSEN 1) Der Beitrag wurde im Wesentlichen auf der Basis einer Auswertung der Quellen [2] bis [8] erarbeitet. Heimautomation als Zielmarkt - Anwendungsbereiche aus der Sicht der Entwickler Quelle: Fa. Zensys APP Z-Wave Anwendungssoftware für: Taster Thermostate Sensoren Messgeräte etc. Z-Wave Chip RF-MEDIA MAC TRANS-FER Z-Wave-Schichtenmodell Quelle: Fa. Zensys Elektropraktiker, Berlin 62 (2008) 2 133 BETRIEBSFÜHRUNG und möglichst hohe Standzeiten bei den Batterien zu erreichen. Frequenzband, Übertragungsrate und Reichweite. Z-Wave verwendet das freie 868-MHz-Frequenzband (USA - 915 MHz). Um eine hohe Zuverlässigkeit zu erreichen, erfolgt die Übertragung bidirektional, das bedeutet dass jede Übertragung vom Empfänger bestätigt wird. Die Übertragungsrate wird allgemein mit 9,6 kBit/s angegeben. In [7] findet sich allerdings auch ein Hinweis auf mögliche Übertragungsraten von 20 und 40 kBit/s. Im Freien werden Reichweiten von bis zu 200 m erreicht und für Gebäude werden Reichweiten von rund 30 m angegeben. Aktuelle Entwicklungen. Seit einiger Zeit ist neben der 3. Chip-Generation die Version 5.0 der Z-Wave-Software verfügbar. Diese Version unterstützt jetzt auch die in Hongkong (919 MHz) und Australien (925 MHz) verfügbaren Frequenzbänder. Durch weitere Reduzierung des Leistungsbedarfs soll es zukünftig möglich sein, ähnlich wie bei EnOcean [10] auch batterielose Knoten realisieren zu können. Um die Akzeptanz des Systems zu erhöhen, offeriert Zensys zudem ein Lizenzprogramm für andere Chiphersteller. Für den langfristigen Erfolg des Systems scheint darüber hinaus das im Jahre 2007 gestartete Konvergenzprogramm Z/IP von entscheidender Bedeutung zu sein. Damit soll es möglich werden, den TCP/IP-Protokollstapel direkt in Z-Wave-Knoten zu realisieren. Zig Bee vs. Z-Wave Während sich im Bereich der klassischen IT-Netze WLANs durchgesetzt haben und Bluetooth bei den Mobiltelefonen zur Anbindung von Headsets u. ä. genutzt wird, sind Zig Bee und Z-Wave speziell für die Anwendung in der Gebäudeautomation entwickelt worden (Tafel ). Beide Funklösungen sind außerordentlich viel versprechende Lösungsansätze. Zielmarkt ist in beiden Fällen die Haus- und Gebäudeautomation. Aus derzeitiger Sicht ist bei Zig Bee die Tatsache, dass ein - und nur ein - Knoten die Rolle des Koordinators übernimmt nachteilig. Bei Ausfall dieses Knotens fällt gleich das gesamte Netz aus. Darüber hinaus besteht wegen der Komplexität des Standards die Gefahr, dass Zig Bee-Produkte unterschiedlicher Hersteller Probleme bezüglich der Interoperabilität aufwerfen. Bei Z-Wave kann u. U. die Beschränkung auf 232 Knoten bei größeren Projekten zum Problem werden. Für Wohnungen und Einfamilienhäuser stellt diese Knotenanzahl aber keine Beschränkung dar. Der Elektrohandwerker wird voraussichtlich auf längere Zeit mit dem Einsatz beider Systeme konfrontiert werden. Hersteller von Antrieben für Tore und Rollläden haben sich darüber hinaus zusammen getan, um mit IO-Homecontrol speziell für diesen Zweck ein Funksystem zu etablieren. Es ist durchaus denkbar, dass sich bei den Funklösungen langfristig eine ähnliche Situation ergibt wie bei den drahtgebundenen Gebäudeautomationssystemen. Neben einer Fülle herstellerspezifischer Systeme gibt es mit EIB/KNX und LON auch zwei standardisierte Systeme, die jeweils von einer größeren Anzahl Hersteller unterstützt werden. Funklösungen - pro und contra Die Vorteile von Funklösungen für die Hausautomation sind unbestritten - keine Verkabelung, einfache Montage und Demontage, Flexibilität bei der Wahl des Einsatzortes der Sensorik u. v. a. m. sind nicht nur bei der Renovierung von Bedeutung. Aber Funklösungen sind nicht ohne Nachteile. Dabei ist es nicht der vielfach diskutierte Elektrosmog (Bild ), sondern es sind eher die mittelfristig zu erwartenden Probleme bezüglich des störungsfreien Nebeneinanders unterschiedlichster Funklösungen. Was derzeit schon vielfach bei IR-Technik zu beobachten ist, dass mit der Fernbedienung für den Videorecorder unbeabsichtigt auch die Stehleuchte geschaltet/ gedimmt wird, könnte hier schwerwiegende Folgen haben. Man denke nur an die unbeabsichtigte Betätigung eines Antriebs (z. B. Garagentor) und dessen Auswirkungen. Schlussbemerkungen Funkbasierte Lösungen sind in der Gebäudeautomation - trotz mancher Fehlversuche und verschiedener noch offener Fragen - nicht mehr wegzudenken. Wenn sich weltweite Firmenallianzen bilden (wie bei Zig Bee und Z-Wave) um Standards zu schaffen, trägt das mittelfristig dazu bei, dass man diesen Technologien vertraut und sich deren Marktpräsenz vertieft. Es besteht durchaus Grund zur Hoffnung, dass in den nächsten Jahren mit Funklösungen zur Heizungssteuerung ein breiter Massenmarkt erschlossen werden kann. Andere Anwendungen werden sich zwangsläufig daran anschließen. Literatur [1] Möbus, H.: Funklösungen für die Hausautomation; Teil 1: Zig Bee - Standard mit vielen Möglichkeiten. Elektropraktiker Berlin 62(2008)1, S. 44-45. [2] www.z-wave.com und www.zensys.com [3] www.z-wavealliance.org [4] www.wikipedia.de/z-wave [5] www.it-wissen.de/z-wave [6] Wendt, A.: Marktvergleich von Sensornetzplattformen. Seminararbeit Sommersemester 2006. Institut für Informatik der FU Berlin. [7] Grohmann, B.: Milliardenmärkte durch drahtlose Kommunikation. Funkschau 22/2005. [8] Grohmann, B.: Vom Chip zum Heimnetz. NET 7-8/2005. [9] Funksystem CONNECT Merten Firmenschrift 07/2007. [10] Möbus, H.: Batterielose Funksensorik. Elektropraktiker Berlin 61(2007)10, S. 887-889. H. Möbus Demnächst: IO-Homecontrol - Antriebe steuern und mehr Fortsetzung ELEKTRO PRAKTIKER Garage Wohnzimmer Küche Eingang Elternschlafzimmer Kinderschlafzimmer Büro Maschen-Netz - Nachrichten werden von Knoten zu Knoten weitergereicht Quelle: Fa. Zensys DECT-Mobiltelefone/ Handys WLAN Sensornetzwerke Zig Bee KNX-RF CONNECT 100 W 10 W 0,1 W 10 mW 1 mW 0,1 mW 100 1 k 10 k 100 k 1 M 10 M 100 M Bitrate Bit/s Sendeleistung Sendeleistung und Bitrate verschiedener Funksysteme Quelle: Merten Tafel Typische Merkmale WLAN hohe Übertragungsrate Knotenanzahl nahezu unbegrenzt Bluetooth hohe Übertragungsrate Punkt zu Punkt Übertragung Knotenanzahl begrenzt Zig Bee geringer Energieverbrauch geringe Übertragungsrate Knotenanzahl nahezu unbegrenzt Z-Wave geringer Energieverbrauch geringe Übertragungsrate Knotenanzahl begrenzt
Autor
- H. Möbus
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