Häusliche Automation mit European Home Systems

Häusliche Automation mit European Home Systems

Diplom-Ingenieur Ludwig Brackmann und Prof. Dr.-Ing. J.-Uwe Varchmin. 1.11.1997

Kleinroboter, die kochen, den Tisch decken, nach dem Essen wieder abräumen und anschließend die Wohnung reinigen, gehören in Zukunftsromanen seit langem zur Ausstattung eines automatisierten Haushalts. Doch auch der zentrale Computer versieht in diesem Genre seinen Dienst, steuert Licht- und Kommunikationsanlagen und ist bemüht, unauffällig den Bewohnern das Leben so angenehm wie möglich zu gestalten.

Mittlerweile ist der zweite Ansatz technisch weitgehend umzusetzen. Als Heimautomatisierung bezeichnet man heutzutage die Vernetzung von elektrischen und elektronischen Komponenten und Geräten im privaten Haushalt – vom Thermostaten über das TV-Gerät bis zur Waschmaschine – mit geeigneter Kommunikationstechnik (die sogenannten Service-Roboter dürften sich später eventuell in das Gesamtkonzept einfügen). Vernetzt sollten sie sich effizienter nutzen lassen; der Wohnkomfort wird dadurch steigen, und Gefahren wie von einer eingeschalteten, aber vergessenen Herdplatte oder von Einbrechern sind wesentlich zu vermindern.

Standardisierung

Anders als bei den Zweckbauten von Behörden und Unternehmen, läßt sich der Nutzen für Privatleute, die ihr Heim mit der neuen Technik aus- oder nachrüsten wollen, nur bedingt in Mark und Pfennig angeben: Sicherheit, Komfort und Prestige wird der einzelne unterschiedlich bemessen. Deshalb dürften Beträge, die er zu investieren bereit ist, vergleichsweise geringer sein.

Solchen Bedarf kann nur preiswerte Technik wecken und befriedigen. Des weiteren müssen Bewohner automatisierter Häuser ihr System auf einfache und zuverlässige Weise immer wieder gemäß aktuellen Bedürfnissen mit weiteren, eventuell fortschrittlicheren Komponenten neu konfigurieren oder kleinere Anlagen sogar ohne Fachmann installieren können. Damit der Kunde zwischen einer Vielzahl von Produkten wählen kann, sollte schließlich die grundlegende Kommunikationstechnik für alle Hersteller von Teil- und Komplettsystemen frei und damit kostengünstig verfügbar sein.

Diese Anforderungen berücksichtigt ein Industriestandard, den die in der European Home Systems Association (EHSA) organisierten Firmen mit Unterstützung der Europäischen Union entworfen haben. Sie wollen mit dieser Spezifikation die Einführung und Vermarktung entsprechender europäischer Produkte auf einer gemeinsamen Basis fördern, denn die Erfahrung zeigt, daß sich Märkte besser entwickeln, wenn der Nutzer nicht zwischen inkompatiblen Systemen wählen muß. Alle EHSA-Mitglieder erhalten eine Lizenz dafür. Außerdem benennt die Organisation Einrichtungen, die Produkte auf Einhaltung des Standards prüfen dürfen und Zertifikate erteilen. Es gibt bereits entsprechende Hard- und Software; und eine Reihe bedeutender Hersteller von sogenannter Weißer Ware – also von Kühlschränken, Elektroherden, Waschmaschinen und dergleichen – sowie große Versorgungsunternehmen haben sich für EHS entschieden.

(Diese Einigkeit herrscht erst seit 1996, zuvor standen dem EHS zwei weitere Vorschläge von Firmenkonsortien gegenüber. Zudem existiert in den USA ein weiterer De-facto-Standard, das local operating network oder kurz LON, das auf einem Netzwerk von Neuron-Chips basiert; ein Schweizer Unternehmen bietet entsprechende Produkte auch auf dem europäischen Markt an. Die Redaktion.)

Datenwege im Heim

Für den Informationsaustausch zwischen Haushaltsgeräten, Sensoren, Steuerzentralen und Stellgliedern stehen laut der Spezifikation verschiedene Übertragungsmedien zur Verfügung: das Stromnetz der Energieversorgung, verdrillte Zweidrahtleitungen wie für Klingel und Telephondraht, Koaxialkabel sowie die Datenübertragung per Infrarot oder per Funk. Damit ist es möglich, alle Funktionsbereiche des privaten Haushalts wie Energie-, Gas- und Wasserversorgung, innere und äußere Sicherheit sowie Unterhaltung in einem einheitlichen System zusammenzufassen.

Man unterscheidet offene und geschlossene Übertragungsmedien. Erstere lassen sich leicht stören: Ein Mensch unterbricht die Strecke der Infrarot-Fernbedienung schon, wenn er sich in den Weg stellt; Elektrogeräte können den Datenaustausch via Funk oder Stromnetz stören. Geschlossene Medien, die Informationen über Leitungen senden, verändern ihre Übertragungscharakteristik hingegen nur, wenn Komponenten an das Netz angeschlossen oder von ihm abgekoppelt werden.

Die unterschiedlichen Medien bieten je nach Einsatzbereich spezifische Vorteile. So erfordert die Kommunikation über das Stromnetz kein zusätzliches Datenkabel. Weiße-Ware-Geräte lassen sich zudem ohne Änderungen am Metallgehäuse und somit auch ohne Beeinflussung der vorhandenen elektromagnetischen Abschirmung vom Hersteller aufrüsten. Für mobile Fernbedienungen und Meldegeräte bieten sich Funk und Infrarot als Übertragungsweg an. Das Koaxialkabel wiederum läßt sich im Rahmen der EHS-Spezifikation zweifach nutzen: Zum einen kann man digitale Daten mit 9600 Bit pro Sekunde transferieren; im hochfrequenten Bereich der Radio- und Fernsehsender sind überdies gleichzeitig Audio- und Videosignale übertragbar, also beispielsweise das der Türklingel und das der Kamera, die den Eingangsbereich überwacht.

Der EHS-Standard berücksichtigt das OSI-Referenzmodell (open systems interconnection), eine international genormte Architektur für offene, das heißt herstellerunabhängige Kommunikation. Ungeachtet der jeweiligen Realisierung ordnet dieses Modell alle erforderlichen Teilprozesse insgesamt sieben aufeinander aufbauenden Funktionsschichten zu, die nach gewissen Regeln Informationen austauschen, wobei jeweils eine für die nächsthöhere bestimmte Dienste erbringt. Die Übertragungswege betreffen die beiden untersten Ebenen, nämlich die physikalische Realisierung und die Datenverbindungsschicht, in der zu übertragende Informationen in eine dem jeweiligen Medium gemäße Form gebracht werden.

Wird dazu etwa die Leitung des elektrischen Versorgungsnetzes genutzt, schreibt der EHS-Standard vor, die digitalen Daten per Frequenzmodulation umzusetzen und sie im sogenannten C-Band bei 125 bis 140 Kilohertz zu übertragen (Bild 1). Dazu steht ein Baustein der Firma SGS Thomson Microelectronics seit mehreren Jahren zur Verfügung. Die nächsthöhere Schicht ergänzt beispielsweise eine Dateneinheit von acht Bits um weitere fünf, die zur Fehlerkorrektur genutzt werden. Auf dieser Ebene sind auch die Regeln für den Zugriff auf das Netzwerk verankert; insbesondere muß zuvor eine Mindestzeit ohne Kommunikation verstrichen sein, bevor eine andere Komponente das Medium für sich beanspruchen kann. Zudem darf eine Verbindung nicht länger als eine Sekunde dauern. So werden sich mehrere aktive oder zu aktivierende Geräte nicht gegenseitig behindern und kommen rasch an die Reihe.

Signaldämpfung und Störsignale auf einer Netzleitung können sich aber von einem Moment zum nächsten deutlich ändern. Beispielsweise erzeugt das An- und Abschalten elektrischer Verbrauchseinheiten kurzzeitige Spannungsspitzen, die einzelne Bits einer übertragenen Nachricht verfälschen können. Um das zu entdecken und darauf zu reagieren, versieht man die zu übertragenden Daten mit fehlererkennenden und -korrigierenden Codes.

Schwieriger sind länger andauernde Fremdsignale oder Dämpfungen zu beherrschen, wie elektrische Geräte sie mitunter hervorrufen. So setzt eine Elektroheizung die wenigen Watt Sendeleistung eines Netzknotens ebenso in Wärme um wie die ein bis zwei Kilowatt des normalen Stromnetzes; derartige Effekte können die Kommunikation auch für längere Zeit erschweren. Um solche Phänomene in bestehenden Anlagen zu untersuchen, wurde am Institut für Elektrische Meßtechnik der Technischen Universität Braunschweig ein Analysegerät entwickelt, mit dem sich unter anderem zwei oder zehn Tage lang messen läßt. Damit kann man typische Nutzungszeiten im Tages- und Wochenrhythmus erfassen und so die Eignung des Stromnetzes als Übertragungsmedium im jeweiligen Gebäude beurteilen (Bild 2); innerhalb einer Wohnung funktioniert die Kommunikation nach bisherigen Untersuchungen zuverlässig.

Eine Zweidrahtleitung, ein sogenanntes Twisted Pair, kann man auf zweierlei Weise einsetzen. Beim Schema TP0 fließen Daten und Versorgungsleistung der Netzknoten – also der elektronischen Einheiten, die der Datenweiterleitung dienen – auf einem gemeinsamen Adernpaar. Dabei wird das den logischen Zustand null repräsentierende Bit durch die Versorgungsspannung und das eins codierende durch ein Kurzschließen der beiden Leitungen dargestellt. Entsprechend wenig Strom, nämlich nur etwa ein halbes Milliampere, darf fließen; die Datenrate beträgt 4800 Bit pro Sekunde. Bei der Alternative TP1 braucht man zwei Adernpaare, eines für die Datenübertragung und das andere für die elektrische Versorgung der Knoten. Eine logische Null wird hier abwechselnd als positive oder negative Spannungsdifferenz zwischen den beiden Datenadern, eine Eins durch den Wert null codiert. Das Verfahren ist somit weniger störanfällig. Die maximale Reichweite beträgt laut EHS-Spezifikation 1200 Meter und die Datenrate 9600 Bit pro Sekunde.

Der Zugriff auf den Bus (in der Elektrotechnik die Gesamtheit aus Hard- und Software eines Kommunikationssystems) ist so organisiert, daß mehrere Teilnehmer gleichzeitig versuchen dürfen, darauf zuzugreifen. Freilich hat nur einer dabei Erfolg, doch gehen die Daten der anderen nicht verloren, sondern konkurrieren in der nächsten Runde um die Weiterleitung.

Für das Übertragungsmedium Funk entwickelt eine Arbeitsgruppe der EHSA und der European Installation Bus Association unter Federführung von Bosch Telekom einen gemeinsamen neuen Standard, der nach Fertigstellung als europäische Norm eingereicht werden soll. Weil der derzeit freigegebene Frequenzbereich um 433 Megahertz bereits stark ausgelastet ist, soll dafür ein neues Frequenzband bei 860 Megahertz beantragt werden.

Strukturelle Gliederung

Ein EHS-Netzwerk wird in Abschnitte unterteilt, in denen jeweils bis zu 158 Geräte adressiert werden können, die dasselbe Übertragungsmedium nutzen (Adressen identifizieren die verschiedenen Einheiten im Netz und ermöglichen ihnen somit erst, Nachrichten und Daten auszutauschen). Solche Subnets lassen sich logisch durch sogenannte Router verknüpfen. So vermag man ein komplexes Haus-Netzwerk aus mehreren Teilsystemen aufzubauen, die intern mittels unterschiedlicher Medien kommunizieren. Die Zahl möglicher Adressen wird durch einen Router um jeweils 256 erweitert; in aufsteigender Folge lassen sich sieben davon hintereinander schachteln und somit bis zu 2×1019 Elemente anwählen, was sicherlich auch in einigen Jahrzehnten noch ausreichen dürfte. Die Aufteilung in Abschnitte bietet zudem den Vorteil, daß Nachrichten an Geräte in ihrem eigenen Subnet eine kürzere Adreßinformation benötigen und die kleineren Datenpakete schneller auszutauschen sind.

Die gesamte technische Ausstattung eines Haushalts läßt sich nach dem EHS-Standard so auf das Netzwerk abbilden, daß verschiedene Anwendungsbereiche eigene Steuerzentralen (feature controller) haben, die parallel zueinander arbeiten können; man spricht von einer Multimaster-Architektur. Jede Zentrale nimmt Informationen auf, verarbeitet sie und trifft daraufhin Entscheidungen. Zugeordnet sind ihr complex devices genannte periphere Einheiten wie Sensoren oder Aktoren, die lediglich Daten abgeben oder Anweisungen empfangen.

Dieses Konzept ermöglicht einen modularen Aufbau des Gesamtsystems, wobei auch unterschiedliche Wünsche der Nutzer berücksichtigt werden können. So braucht man sein Haus nicht gleich komplett zu automatisieren, sondern kann beispielsweise ein System mit einem Übertragungsmodus für eine Anwendung installieren, etwa um das Gebäude zu sichern, um Küche und Wohnbereich mit mehr Bedienungskomfort auszustatten, um ressourcenschonender zu wirtschaften oder einfach um die Haushaltskasse zu entlasten. Eine solche Erstausstattung läßt sich dann jederzeit durch weitere Komponenten oder Subnets ergänzen.

Einfache Installation

Eine Stereoanlage stöpselt man nach Anleitung zusammen, verbindet den Radioteil mit der Antennenbuchse, schließt das Ganze an die Steckdose an und stellt nach Inbetriebnahme die Sender ein. Intelligente Haustechnik sollte nicht schwieriger in Gang zu setzen sein; dafür muß sie aber vorab mit ausgeklügelten Funktionen versehen werden. EHS bietet dafür die Funktionen registration zur automatischen Adreßvergabe und enrolment (im umgangssprachlichen Englisch gleichbedeutend mit Eintragung oder Anheuerung) zum selbständigen Aufbau logischer Verbindungen zwischen Steuerzentralen und Peripherie – ein Schlüsselprozeß, der in der Automatisierungstechnik einzigartig ist.

Das automatische Registrieren bedingt, daß eine spezielle Systemeinheit die Adressenliste eines Abschnitts verwaltet. Insbesondere Hausgeräte wie Waschautomaten, die einmal in das System aufgenommen werden und dann längere Zeit darin verbleiben, haben einen nichtflüchtigen Speicher für die zugewiesene Adresse. Bei einem solchen Gerät löst der Benutzer die Registrierung per Knopfdruck aus, und das Gerät erhält einen Adreßeintrag in der Liste. Andere EHS-Geräte erfragen – wiederum selbsttätig – ihre Subnet-Adresse jedesmal nach dem Einschalten.

Für Netze ohne eigene Adressenverwaltung eignet sich ein weiteres Verfahren. Dabei sendet das sich registrierende Gerät so lange Test-Nachrichten mit zufälligen Adressen aus, bis es keine Antwort mehr erhält; die letzte, noch nicht vergebene Adresse weist es sich selbst zu und speichert sie flüchtig oder nichtflüchtig. Schließlich gibt es auch Geräte, deren Adressen bereits voreingestellt sind oder die eine automatische Registrierung nicht unterstützen; dann muß allerdings ein Installateur das Subnet richtig organisieren.

Nach der Registrierung können die einzelnen steuernden und peripheren Einheiten zwar schon miteinander kommunizieren, doch ist ihnen noch unbekannt, in welcher Funktion sie mit welchen anderen Geräten zusammenarbeiten sollen. Das enrolment ermöglicht nun, die Funktionen aller angeschlossenen Einheiten automatisch zu erfassen. Es richtet dabei Applikationsverbindungen auch zwischen Komponenten verschiedener Hersteller ein. Dafür wird zunächst eine spezielle Tabelle in jeder Einheit angelegt. Complex devices verfügen über eine Art Karteikarten, in denen verfügbare Funktionen beschrieben sind. Diese Daten werden von den feature controllers gelesen und mit den Angaben zu ihren jeweiligen Applikationen verglichen. Bei Übereinstimmung wird eine Verbindung in die Tabelle eingetragen.

Neue Komponenten lassen sich so auf einfache Weise integrieren. Beispielsweise kann ein Heizungssystem mit Temperatursensoren, Ventilen, Raumthermostaten, Fensterkontakten und einer Heizungs-Steuerzentrale schon vorhanden sein, und der Hausbesitzer will es um ein Alarmsystem eines anderen Herstellers erweitern. Während des enrolments findet nun der neue feature controller auch die Fensterkontakte des Heizungssystems und integriert sie in seine Sicherheitsabfragen. Dies erfordert keinerlei Zutun eines Technikers oder Installateurs.

Bedienung am Fernsehgerät

So einfach wie zu installieren sollte ein System zur Hausautomatisierung auch zu bedienen sein. Dazu gibt es vielerlei Möglichkeiten, vom einfachen Taster mit Leuchtdioden, die bei bestimmten Funktionen aufleuchten, bis zur mobilen Multi-Fernbedienung für den gesamten Haushalt. Als Kontroll- und Kommandozentrale kann ferner ein Personal Computer dienen. Besonders erfolgreich am Markt dürften Bedienoberflächen werden, die sich auf dem normalen Fernsehbildschirm mit Infrarot-Fernbedienung abrufen lassen. So ist eine am Institut für Elektrische Meßtechnik der Technischen Universität Braunschweig in Zusammenarbeit mit der Firma ATICON Home Automation entwickelte Schnittstelle auf intuitive Bedienung ausgelegt (Bild 3). Der Hausbewohner kann sich mit speziellen Menüs über den Zustand des Systems informieren oder Änderungen vornehmen, aber auch Informationen in das laufende TV-Programm einblenden lassen. Die Anordnung der einzelnen Bedienelemente ist an die Zifferntastatur einer TV-Fernbedienung angelehnt, was das Erlernen und den Umgang vereinfacht. Zugrunde liegt eine Elektronik, die sich an die SCART-Buchse jedes handelsüblichen Fernsehgeräts anschließen lässt; künftig wird wohl eine solche Baugruppe gleich in das Fernsehgerät mit eingebaut.

Hausgeräte, Sensoren und Aktoren kann man damit überwachen und fernsteuern. Außergewöhnliche Meldungen – etwa Warnungen über Fehlfunktionen – werden in das laufende TV-Programm eingeblendet; ist der Fernseher auf Stand-by geschaltet, wird er dann eigens aktiviert. Als Übertragungsmedium dient das Stromnetz, so daß auch ein tragbares TV-Gerät in jedem beliebigen Zimmer als Nutzer-Schnittstelle dienen kann.

Die ersten Hausgeräte, die serienmäßig mit EHS-Komponenten ausgestattet sind, bietet der spanische Elektrokonzern Fagor an; sie dienen vor allem höherer Sicherheit innerhalb der Wohnung und der Senkung der Stromkosten, indem günstige Tarife genutzt werden. Zentrale Einheit des Systems ist ein elektronischer Anrufbeantworter, der gleichzeitig als Steuerzentrale und Verbindung zur Außenwelt dient; des weiteren können Heizung, Waschautomat und Gefrierschrank angeschlossen werden. Die einzelnen Geräte lassen sich per Telephon (oder per Sprachmenü vor Ort) programmieren, starten und stoppen. Zusätzlich anzuschließende Gas- und Wassersensoren erkennen Leckagen, und Stellventile begrenzen dann den Schaden. Bei wachsender Zahl der Hersteller, die den EHS-Standard unterstützen und neue Anwendungen wie die Datenfernabfrage entwickeln, dürfte sich diese neue Technik bereits in den nächsten Jahren durchsetzen.

Aus: Spektrum der Wissenschaft 11 / 1997, Seite 102
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH
Urheber: Ludwig Brackmann, Prof. Dr.-Ing. Varchmin