Smart Home Energiesparen durch Heimvernetzung

Anders als bei „Machine to Machine“-Kommunikation hat im Internet der Dinge jedes Ding seine eigene IP-Adresse. Auch die Analyse, Speicherung und Verarbeitung der Daten erfolgt anders – nämlich über die Cloud. Das zieht neue Herausforderungen im Bereich der Vernetzung nach sich.

Schon in den frühen 1990ern beschäftigte sich Mark Weiser in seinem Aufsatz mit dem Thema „Internet of Things“ (IoT), ohne es jedoch damals schon so zu benennen [1]. Visionär tauchten in dieser Niederschrift schon Begriffe wie Pad, Wireless und Gigabit auf. IoT als Begriff tauchte erst etwas später (1999) bei Kevin Ashton auf [2]. Demnach war eine Zielsetzung des IoT, dass PCs als Kommunikationseinheit, die adressierbar und identifizierbar sind, mehr und mehr von kleinen und kleinsten Systemen abgelöst oder auch ergänzt werden. War zu Beginn der 90er noch die Rede von DOS/Windows oder Unix als Betriebssystem und meist PCs als einzig möglicher Hardware, hat die rasante Entwicklung der Technologien seither dazu beigetragen, dass uns die Vision von Mark Weiser heute bereits eingeholt hat. Angefangen mit dem Mainframe-Rechner, den viele Personen benutzten, über den PC (Personal Computer), der meist nur einen Nutzer hatte, sind wir heute im Zeitalter der „ubiquitous“ oder auch allgegenwärtigen bzw. omnipräsenten Computer angekommen, was bedeutet, dass eine Person heute in der Lage ist, mehrere dieser Systeme zu bedienen. Doch es geht beim IoT eigentlich noch weiter, denn wir reden hier nicht mehr von Systemen, die der Bedienung eines Menschen bedürfen, vielmehr sollen diese Dinge – kleine Embedded-Systeme – das Leben der Menschen sicherer und angenehmer machen, ohne dass diese Systeme selbst in den Vordergrund treten.

Unvorstellbar viele IP-Adressen

Die Dinge im Internet der Dinge werden aktive Teilnehmer und müssen dann mit entsprechender Hard- und Software ausgestattet sein. Selbstverständlich wird hier eine hohe Ausfallsicherheit vorausgesetzt, da aufgrund der großen Anzahl und der räumlich weitläufigen Exploration und mitunter schweren Erreichbarkeit Wartungsarbeiten sehr kostspielig wären. Erreichbar war das jedoch nur durch das Zusammenwirken von sich ergänzenden und auch konvergierenden technischen Entwicklungen. Immer kompaktere Systeme mit immer weniger Energieverbrauch und weiter sinkenden Kosten trugen zu dieser Entwicklung bei, ebenso wie die Einführung von IPv6. Wir sprechen hier von einer Vergrößerung des Adressraums von IPv4 mit 232 Adressen auf 2128 Adressen, was einem Faktor von rund 7,9 × 1028 entspricht. Nunmehr sind so unvorstellbar viele IP-Adressen verfügbar wie die Zahl von 6,67 × 1017 IP-Adressen pro mm² der Erdoberfläche. Jetzt ist die nahtlose Einbindung der virtuellen Welt der Informationen in die reale Welt möglich und das nicht nur im industriellen Umfeld, sondern auch in der gesamten privaten Welt.

Weiterführend als beim Ansatz der M2M-Kommunikation kann nun jedes Ding auf der Welt Teil dieses Internets der Dinge sein. Für diesen Wachstumsmarkt bietet Avnet Memec Schlüsselhalbleiter-Technologien, Connectivity-Lösungen und Netzwerkbetreiber-Dienstleistungen an. Auch bei der Vernetzung der Smart Cities der Zukunft wird IoT eine treibende Kraft sein. Dabei geht es um die Vernetzung unterschiedlichster Bereiche wie Energieversorgung, öffentliche Dienstleistungen, Gebäude, Verkehr. Diese Vernetzung ist eine sehr komplexe Aufgabenstellung, bei der man sich auf Partner verlassen muss, die auf neuste Technologien und einen großen Erfahrungsschatz zurückgreifen können.

Geräte interagieren

Schauen wir uns die Bereiche etwas mehr im Detail an. Wäre es nicht gut, wenn in unserem Haus ein intelligenter Stromzähler den günstigsten Tarif ermittelt und dann große Energieverbraucher, wie Waschmaschine, Heizung oder auch eine Ladestation für ein E-Mobil, entsprechend steuert? Dazu muss ein solches Smart Meter die Möglichkeit haben, die Tarife abzurufen und angeschlossene Geräte zu steuern. Ebenso wäre es hilfreich, wenn unser vernetztes Haus autark auf Wetterereignisse wie Sturm, Hagel oder auch große Wärme reagieren und entsprechende Maßnahmen zum Schutz einleiten würde. Die Einflussnahme auf ein solches System mit Informationen über zukünftige Wetterentwicklungen aus dem Internet wie auch ein Eingreifen aus der Ferne über z.B. ein Smartphone wäre denkbar. Grundvoraussetzung hierfür wäre die Erfassung der Umweltgrößen, deren Bewertung und letztendlich das Ausführen von Aktionen wie Steuerung der Rollladen, der Heizung oder Fenster. Begrüßenswert wäre doch auch eine Benachrichtigung über ein Ereignis wie den Bruch einer Fensterscheibe, egal ob durch Naturgewalt oder Einbruch. Ein Sensor, der einen solchen Bruch erkennt, und ein vernetztes Alarmsystem sind dafür unabdingbar.

Wäre eine Lichtsteuerung, die nach dem „Follow Me“-Prinzip funktioniert, im Haus nicht toll, d.h. Licht ist nur in den Bereichen eingeschaltet, in denen sich jemand aufhält? Eine solche Steuerung des Lichts wäre sicher auch in öffentlichen Bereichen sinnvoll. Gleichzeitig könnten die so vernetzten Straßenlaternen auch als Hotspots für den Internetzugang dienen oder auch Umweltdaten wie Temperatur, Luftdruck und -feuchte, Luftverschmutzung usw. lokal erfassen und weitergeben. Auch für die Erhöhung der öffentlichen Sicherheit (z.B. Videoüberwachung) ließen sich solche Hotspots nutzen. Warum nicht auch Werbung in Bild und Ton, Verkehrshinweise, Wetterinformationen oder auch Veranstaltungshinweise auf elektronischen Hinweistafeln darstellen?

Wo würden diese Verkehrshinweise idealerweise herkommen? Natürlich von den Sensoren, die den Verkehrsfluss erfassen und Autofahrern Hinweise übermitteln; dazu würden dann auch Informationen wie Verkehrsführung und freie Parkplätze zählen. Verknüpfungen von solchen Informationen wären natürlich ebenso denkbar wie auch sinnvoll, z.B. von welchem Parkplatz man mit welchen Nahverkehrsmitteln zu welcher Veranstaltung gelangt.

Bei der Energieverteilung (Smart Grid) geht es dann z.B. um die Erkennung von Lastspitzen und die Reaktion darauf, den Transport der Energie und deren Verteilung, aber auch die Vernetzung und die Einbindung von lokalen Energiequellen (regenerative Energie wie Wind und Sonne).

Eine clevere Vernetzung dieser Bereiche über Cloud-Dienste, Web-basierte Apps, Gerätemanagement-Systeme und Netzwerk-Management-Plattformen führen dann zu einer wirklichen Smart City. Ein Smart Sensor (Bild 1) ist in einer solchen City ein wichtiges Element. Erfassen kann man hier Messgrößen wie Luftfeuchte, Temperatur, Licht, Drehraten, Magnetfeld und Beschleunigung. Ebenso möglich ist die Erkennung eines menschlichen Fingerabdruckes. Wichtige Faktoren für die rasante Verbreitung von IoT-Systemen werden hier eine geringe Leistungsaufnahme, Baugröße und Kosten sowie die einfache Realisierung von neuen Systemen, Kompatibilität und Sicherheitsaspekte sein.