IoT-Funkplattform für Gebäude Komfort und Sicherheit vereint

Internet der Dinge und Industrie 4.0

Die Darstellung in Bild 2 zeigt die Aufteilung der IoT-Applikationen in vier Hauptbereiche, die unter dem Begriff »IoT« vereint sind. Jeder dieser vier Applikationsbereiche hat besondere Anforderungen der Anwendungen an die Funkvernetzung, die erfüllt sein müssen.

Wie bereits angedeutet hat die IP500 Alliance von Beginn an diese Anforderungen im Blickfeld gehabt und als einziger Funkstandard der Welt dabei den Sicherheitsbereich (Safety & Security) mit berücksichtigt.

Ein detaillierter Blick auf jeden IoT-Applikationsbereich verdeutlicht, dass viele der propagierten IoT-Funkstandards nur einzelne Applikationen abdecken und sie somit eher nicht als die IoT-Plattform genutzt werden können. Eine IoT-Plattform für die vier Applikationsbereiche muss folgende Anforderungen erfüllen können:

 

 

Smart City/Smart Grid
Gemeint sind hier Applikationen wie Metering (Elektrizität, Gas, Wasser), Straßenbeleuchtung, Parkflächen- und Müll-Container-Tracking, Katastrophenschutz, Agrikultur-Monitoring, Asset Tracking, Verkehrsüberwachung etc.
Wichtige Funkeigenschaften:
Reichweite (500 – 1000 m) und Sicherheit der Übertragung.
Smart Facility/Smart Home
Gemeint sind in diesem Fall Applikationen wie beispielsweise Zutrittskontrolle, Heizung, Lüftung, Klimatechnik, Beleuchtung, Asset Tacking, Aufzugsteuerung etc.
Wichtige Funkeigenschaften:
Hohe Robustheit, Sicherheit und Datenrate (Bandbreite), geringe Latenzzeit, hohe Skalierbarkeit, vermaschtes Netzwerk.
Handhelds/Wearables
Gemeint sind hier Applikationen wie Funketiketten oder Wearables für Personen und Roboter für die die Zutrittskontrolle und das Asset Tracking etc.
Wichtige Funkeigenschaften:
Geringe Latenzzeit, lange Batterielebensdauer, hohe Sicherheit.
Security & Safety
Gemeint sind Applikationen wie Einbruchmelder, Zutrittskontrolle, Brandmelder, Rauchabzug, Evakuierungssysteme etc.
Wichtige Funkeigenschaften:
Erfüllen und Einhalten der Regularien und Normen, höchste Sicherheit, geringe Latenzzeit.

Für jeden dieser Applikationsbereiche haben sich heute, aus welchen Gründen auch immer, einzelne Funktechniken als »bevorzugte Technik« etabliert, so z.B. für

  • Smart City/Smart Grid: LoRa und Sigfox
  • Smart Facility/Smart Home: Z-Wave, ZigBee, aber auch Bluetooth Low Energy (BLE)
  • Handhelds/Wearables: Bluetooth Low Energy
  • Security & Safety: proprietäre Funksysteme.

Versucht ein Systemarchitekt nun all diese Funktechniken unter einen Hut zu bekommen, auf Modulebene (Funkübertragung und Protokoll), wird ihm sehr schnell auffallen, dass es nicht bzw. nur mit erheblichem Aufwand gelingt. Jeder dieser Funkstandards ist derart unterschiedlich hinsichtlich seiner Eigenschaften – Funkübertragung, Frequenzband, Protokoll, Sicherheitsmechanismen etc. –, dass eine Vernetzung der Produkte, die in den verschiedenen Gewerken eingesetzt werden, dann nur noch auf der IT-Ebene über ein Gateway oder mehrere Gateways möglich ist.

Nicht kompatible Netze und Gateways treiben die Komplexität, die Installations- und Wartungskosten einer IoT-Infrastruktur in die Höhe. Wenn dann im Betrieb noch Software-Updates ins Spiel kommen, dann lässt sich eine derartige IoT-Infrastruktur kaum noch verwalten.

Die IP500-Funkplattform adressiert als einzige IoT-Funkplattform die wichtigsten Funk- und Sicherheitsaspekte und IoT-Netzwerkeigenschaften für Komfort- und Sicherheits-Sensor-Applikationen für kommerzielle Gebäude, was durch unabhängige Testhäuser – TÜV Rheinland und VdS – bestätigt wurde.

Funk-Transceiver-ICs können nur dann universell für verschiedene Applikationen eingesetzt werden, wenn sie in einem Top-down-Entwicklungsprozess entworfen wurden. Bein einem Bot- tom-up-Ansatz kennen die IC-Entwickler die Anforderungen der verschiedenen Applikationen nicht und können sie folglich auch gar nicht berücksichtigen (Bild 3). Der IP500-IC und das damit realisierte Funkmodul CNX200 erfüllen die Anforderungen für eine VdS-Konformität. Beide können in Sicherheitsapplikationen, aber auch in einfachen Applikationen eingesetzt werden. Funkmodule ohne VdS-Konformität allerdings können nicht in Sicherheitsapplikationen eingesetzt werden – außer der Hersteller führt in langwierigen Test den Konformitätsnachweis. Letztendlich ergibt sich dann aber durch die Zertifizierung ein proprietäres Funksystem.

IoT-FunkPlattform im BIM-System

Mit der Erkenntnis, dass jede Applikation wichtige und nicht vernachlässigbare Anforderungen an eine Funktechnik hat, kommt es schließlich zum »Showdown«, wenn diese Anforderungen in ein modulares Planer-Tool eingebunden werden sollen, z.B. in das BIM-System. Eine BIM-Software geht dann im Grunde genommen davon aus, dass die Interoperabilität auf den Ebenen Funkkommunikation, Netzwerk und Infrastruktur zwischen den Gewerken und IoT-Produkten gewährleistet ist.
Hat der Planer diese Hürde überwunden, dass alle IoT-Produkte der Gewerke miteinander in einer Infrastruktur vernetzt werden können, weil auch die Gateways optimiert im Gebäude platziert sind, kann er nun das IoT-Netzwerk für das gesamte Gebäude auf dem Reißbrett planen.

 

Ein BIM-System (Bild 4) bietet Planern und Systemintegratoren den Vorteil, dass sie sich wie bei einem Lego-Baukasten ihre Applikationen mit den im Programm hinterlegten Produkten und Gewerken zusammensetzen können. Sie müssen sich dabei nicht mit einer Vielzahl von Gateways auseinandersetzen – was in der Realität nie funktioniert, auch wenn es wünschenswert wäre.

Einbindung der IP500- IoT-Netzwerke in Installations-Tools

Für die Vorabplanung der Applikationen in einer IP500-Infrastruktur als Backbone würde der Planer die entsprechenden BIM-Tools und VDI-Richtlinien nehmen, sodass die Kosten der Installation und die Skalierbarkeit der Netzwerkgröße jederzeit vom Anwender angepasst werden kann.

Installationsrichtlinien wie die VDI 3813 unterstützen derartige Prozesse und bieten einen enormen Vorteil, da die entsprechenden Bausteine der jeweiligen Applikationen, z.B. Licht, HLK, entsprechende IP500-basierende Sensoren – bis hin zur Controller-Ebene – in der Netzwerkplanung vorspezifiziert sind.

Aufgrund der Interoperabilität der IP500-Netzwerke, ist die Planung mit BIM-Programmen sehr effizient möglich. Da der Planer sich nicht mehr mit Gateways oder Performance-Punkten beschäftigen muss, kann er mit einfachen Symbolen und Installationsrichtlinien die Planung auf Basis der Gebäudestruktur durchziehen (Bild 5). Die spezifizierte Symbolik für IoT-Installation umfasst:
Aktor und Sensor haben spezifische Symbole, z.B. »Belegungssensor«
Nutzung spezifischer Funktionsblöcke wie »Belegungssteuerung«

Die Eingabe- und Ausgabeinformationen und die optionalen Parameter sind wie folgt gestaltet:

  • P_ Anwesenheit von Personen, U_ Raumnutzung, L_ Licht; H_ Beleuchtungsstärke
  • AUTO: automatisch, MAN: manuell, ACT: Istwert, SET: Sollwert
  • P-AUTO: Anwesenheit im Raum, automatisch durch einen Sensor erfasst
  • L_MAN: Lichtsteuerung vom manuellen Steuergerät kommend

Selbst Sensoren der Außenanlage werden ins gleiche IP500-Netzwerk und das BMS (Building Management System) eingebunden.

Die Netzplanung auf der Basis der VDI-Richtlinien erleichtert dem Planer seine Aufgabe enorm. Durch die Bausteine und die einfache Verknüpfung von Symbolen lassen sich alle Gewerke eines Gebäudes unter einer IoT-Funkplattform zusammenfassen. Diese Methode ermöglicht auch neue Applikationsvarianten, die vorher nicht adressierbar waren.

Beispiel: Beleuchtung in Bürogebäuden und Parkhäusern – IP500-FunkNetzwerk als IoT-Backbone

Beleuchtung ist eine zentrale und wichtige Applikation in jedem Gebäude – kommerziell, öffentlich oder privat. Die meisten Leuchtsysteme in einem kommerziellen Gebäude werden über ein Protokoll namens DALI (Digital Addressable Lighting Interface) gesteuert. Neben der Versorgungsspannung 230 V oder 110 V wird über ein zweiadriges Buskabel die Leuchte mit Daten versorgt, um sie z.B. ein- und auszuschalten oder zu dimmen. Mit DALI 2 wurde auch die Möglichkeit geschaffen, die Leistungsaufnahme der Leuchten zu übertragen. Diese Installationstechnik gibt es seit Langem und sie kann einfache Lichtfunktionen – Ein, Aus, Dimmen – gut bedienen.

Wenn die Funktionsbandbreite der Leuchten erweitert werden soll, geht das in der klassischen verdrahteten Installationsform nur mit relativ großem Aufwand und ist mit hohen Installationskosten verbunden. Soll die Lichtfunktion erweitert werden, z.B. um die Präsenz oder Anzahl von Personen im einem Raum zu erfassen oder eine dynamische Wegweisung bei Kontrollgängen oder einer Evakuierung in einer Alarmsituation zu realisieren, stoßen die traditionell verkabelten Lichtsteuerungen schnell an ihre Grenzen. Solche smarten Beleuchtungen sind dann nur noch mit der Unterstützung eines sichern Funknetzwerks möglich.

Neuinstallationen auf Basis von LED-Leuchten werden heute, je nach Anspruch des Anwenders, traditionell mit dem DALI-Protokoll verdrahtet installiert. Aber, funkbasierende Lichtinstallationen erfahren immer mehr Zuspruch. Dem Anwender und Planer stellt sich nur die Frage: Welche Funktechnik ist die richtige? Die Nutzung der Funkkommunikation in Leuchten auf der Basis von Zigbee oder Bluetooth Low Energie (BLE) ist bei Konsumgeräten sehr beliebt, weil z.B. die Funkverbindung an ein Smartphone, einen Sprachassistenten oder Tablet-PCs über BLE direkt möglich ist.

Wird diese Frage aus der Systemebene für kommerzielle Gebäude betrachtet, so wird der Entscheider schnell mit den zuvor erwähnten Normen, Regularien und Sicherheitsaspekten, aber auch mit Anforderungen an Robustheit und Reichweiten der Funkkommunikation konfrontiert [1].

Werden Lichtapplikationen, wie es in vielen Fällen mit LED-Leuchten nun passiert, in bestehenden Gebäuden nachträglich installiert, ist der Einsatz einer Funktechnik die bevorzugte Variante, um Steuerungsdaten zu den Leuchten zu übertragen oder von den Sensoren zu empfangen.

Wird ein IP500-Netzwerk als flächendeckende IoT-Funk-Infrastruktur im gesamten Gebäude über das Beleuchtungssystem eingeplant, kann der Planer mit dem BIM-Tool und den Richtlinien der VDI 3813 zusätzliche sicherheitsrelevante Applikationen einbinden, z.B. CO2-Sensoren zur Steuerung der Lüftung oder zur Wegweisung von Sicherheitskräften.

Gerade Parkhäuser (Bild 6) werden immer smarter und sollen zusätzliche sicherheitskritische Mess- und Zustandsdaten nachweisen können. Dabei ist die Messung der Luftqualität und der CO2-Werte ein sehr wichtiger Faktor. Entscheidet sich der Planer oder Installateur dafür, eine IP500-Infrastruktur im LED-Leuchtsystem als Backbone zu installieren, können Sicherheitsprodukte, z.B. CO2-Sensoren, dann ohne hohe Installationskosten an das BMS-Leitsystem oder einen Controller nachträglich (retrofit) eingebunden werden.

Durch die Installation weiterer Applikationen, z.B. Zutrittskontrolle, CO2-Messung, auf der Basis eines sicheren und (VdS-)zertifizierten IP500-Funknetzwerks nach EN-Normen, kann ein Parkhaus eine höhere Sicherheitsstufe erreichen – und das am bestehenden Gebäude und ohne hohe Umbaukosten. Als Nebeneffekt in Sachen Komfort kann dieses Beleuchtungssystem auch – ähnlich wie im Flugzeug – Mensch und Auto den kürzesten Weg zum Parkplatz oder zum Ausgang weisen.

Durch die große Robustheit der IP500-Funkkommunikation in separaten Frequenzbändern, kann ein IP500-Funknetzwerk auch bei großen Flächen in kommerziellen Gebäuden eine sichere Kommunikation garantieren. Wie bereits erwähnt, spielen bei der Entscheidung, eine Funktechnik für derartige Applikationen einzusetzen, Latenzzeit, Datenrate, Sicherheit und Skalierbarkeit eine kritische Rolle. Für Einschaltvorgänge von großflächigen Lichtsystemen, wie es z.B. bei einem Parkhaus der Fall ist, ist eine Latenzzeit von unter ca. 200 ms sehr wichtig, weil für das menschlichen Auge eine Verzögerung ab ca. 200 ms erkennbar ist. Ein Lichtorgeleffekt mit zeitlich verzögertem, sequenziellem Einschalten der Leuchten, der durch ein störanfälliges Funknetzwerk mit hoher Latenz verursacht wird, wird beim Anwender schnell zu Unzufriedenheit führen.

Bild 7 zeigt eine Installation eines Lichtsystems, in Kombination mit dem traditionellen DALI-Protokoll, einer Wi-Fi-Verbindung zur Steuerung und der Nutzerschnittstelle (GUI), z.B. PC oder Smartphone, sowie der Anbindung von Komfort- und Sicherheitsprodukten im sicheren und zertifizierten IP500-IoT-Funknetzwerk.

Da auch IP500, wie der Name schon sagt, das Internetprotokoll unterstützt, ist eine Steuerung von unterschiedlichen Sensoren und Aktoren an einem vorhandenen IP-Netz über die IP500-Infrastruktur möglich. Ein IP500-Netzwerk kann deshalb auch mit kabelgebundenen IT-Systemen verbunden werden. So können auch bereits installierte Sensoren und Aktoren mit den bekannten Protokollen, wie z.B. BACnet, KNX oder Modbus, über das IP500-Netzwerk mit dem BMS verbunden werden.

 

Literatur

[1] Adamski, H. und Gisbrecht, W.: Sichere und zuverlässige Funkvernetzung – Die IoT-Revolution für kommerzielle Gebäude. Elektronik 2020, H. 2, S. 12–18.

 

Die Autoren

 

Patrick Knödler

ist CFO der IP500 Alliance. Er studierte Genetik und Biologie an der TU München und der Albert-Ludwigs-Universität, Freiburg. Nach erfolgreichem Studienabschluss als Diplombiologe gründete er 1995 die Movie Plus Medien, die er bis 2007 leitete. Danach war er bis 2009 als Geschäftsführer der e-group Services tätig. Seit 2011 betreut er als Berater Projekte im In- und Ausland. Im Jahr 2019 hat er die Funktion des CFO bei der IP500 Alliance übernommen.
patrick@ip500alliance.org

 

Frank Konrad

studierte Automatisierungstechnik in Düsseldorf und war als Geschäftsführer bei verschiedenen Herstellern für Kommunikations- und Netzwerktechnik sowie Gebäudetechnik tätig. Als Vertriebsdirektor war er bei einem Hersteller von Lichttechnik für den Export verantwortlich. Konrad hält ein Patent für ein IP-basierendes Kommunikationssystem.
fkonrad_essen@web.de