Funkstandards für das Smart Home Alexa, mach das Licht aus!

Inzwischen sind im smarten Zuhause zahlreiche Haushaltsgeräte mit anderen Geräten und dem Internet vernetzt. Bernd Hantsche, Bereichsleiter Embedded&Wireless bei Rutronik, gibt einen Überblick über die hierfür relevanten Funkstandards.

Lampen gehörten zu den ersten smarten Geräten. Heute lassen sie sich nicht mehr nur per Lichtschalter oder Smartphone bedienen, sondern werden auch von Rauchmeldern, Schlafweckern, Überwachungskameras und VPAs (Virtual Private Assistants), beispielsweise Alexa, Google Now, Bixby, Cortana und Siri gesteuert. Hierfür sind diese Systeme meist im Internet über Schnittstellen der jeweiligen Hersteller-Cloud verbunden. Amazon nennt diese Schnittstellen für seinen Alexa-Dienst „Skills“. Damit kann ein Radiowecker nicht nur über das WiFi-Netz die Weckmusik aus dem Internet beziehen, sondern auch über seinen Skill Alexa mitteilen, dass sie das Licht im Schlafzimmer einschalten soll.

Machen den Lichtschalter obsolet: Zigbee- und WLAN-Anbindungen

Die Kommunikation zwischen VPA und Leuchtmittel geschieht meist über ein ZigBee-WLAN-Gateway oder direkt per WiFi. »WiFi-Leuchtmittel kommen also ohne ein Extra-Gerät für die Kommunikation aus und verbinden sich direkt mit dem heimischen WiFi-Router. Der Standby-Stromverbrauch ist jedoch verhältnismäßig hoch und es wird zusätzlicher Datenverkehr im WLAN-Netz generiert – das kann bei hochtechnisierten Haushalten durchaus ein Thema sein«, weiß Bernd Hantsche, Rutronik.

Bekannte Hersteller wie Osram, Philips und Ikea setzen hingegen auf das ZigBee-Light-Link-Protokoll. Es verbraucht weniger Strom als eine WiFi-Anbindung und belastet das WiFi-Netz nicht mit Datendurchsatz. »Im Vergleich zu Funktechnologien wie ANT oder Bluetooth 5 ist der Stromverbrauch allerdings immer noch recht hoch. Außerdem belegt ein ZigBee-Netzwerk zusätzliche 5 MHz im knappen 2,4-GHz-Frequenzband. Das kann durchaus ein ganzes WiFi-Netzwerk verlangsamen und kurzzeitig sogar lahmlegen«, ergänzt Bernd Hantsche. Das 2,4-GHz-Band verkraftet entweder drei parallel betriebene WiFi-Netzwerke oder 16 parallele ZigBee-Netzwerke oder eine Mischung aus beiden, zum Beispiel zwei WiFi- und fünf ZigBee-Netze. Sind zu viele Netzwerke vorhanden, kommt es zu Frequenzüberschneidungen und somit zum Leistungseinbruch.

IPv6 für das IoT: das Thread-Protokoll

Seit Kurzem hält zudem das Thread-Protokoll in immer mehr Smart-Home-Anwendungen Einzug. Hinter dem IPv6-basierten Protokoll steht ein Konsortium aus einer ganzen Reihe von großen Technikkonzernen. Durch die Unterstützung des Internetprotokolls Version 6 (IPv6) bietet Thread viele Vorteile gegenüber proprietären, lokal beschränkten Adressierungen. Auch für die Anwendungsprofile stehen gleich mehrere Allianzen bereit, unter anderem sogar die ZigBee-Allianz mit ihrer Dotdot-Lösung, einer Art universeller Sprache für das Internet, deren Sprache und Applikationsschicht sich auch mit WiFi, Bluetooth, Ethernet und NB-IoT (Narrowband-IoT) einsetzen lassen. Bernd Hantsche empfiehlt deshalb je nach Produkt zweigleisige Lösungen: »Wenn der Radiowecker zukünftig auch Rollläden oder die Kaffeemaschine von anderen Anbietern ansteuern können soll, sollte man neben ZigBee auch gleich Thread integrieren«.

Bluetooth und ANT für energieeffiziente Anwendungen

Doch es gibt noch mehr Technologien, die sich als Smart-Home-Enabler positionieren. So hat die Bluetooth Special Interest Group mit Bluetooth 5 neue Betriebsmodi eingeführt, die speziell für Smart-Home-Anwendungen interessant sind: Mit einem 2-Mbit/s-Modus lassen sich Videosignale übertragen, beispielsweise von einem Türspion oder von der Kamera eines Staubsaugroboters. Ein 500-kbit/s- und ein 125-kbit/s-Modus erlauben mit einer Anhebung der Sendeleistung und einer längeren Codierung der einzelnen Bits die Überbrückung von mehreren hundert Metern durch jeden Garten und mehrere Wände. Im Gegensatz zu den auf IEEE 802.15.4 basierenden Technologien wie ZigBee und Thread ist Bluetooth 5 bereits in aktuellen Smart­phones verfügbar und hat damit eine gute Ausgangsbasis.