Warum Smarthome-Protokolle nicht egal sind und warum Insellösungen aus einem Home kein Smart Home machen (können)
Über den Artikel Die 7 wichtigsten Smarthome-Protokolle und warum sie egal sind von Dieter Petereit auf t3n.de bin ich geteilter Meinung: Weder sind Smart Home-(Funk-)Protokolle egal noch "sind wir uns [...] einig, dass es für unsere Zwecke durchaus mehrere Insellösungen geben darf".
Warum eine Konzentration nur auf Funkprotokolle zu kurz greift
Die diskutierten Protokolle sind zwar die populärsten Funkprotokolle, aber nicht notwendigerweise die wichtigsten Protokolle. Funksysteme erlauben zwar eine einfache Nachrüstung , ohne das gesamte Wohnobjekt neu verkabeln zu müssen, einer professionell konzipierten KNX-Lösung mit VdS-zugelassener Alarminstallation und passend ergänzten Funkkomponenten können solche Lösungen aber nicht das Wasser reichen.
Das ist darin begründet, dass Funkprotokolle sich die verwendeten Frequenzen zumeist mit anderen Anwendungen teilen müssen (insbesondere in den Bändern um 868 MHz oder 2.4 GHz) und dass in diesen Bändern daher Regeln gelten, die die Leistung gegenüber leitungsgebundenen Systemen deutlich mindern.
So gilt im 868 MHz-Band (Homematic Bidirectional Communication Standard "BidCoS", Gira/Jung/Steinel/Siedle/Tado eNet, EnOcean oder KNX-RF) eine Begrenzung der Sendezeit jedes Gerätes auf maximal 1% oder 36 Sekunden pro Stunde (sog. Duty Cycle). Geräte dürfen bei Erreichen dieser Grenze nicht weiter senden, bis das Zeitintervall vorüber ist. Senden zwei Geräte gleichzeitig, so kommt es zu sog. Kollisionen, d.h. eine der beiden oder beide Übertragungen werden gestört. Wenn eine erwartete Ausführungsbestätigung in so einem Fall ausbleibt, dann wird nach einer zufälligen sehr kurzen Zeit der Sendevorgang wiederholt. Da es äußerst unwahrscheinlich ist, dass diese Zufallszeit bei beiden Geräten exakt gleich lang ist, werden beide Sendevorgänge kurz hintereinander wiederholt.
Arbeiten Geräte im 2.4 GHz-Band (Bluetooth, Apple Homekit oder Zigbee), so teilen sie sich die Frequenz mit dem meist vorhandenen WLAN. Hier gilt "listen before talk". Geräte müssen also zunächst prüfen, ob nicht gerade ein anderes Gerät auf der gleichen Frequenz sendet, um so Kollisionen und damit Übertragungsstörungen zu vermeiden.
Diese notwendigen Mechanismen für eine funktionierende Nutzung beider Frequenzbänder führen teilweise zu merklichen Latenzen, d.h. Verzögerungen zwischen Befehl und Ausführung. So können z.B. zwischen dem Betätigen eines Schalters und dem Aufleuchten des Lichts Verzögerungen bis in den Sekundenbereich auftreten. Die Verzögerung leitungsgebundener Systeme ist dagegen meist unmerklich.
Bei Systemen mit Duty-Cycle-Beschränkungen kann es zum Stillstand einzelner Geräte oder sogar des gesamten Systems kommen, wenn größere Datenmengen verteilt werden und die Smart Home-Zentrale dadurch ihr Sendelimit erreicht. Zwar wird im Normalbetrieb die Höchstauslastung pro Zeit nicht erreicht, aber bei Systemen mit sicherheitskritischen Komponenten wie Rauchmeldern sollten wie z.B. Softwareupdates entsprechend zeitlich definiert verteilt werden.
Z-Wave hat hier einen theoretischen Vorteil, da dieses Protokoll beide Frequenzbereiche kombinieren kann, d.h. bessere Durchdringung und damit Reichweite insbesondere in Gebäuden im niedrigeren Frequenzbereich und die höhere Bandbreite im höheren Frequenzbereich.
Bei Funksystemen muss man also Latenzen und Zuverlässigkeit, Bandbreite und Reichweite abwägen, wobei die Reichweite in normalen Wohnumgebungen wie einzelnen Wohnungen oder Einfamilienhäusern in der Regel das geringste Problem darstellt. Die Reichweite der Systeme wird typischerweise durch Repeater erreicht, die entweder als eigenständige Geräte die Reichweite des Funknetzes vergrößern oder dadurch, dass jedes Gerät auch gleichzeitig als Repeater dient (bei sog. Mesh-Netzwerken, z.B. Zigbee, EnOcean oder Z-Wave).
Anders als Funkprotokolle sind leitungsgebundene Systeme nicht mit solchen Kompromissen behaftet, daher wird gelegentlich gefrozzelt "Wer Funk kennt nimmt Draht.", wobei sich manche Komponenten wie z.B. Fernbedienungen oder Heizkörperthermostaten nicht sinnvoll per Kabel vernetzen lassen und der Ausspruch daher eher im Sinn von "so viel Draht wie möglich, so wenig Funk wie nötig" verstanden werden sollte.
Auch wenn nicht jeder bereit ist, den typischerweise höheren Aufwand für ein maximal kabelbasiertes System zu akzeptieren, so sollte man bei der Planung eines Smart Homes auch einmal umgekehrt überlegen, wo man Funk vermeiden kann. Hier können - insbesondere in Kellerräumen bei Aufputzverlegung der Leitungen - z.B. BidCoS durch Homematic wired oder eNet durch KNX ergänzt werden, häufig mit unwesentlichem Kostenunterschied aber dafür mit dem Vorteil, dass zumindest ein Teil der Funkaktivität entfällt.
Warum (Funk-)Protokolle nicht egal sind
An dieser Stelle sollten wir uns verabschieden. Wir sollten uns verabschieden von dem Gedanken, dass Protokolle egal sind.
Betrachtet man Smart Home-Systeme insbesondere auf Basis von Homematic, eNet oder Z-Wave, so könnte man zunächst den Eindruck haben, dass es bei guter Planung tatsächlich egal ist, welches Protokoll zum Zug kommt, da es zwar konzeptionelle Unterschiede gibt, die erreichbare Funktionalität am Ende jedoch die gleiche ist.
Allerdings bestimmt die Wahl des Funkprotokolls mehr vor als die technischen Eigenschaften. Bei dem Entwurf eines Smart Homes stellt man schnell fest, dass nicht für jedes Protokoll die gewünschten Geräte angeboten werden.
Zuerst sind einige Protokolle - je nach Geschmack - bereits aus ästhetischen Gründen ungeeignet, wenn man gehobene Ansprüche an das Design der verfügbaren Geräte stellt: Insbesondere einfache WLAN- und Bluetooth-Geräte lassen sich häufig nicht schlüssig in Installationen von Markenherstellern (z.B. Gira, Jung, Busch-Jaeger, Berker, Kopp, oder Merten) integrieren, da sie sich weder von den Abmessungen her noch farblich einfügen.
Dies gilt auch oft für Insellösungen, bei denen für jede funktionelle Gruppe wie Licht, Heizung, Sicherheit etc. unterschiedliche Systeme unverbunden bleiben. Und das gilt ebenso oft für Systeme, bei denen sich eine Vielzahl von Herstellern kombinieren lässt, insbesondere wenn die Komponenten nach und nach angeschafft werden.
Je nach persönlichem Geschmack und Auswahl sieht man solchen Systemen oft an, was sie sind: Heimwerker-Stückwerk. Unterschiedlich gelungene Integrationen des Philips Hue Wireless Dimmer Switches in bestehende Installationen finden sich beispielsweise in diesem Beitrag.
Legt man den Fokus auf unauffälliges Design rund um die Fenster, so liegt EnOcean nahe: So wird z,B. ein Winkhaus Funkkontakt angeboten, der unsichtbar im Rahmen montiert werden kann. Funk-Fenstergriffe wie die Hoppe Secu Signal können den Zustand der Verriegelung (geschlossen/gekippt/offen) melden, ohne dass Drehgriffsensoren in Plastikoptik nicht zu den Fenstergriffen aus Aluminium oder Edelstahl passen wollen. Eine Alternative mit Z-Wave-Protokoll sind die Schellenberg Funk-Sicherheits-Alarmgriffe, die zudem weitere Funktionen wie Erschütterungsdetektion, einen integrierte Alarm und die Messung der Luftfeuchtigkeit bieten.
Wie aus einem Home ein Smart Home wird
Smart Homes sind meistens kein bisschen smart, sondern häufig ausgesprochen primitiv. Zwar bezeichnen Marketingverantwortliche das Ersetzen von Lichtschaltern durch Funkfernbedienungen, Touchscreens oder Sprachsteuerung über vernetzte Lautsprecher (z.B. Amazon Alexa oder Google Home) gerne als smart, solche neumodischen Bedienelemente sind allerdings nur weitere Benutzeroberflächen und das Home ist damit kein bisschen smarter als deren Besitzer.
Auch der Einsatz sogenannter Smart Home-Zentralen (oder -Hubs oder -Gateways) führt selten zu einem Smart Home. Auch bei Festlegung hochkomplexer "Wenn-und-wenn-dann-sonst"-Regeln reicht das Ergebnis meist nicht zu mehr als zu Hausautomatisierung. Wirklich smart sind solche Systeme ebenso wenig wie eine Außenleuchte mit Bewegungsmelder und Dämmerungsschalter. Polemisch gefragt: Ist die Regel "wenn es dunkel ist und Bewegung erkannt ist, dann schalte das Licht für zwei Minuten ein" smart?
Ein Smart Home ist erst dann wirklich smart, wenn das System nicht nur alle Sensorwerte erfasst (Anwesenheit, Bewegung, Licht, Innen- und Außentemperaturen, Fensteröffnungen, Rolladenstände, Windgeschwindigkeit, Regen etc. pp.), sondern auch das Verhalten der Benutzer beobachtet und zusammen mit Prognosen aus weiteren Daten (z.B. voraussichtliche Temperaturen, Wind und Niederschlagsmengen, Sonnenauf- und Untergangszeit, Straßen- oder Bahnverkehrsinformationen) Aktionsvorschläge macht (z.B. Rolläden zur Beschattung hälftig schließt und den Garten beregnet oder fragt, ob es den Wecker früher stellen soll und die Kaffeemaschine ggfs. mit dem neuen Zeitplan synchronisiert) - und dann wiederum aus deren Annahme oder Ablehnung durch die Bewohner "lernt", wie es sich optimal verhält.
Ein perfektes Smart Home braucht keine Bedienelemente mehr, weil es vorausschauend alles so einstellt, wie es sich die Bewohner wünschen.
Zugegeben: Der Stand bei mir zu Hause ist umfangreiche Automatisierung. Aber ein Nvidia Jetson Nano wäre ein prima Nachfolger für den Raspberry pi und eine schöne Basis für weiteren Fortschritt in Richtung eines echten Smart Home mit Machine Learning-Fähigkeiten :-)
Warum Insellösungen aus einem Home kein Smart Home machen (können)
Wenn wie im eingangs zitierten Artikel Sicherheit, Heizung und Licht als Insellösungen getrennt bleiben, dann sind bereits wesentliche Funktionen der Hausautomatisierung unerreichbar. Im einfachen Beispiel:
- Insel 1: Sicherheit; Komponenten: Rauchmelder, Fensteröffnungsmelder,
- Insel 2: Heizung; Komponenten: Heizkörperthermostate
- Insel 3: Licht/Beschattung; Komponenten: Bewegungsmelder, RGB-"Glühbirnen", Rolladenantriebe
Sind die Inseln getrennt, dann kann ein Rauchmelder Alarm aller Rauchmeldern auslösen, und auch bei Öffnung eines Fensters können die Rauchmelder in der Gruppe gemeinsam Alarm in ohrenbetäubender Lautstärke schlagen und so eine Sirene ersetzen. Die Heizkörperthermostate können brav einem vorgegebenen Temperaturprofil folgen, und das Licht wird bei erkannter Bewegung eingeschaltet. Beeindruckend? Eher nicht.
Viele Funktionen der Hausautomatisierung werden erst durch die Verknüpfung der Inseln möglich, hier nur drei Beispiele:
- Verknüpfung 1: Sicherheit-Heizung
- Verknüpfung 2: Sicherheit-Licht
- Verknüpfung 3: Heizung-Licht
Durch die erste Verknüpfung können z.B. die Heizkörperventile beim Öffnen eines Fensters geschlossen und nach dem Schließen des Fensters zunächst 5 Minuten voll geöffnet (um so zügig wieder die Raumtemperatur zu erreichen) und dann wieder so eingestellt werden, dass die Raumtemperatur dem Richtwert entspricht.
Durch die zweite Verknüpfung können z.B. bei nächtlichem Alarm der Rauchmelder alle Leuchten eingeschaltet und gleichzeitig alle Rolläden geöffnet werden, um so Fluchtwege zu beleuchten und freizugeben.
Die dritte Verknüpfung kann durch Blau- oder Rotfärbung des Lichts anzeigen, wenn es in einem Raum zu kalt oder zu warm ist, etwa wenn eine optimale Schlaftemperatur eingehalten werden soll. Nicht umsonst gibt es für das Hue-Beleuchtungssystem die "temparature monitor formula", die genau diese Funktion durch Verknüpfung des Temperatursensors im Bewegungsmelder mit einer entsprechenden Leuchte bietet.
Offensichtlich sind (definitionsgemäß getrennte) Insellösungen nicht einmal geeignet, die Hausautomatisierungsmöglichkeiten auszureizen. Systemfähigkeiten wie Datenzusammenführung, maschinelles Lernen, Empfehlungen und Einbezug der Reaktionen auf zukünftige Vorschläge liegen hier in weiterer Ferne. Folglich ist mit Insellösungen ein echtes Smart Home unerreichbar und die Inseln sollten als Module zu einem System verbunden werden.
Wie Inseln als Teilsysteme in einem System integriert werden können
Da Protokolle nicht egal sind, sollten wir ein Smart Home planen, das auf möglichst wenigen Protokollen basiert, um dann möglichst wenig Aufwand bei den Verbindungen zu haben.
Wie erläutert spricht inhaltlich vieles dafür, die Heizungssteuerung an die Lichtsteuerung und die Sicherheitsüberwachung anzubinden. Das volle Potenzial an Sicherheits- und Komfortgewinn sowie Einsparmöglichkeiten bei Heizung und Stromverbrauch lassen sich überhaupt erst in einem kombinierten System realisieren.
Auch hier wird wieder deutlich, wie wichtig das Basisprotokoll für das gesamte System ist, wenn eine einzige Zentrale zum Einsatz kommen soll, die gleich mehrere Standards verbindet, z.B.
- Homee: Zigbee, Z-Wave, EnOcean (modular)
- Homey: Zigbee, Z-Wave, Bluetooth, WLAN
- AFRISOhome: Zigbee, Z-Wave, EnOcean, wireless M-Bus und WLAN
Alternativ (und von mir bevorzugt) kann man auch verschiedene Systeme dadurch verbinden, dass man die protokollspezifischen Zentralen, Hubs oder Gateways untereinander mit einem Knotenrechner verbindet. Somit werden aus Insellösungen Teilsysteme.
Ein Beispiel hierfür ist ioBroker, der auf einem Raspberry pi installiert wird und für den über 50 passende "Adapter" genannte PlugIns zur Einbindung von anderer Systeme zur Verfügung stehen. Mit ioBroker und der Visualisierungsoberfläche VIS hat man auch ein mächtiges Werkzeug für die Visualisierung und Erstellung einer eigenen Bedienoberfläche auf einem Tablet zur Hand.
Solange es nur um die Erstellung einer eigenen Bedienoberfläche und die Visualisierung geht ,bietet sich auch Mediola an, allerdings braucht ein echtes Smart Home ja bekanntlich keine Knöpfe und Schalter mehr.
Warum Insellösungen nicht sicherer und Portfreigaben unnötig sind
An dieser Stelle sollten wir uns noch einmal verabschieden. Wir sollten uns verabschieden von dem Gedanken, dass Insellösungen sicherer sind. Weder gegen Angriffe noch gegen Ausfälle.
Mehrere Inseln bedeutet mehr Systeme und damit eine höhere Wahrscheinlichkeit für eine kritische Sicherheitslücke. Ein System enthält Fehler, mehr Systeme enthalten mehr Fehler. Insbesondere wenn die Inseln über Portfreigaben im Router im Internet exponiert werden, vergrößert sich dadurch die Angriffsfläche massiv. Schon ein kompromittiertes System kann dabei als Sprungbrett zu weiteren Systemen im Heimnetz genutzt werden, etwa dem Netzlaufwerk (NAS).
Entsprechend wird u.a. vom Bundesamt für die Sicherheit in der Informatonstechnik (BSI) von Portfreigaben abgeraten und stattdessen der Einsatz von VPNs empfohlen, um so von unterwegs "virtuell" im Netz zu Hause zu sein: "Generell empfiehlt das BSI, mit Portfreigaben äußerst sparsam umzugehen. [...] Speziell beim Einsatz von NAS-Webservern und ähnlichen Anwendungen ist es das Beste, auf riskante Port-Freigaben komplett zu verzichten." Solange die Firewall des Routers hält, ist das Smart Home dann auch nicht direkt aus dem Internet erreichbar.
Andere zeitgemäße Konzepte gehen den umgekehrten Weg, bei dem das Smart Home eine gesicherte Verbindung aus dem Heimnetz heraus in die Cloud aufbaut und Funktionen bereitstellt.
Besonders gelungen finde ich hier den Ansatz von HConnect, bei dem ein PlugIn für die Homematic CCUs (Zentralen) nur definierte Funktionen in der Cloud bereitstellt. So kann man z.B. nur die Funktionen in der Cloud zugänglich machen, die man über das Internet oder mit Amazons Alexa steuern will, und die anderen dem Heimnetz vorbehalten (z.B. der elektrischen Türöffner).
Solche Konzepte lassen auch weitere Einschränkungen zu, etwa dass die Heizung zu Hause von Null bis Maximum geregelt werden kann, von unterwegs aber nur ein Bereich von 18 bis 22 Grad einstellbar ist, da die Werte zwischen "Abholung" aus der Cloud und Übernahme als neue Sollwerte geprüft werden können.
Auch die Ausfallsicherheit lässt sich nicht pauschal anhand der Anzahl der Systeme beurteilen. Hier gilt ebenfalls: Ein System enthält Fehler, mehr Systeme enthalten mehr Fehler. Ein gut programmiertes, gut konfiguriertes und regelmäßig aktualisiertes System kann stabiler sein, als mehrere Einzelsysteme, bei denen sich niemand mehr erinnern kann, wie sie genau konfiguriert und wann sie das letzte mal aktualisiert wurden.
Andererseits erlaubt die überlegte - kaskadierte - Kopplung verschiedener Teilsysteme unterschiedliche Grade an Abhängigkeit der Funktionen untereinander:
- Wenn der zentrale Verbinder ausfällt, dann funktionieren einige Automatisierungen, das Dimmen einiger Leuchten und einige Zusatztaster nicht mehr, der Rest läuft separiert weiter.
- Wenn die Hue (Zigbee) Bridge ausfällt, dann funktionieren das Dimmen einiger Leuchten und einige Fernbedienungen nicht mehr, der Rest läuft separiert weiter.
- Wenn HConnect ausfällt, dann nimmt Alexa keine Anweisungen für das Smart Home mehr entgegen.
- Wenn die Homematic CCU ausfällt, dann fahren die Rolläden nicht mehr automatisch auf und ab und das Licht geht bei Alarm der Rauchmelder nicht mehr an. Aber die Rauchmelder bleiben vernetzt wachsam und die Heizungsthermostate führen weiter ihr Programm aus.
- Alle Rauchmelder und Heizungsthermostaten funktionieren autark, alle Lichtschalter auch.
Dass bei Kopplung der Systeme der Ausfall eines Systems den Ausfall eines anderen (noch dazu darunterliegenden) Systems verursacht ("Es reicht ja, wenn die Heizung ausfällt. Da muss es nicht auch noch stockfinster bleiben."), lässt sich also durch Nachdenken und geeignete Umsetzung vermeiden. Analog dazu: Wenn in einem Auto bei einem Ausfall der Heizung das Licht (oder die Bremse) versagen würde, dann wäre das inkompetent konzipiert.
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