Z-Wave-Funk in der Hausautomation

Stabilität mit minimalen Ressourcen

24. März 2011, 12:46 Uhr   |  Dr. Christian Pätz, Managing Director von Z-Wave Europe

Stabilität mit minimalen Ressourcen

In einem Funknetz zur intelligenten Hausautomation gelten andere Regeln als in herkömmlichen Datennetzen. Die drahtlose Kommunikationstechnik hat dabei eine Reihe von Anforderungen zu erfüllen, damit sie für den Einsatz in einem Home-Control-Netzwerk geeignet ist. Am konkreten Beispiel der Z-Wave-Funktechnik lässt sich aufzeigen, mit welchen Verfahren sich ein stabiles Netz unter den Bedingungen des lizenzfreien 868-MHz-Bands realisieren lässt. Denn Stabilität in der Kommunikation gehört zu den Hauptkriterien drahtloser Gebäudevernetzung.Unter dem Begriff Hausautomation (Home Control) sind im Allgemeinen Maßnahmen und Lösungen zusammengefasst, die einzelne elektrisch betriebene Funktionen im Haus - beispielsweise Licht, Klimaanlagen, Heizungen, Entertainment- oder Sicherheitssysteme - steuern und sinnvoll miteinander verbinden. In Wohnungen, Eigenheimen oder Firmengebäuden lässt sich auf diese Weise der Grad an Komfort und Sicherheit deutlich erhöhen. Darüber hinaus eröffnet sich die Möglichkeit, Energieressourcen wie Gas, Öl oder Strom effizienter einzusetzen. Die Verbindung der einzelnen elektrischen Komponenten kann drahtgebunden oder drahtlos erfolgen. Drahtgebundene Lösungen sind in der Regel sehr zuverlässig, benötigen jedoch eine genaue Planung, um alle notwendigen Leitungen und Kabel in den Wänden eines Hauses während der Bauphase verlegen zu können. Bei Renovierungen oder in Mietwohnungen kommen diese Lösungen daher nur selten zum Einsatz. Aus diesem Grund existiert eine Reihe von drahtlosen Verbindungsprotokollen. Eine drahtlose Kommunikationstechnik hat jedoch eine Reihe von Anforderungen zu erfüllen, damit sie für den Einsatz in einem Hausautomationsnetzwerk geeignet ist: Zuverlässigkeit der Kommunikation: Die Funktechnik steuert wichtige Elemente des Hauses wie zum Beispiel Licht, Heizung oder Jalousien. Ein abgesendetes Funkkommando muss daher sicher beim Empfänger ankommen, worüber der Sender wiederum eine Bestätigung erhalten sollte. Diese Anforderung erfüllen bei Weitem nicht alle Funkprotokolle. Sicherheit in der Kommunikation: Es muss sichergestellt sein, dass unbefugte Dritte - ob bewusst oder unbewusst - die hausinterne Steuerung der Geräte im Heimnetzwerk nicht manipulieren oder stören können. Dafür sorgt in der Regel eine entsprechende Codierung der Funkkommandos. Niedrige Funkabstrahlung: Da die Funktechnik in bewohnten Räumen zum Einsatz kommt, ist aus baubiologischen Gründen auf eine minimale Funkabstrahlung zu achten. Interoperabilität: Bei der Funkvernetzung von Endgeräten in Gebäuden sollten Produkte von Herstellern Verwendung finden, die in ihrem jeweiligen Fachgebiet entsprechende Kompetenzen vorweisen können. Es ist schwer vermittelbar, beispielsweise die Heizungssteuerung von einem Hersteller mit Kompetenz im Lichtbereich zu erwerben, nur um eine einheitliche Steuerungstechnik zu realisieren. Jede verwendete Funktechnik sollte daher unabhängig vom jeweiligen Hersteller einsetzbar sein. Funktechnik erforderlich Am Markt existieren mehrere verschiedene Funkprotokolle, die die oben genannten Anforderungen mehr oder weniger gut erfüllen. Für die Gebäudevernetzung sind jedoch nur die lizenzfrei nutzbaren Funkbänder 868 MHz und 2,4 GHz sinnvoll. Da das 2,4-GHz-Band durch WLAN und Bluetooth bereits stark belegt ist, und diese Geräte mit hohen Leistungen sowie teilweise sehr hoher Bandbreite senden, verwenden alle ernst zu nehmenden Funkprotokolle für die Hausautomation das 868-MHz-Band (ISM: Industry, Science, Medicine). Die Nutzung dieser Frequenzen ist allerdings stark reglementiert. Zum einen beschränkt sich die maximale Sendeleistung auf 10 mW, zum anderen dürfen Geräte nur maximal ein Prozent eines Zeitintervalls senden (Duty Cycle). Dennoch kommt es bei vielen Geräten in diesem Frequenzband zu gegenseitigen Störungen. Aus diesen Gründen sind sowohl Aufbau als auch Betrieb eines stabilen Funknetzes in diesem Frequenzband keine triviale Aufgabe. Die zu sendenden Daten sind zu minimieren - bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung einer stabilen Funkkommunikation. Auf dem besten Weg, diese Herausforderungen zu meistern, ist eine Technik namens Z-Wave. Dabei handelt es sich um einen internationalen De-facto-Standard, der eine auf Funk basierende Gebäudevernetzung beziehungsweise Hausautomation ermöglicht und dabei viele Schwächen bisheriger Systeme ausräumt. Z-Wave ist eine Entwicklung des dänischen Unternehmens Zensys, das 2008 vom Chiphersteller Sigma Designs übernommen wurde. Es handelt sich dabei um ein Funkprotokoll zur Kommunikation zwischen verschiedenen Geräten der Haustechnik wie Lichtschalter, Heizungen, Sensoren oder Türschlösser. Zensys selbst liefert den Kommunikationschip und überlässt das konkrete Design verschiedenen Partnern (OEMs), die den Chip in eigene Produkte integrieren und diese auf den Markt bringen. Bereits 2005 haben sich diese OEMs zur Z-Wave Alliance (www.z-wavealliance.org) zusammengeschlossen, die seither über die Einhaltung und die Weiterentwicklung des Standards wacht. Z-Wave benutzt als Leitungscodierung ein Frequenzmodulationsverfahren und moduliert darauf Signale mit einer Bitrate von 40 kBit/s. Die Funkrahmen verfügen wie üblich über eine Adressierung, die Nutzdaten der Applikation sowie eine acht Bit große Prüfsumme. Die Adressierung in einem Z-Wave-Netz erfolgt mittels einer so genannten Home-ID (auch Netz-ID genannt) und einer Node-ID. Auf eine MAC-Adresse wird verzichtet, um die Länge des Funkrahmens minimal zu halten. Alle Geräte mit der gleichen Home-ID gehören zu einem Netz und lassen sich innerhalb dessen anhand ihrer Node-ID unterschieden. Damit können innerhalb eines Raumes mehrere Netze parallel arbeiten, die sich gegenseitig nicht beeinflussen. Um ein Gerät in einem Netz zu nutzen, ist diesem Gerät daher eine Home-ID und zusätzlich eine eindeutige Node-ID zuzuweisen. Dieser Vorhang heißt bei Z-Wave "Inclusion" und wird durch einen Netzwerkorganisator (Primär-Controller) durchgeführt. Das erste Gerät eines Netzes ist immer der Primär-Controller, der andere Geräte durch Zuweisung der eigenen Home-ID in das eigene Netz inkludiert. Die Umkehroperation, das Entfernen eines Geräte aus einem Netz durch Löschen der Home-ID und gegebenenfalls der Node-ID, heißt Exclusion. Kommunikation im Netz Dieses Verfahren hat im Vergleich zu den bei Ethernet verwendeten MAC-Adressen Vor- und Nachteile. So ist das Zuweisen einer gemeinsamen Home-ID zur Unterscheidung verschiedener Netze innerhalb eines Funkraums vergleichsweise einfach und entlastet die einzelnen Geräte, beispielsweise Listen mit MAC-Adressen der anderen Geräte zu pflegen. Die acht Bit große Node-ID limitiert allerdings die adressierbaren Knoten auf 256. In der Praxis lassen sich maximal 232 Geräte adressieren, da einige Adressen für netzinterne Administration und Multicast nötig sind. Einen Problempunkt stellt die Zuweisung der Node-IDs durch ein einziges zentrales Gerät - den Primär-Controller - dar: Wird dieser resettet und verliert er seine Netzinformationen, kann es beim nachfolgenden Netzaufbau zu Doppeltvergaben der jeweiligen IDs kommen. Das Resultat sind Fehlfunktionen im Netz, wenn zwei unterschiedliche Geräte mit der gleichen Home-ID auch die gleiche Node-ID besitzen. Z-Wave hat dieses Problem erst jüngst entschärft, indem bei einem Reset eines Primär-Controllers dieser jedes Mal ein Netz mit einer neuen zufällig gewählten Home-ID aufbaut. Damit werden zwar im alten Netz bereits vergebene Node-IDs ebenfalls neu vergeben - jedoch mit einer neuen Home-ID, wodurch sich Kollisionen vermeiden lassen. Sicherung der Kommunikation Ein sehr wirksames Verfahren zur Vermeidung von Kommunikationsproblemen in Funknetzen ist die Vermaschung. Dabei leitet jedes Gerät Nachrichten von anderen Geräten weiter, die selbst nicht unmittelbar zum gewünschten Kommunikationspartner funken können. Auf diese Weise lässt sich zum einen die Funkreichweite eines Netzes erheblich vergrößern, zum anderen entstehen alternative Ausbreitungswege, falls der direkte Weg zum Ziel versperrt ist. Das an sich einfache Verfahren birgt bei der praktischen Umsetzung diverse Herausforderungen. In einem IP-Netz, in dem Router die Weiterleitung von Daten sicherstellen, passen geeignete Protokolle wie OSPF diese Routen dynamisch den Gegebenheiten im Netz an. Gerade dieses dynamische Umschalten von Kommunikationsrouten stellt einen der Gründe für die erstaunliche Robustheit des Internets dar. Der Preis für dieses dynamische Routing ist jedoch ein erheblicher Kommunikations-Overhead, der in einem Funknetz zur Hausautomation - zumal im regulierten 868-MHz-Band - nicht akzeptabel wäre.Z-Wave verwendet daher statisches Source Routing. Dies bedeutet, dass alle denkbaren Routen im Netz beim Sender hinterlegt sind. Das heißt, dass schon vor dem Senden eine konkrete Route gewählt und entsprechend kodiert wird. Nur für den Fall, dass diese Kommunikation nicht erfolgreich ist, kommt eine alternative Route zum Zug. Geräte, die mittels Z-Wave-Technik senden, versuchen immer zuerst den Empfänger auf direktem Wege per Funk zu erreichen. Schlägt dies nach drei Versuchen immer noch fehl, berechnet der Sender anhand der Informationen über das Netz alternative Routen, um auf anderem Weg eine Kommunikation aufzubauen. Erst wenn alle Verbindungsversuche scheitern, geht eine Meldung über die fehlgeschlagene Kommunikation an die Applikation und damit an den Anwender. Management der Routing-Tabellen Die Information über die Gegebenheiten im Funknetz werden regelmäßig aktualisiert, indem der Primär-Controller alle Geräte des Netzes auffordert, ihre "sichtbaren" Nachbargeräte zu ermitteln und diese Informationen an ihn zurückzusenden. Die Summe dieser Nachbarschaftsbeziehungen ergibt eine Tabelle, anhand derer sich dann entsprechende Routen berechnen lassen. Das Sammeln und Speichern von Routen benötigt zusätzlichen Speicher und Rechenaufwand. Um die Kosten für die Mehrzahl der Geräte zu minimieren, werden diese kompletten Routing-Tabellen daher nicht in allen Geräten gespeichert. Um den Kommunikations-Overhead so gering wie möglich zu halten und gleichzeitig den Entwurf von sehr preisgünstigen Endgeräten zu ermöglichen, nutzt Z-Wave die beiden folgenden technischen Ansätze: Zum einen speichern nur so genannte Controller die gesamte Routing-Tabelle. Dies sind Geräte, die von sich aus im Netz Funktionen ausführen. Beispiele für Controller sind Fernbedienungen oder IP- Gateways. Alle anderen Geräte speichern nur den Anteil der Routing-Tabelle, der für ihre konkrete Kommunikation unbedingt notwendig ist. Um diesen Geräten eine einfache Aktualisierung der Routing-Tabelle zu ermöglichen ist zum anderen in einem modernen Z-Wave-Netz immer ein Controller mit der Aufgabe betraut, stellvertretend für alle anderen Controller eine korrekte aktuelle Routing-Tabelle zu speichern. Alle anderen Knoten, inklusive der anderen Controller, kennen diesen speziellen Controller ("Static Update Controller") und erfragen dort bei Bedarf eine aktuelle Routing-Tabelle. Selbstverständlich müssen sie dann über mindestens eine gültige Route zu diesem Update-Controller verfügen. Fazit Gebäudevernetzung lässt sich speziell in bereits bestehenden Gebäuden nur durch Funkkommunikation sinnvoll realisieren. Moderne Hausautomationslösungen funktionieren schon mit minimalem Ressourceneinsatz auch in einem stark unsicheren Funknetz. Verfahren des Internets wie dynamisches Routing oder die Adressierung durch MAC-Adressen oder sehr lange eindeutige Adressen (IPv6) sind in einer solchen Umgebung nicht optimal geeignet. Daher müssen spezielle an die Gegebenheiten des Funkkanals angepasste Verfahren zum Einsatz kommen.

Durch die Vermaschungstechnik (Mesh Networking) können Z-Wave-Endgeräte auch dann miteinander kommunizieren, wenn kein direkter Mit der Z-Wave-Funktechnik lassen sich in der Hausautomation unterschiedlichste Endgeräte in eine gemeinsame Steuerungs- und Übe LANline.

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