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Dezentrale Heimautomatisierung (DHA)

In diesem Wiki wird die Forschung einiger Professoren an der Hochschule Hannover zum Thema Dezentrale Heimautomatisierung beschrieben. Auf Basis der hier veröffentlichten Details werden an der Hochschule seit dem Jahre 2014 Labore durchgeführt und Bachelor/Master-Arbeiten betreut.

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Allgemein
Software

Das (große) Ziel

Im Rahmen dieses Open-Source-Projektes entstehen Bausteine für ein "intelligentes" Haus. Dabei ist es möglich, schon mit sehr geringem (finanziellem) Aufwand gute Erfolge zu verbuchen. Unabhängig von den bereits verbauten Komponenten ist auch eine beliebige Erweiterung oder der Austausch von Geräten möglich.

Es geht dabei allerdings um weit mehr, als die einfache Steuerung von Hausgeräten über ein Handy/Smartphone oder eine Spracheingabe. Das intelligente Haus soll sich verhalten wie ein perfekter Butler. Es soll die Wünsche seiner Bewohner erfüllen, ohne dass diese immer von ihnen kommuniziert werden müssen. Das sind mitunter so einfache Lösungen wie ein Bewegungsmelder, der das Licht einschaltet, sobald jemand einen Raum betritt. Das intelligente Haus würde das Licht aber auch nur dann wieder ausschalten, wenn der Raum tatsächlich verlassen wird, und nicht automatisch nach einer festgelegten Zeit. Oder gibt es Ausnahmen? Wie ist das im Schlafzimmer? Darf man hier annehmen, dass der Bewohner schlafen will, wenn er sich eine längere Zeit nicht bewegt und ist das Löschen des Lichtes nach einer geeigneten Wartezeit richtig? Kann das nicht von der Tageszeit abhängig gemacht werden? Und sind da zwei Menschen im Schlafzimmer, die sich unterhalten, dann soll vielleicht das Licht an bleiben. Und wie erkennt das intelligente Haus, dass jemand im Bett liest und dafür das Licht benötigt? Und was ist, wenn er sich im Schlaf herumwälzt? Dann darf das Licht nicht angehen.

Dieses einfache Beispiel der Lichtsteuerung macht deutlich, dass an die Geräte in einem intelligenten Haus deutlich höhere Ansprüche gestellt werden, als bei einer Fernbedienung über ein Handy oder eine Spracheingabe. Natürlich ist das anfangs eine tolle Sache, wie ein Dirigent durch das Haus zu schreiten und die installierten Geräte per Zuruf oder Handyberührung nach der eigenen Pfeife tanzen zu lassen. Aber wenn man nur ein wenig in die Zukunft schaut, wird man schnell erkennen, dass diese Art der Fernbedienung im Alltag wenig Vorteile bringt. Schließlich bedient man als Bewohner immer noch das Haus (die Geräte) und ist weit davon entfernt, sich in seinen täglichen Handlungen vom Haus automatisch unterstützen zu lassen. Die Frage ist: Was würden wir von einem perfekten Butler erwarten? Den wollen wir uns schaffen.

Warum dezentral?

Stellen wir uns einmal bei der heutigen Situation in der Stromversorgung folgende Frage: Was ist besser, die Erzeugung von Strom mit einigen wenigen sehr leistungsstarken Kraftwerken (zentral) oder mit vielen kleinen Kraftwerken in den einzelnen Häusern (dezentral)?

Unabhängig von den Vor- und Nachteilen des jeweiligen Konzeptes, konnten wir diese Fragestellung vor nicht allzu langer Zeit gar nicht praxisrelevant diskutieren, weil es die Möglichkeit für eine dezentrale Energieversorgung nicht gab. Erst die moderne Photovoltaik mit der Massenproduktion von Solarzellen liefert geeignete Kleinkraftwerke für einzelne Häuser.

Ähnlich verhält es sich mit den elektronischen Geräten für die Heimautomatisierung. Bis vor einigen Jahren war das Konzept der zentralen Steuerung mit einem leistungsfähigen Computer und daran angeschlossenen, mehr oder weniger einfachen Sensoren und Aktuatoren, konkurrenzlos. Doch mittlerweile werden Mikrocontroller mit hoher Leistungsfähigkeit (32 Bit, 512 kByte Flash, Takt > 10 MHz) und Netzwerkanschluss (Ethernet, WLAN, etc.) für weniger als 10.- € angeboten. Dazu passende Mini-Schaltnetzteile für weniger als 5.- € ermöglichen die Versorgung direkt aus dem 230 V Hausnetz. Damit können Sensoren und Aktuatoren als komplette Module (ggf. als SoC, System on Chip) preiswert mit hoher "Intelligenz" angeboten werden. Die bislang nur in der Zentrale verfügbare hohe Rechenleistung ist auf einmal auch direkt im Gerät verfügbar. In der Summe über alle Geräte betrachtet, entsteht eine höhere Gesamtleistung, als sie in einem Zentralcomputer zu akzeptablen Preisen zur Verfügung gestellt werden kann.

Allerdings gibt es wenig oder keine Erfahrung mit dezentral arbeitenden Automatisierungssystemen. In der Forschung sind sie unter dem Stichwort Multiagentensysteme hier und da ausprobiert worden, allerdings waren die installierten Kommunikationstechnologien eher an den zentral gesteuerten Systemen orientiert, was nach Meinung des Autors eine starke Einschränkung darstellt. Der Autor ist hier in den letzten Jahren in mehreren Forschungsprojekten (im Rahmen von ZIM-Projekten mit seiner Firma MFP GmbH) einen anderen Weg gegangen und hat für dezentrale Automatisierungssysteme die Rundrufkommunikation (Broadcast) getestet. Dabei wurde festgestellt, dass derart gestaltete Systeme folgende Vorteile haben:

Jeder weiß Alles

Jedes Gerät sendet zyklisch seinen Zustand und seine Beobachtungen per Rundruf an alle anderen Geräte. Dadurch kann jedes Gerät für eine Entscheidung (z.B. Licht AN/AUS) die Zustände und Beobachtungen aller anderen Geräte berücksichtigen.

Nehmen wir an, dass in den Räumen unseres intelligenten Hauses RFID-Leser installiert sind, die anhand einfacher Aufkleber (RFID-Tag) die Position eines mobilen Gegenstandes im Haus detektieren und diese Information ebenfalls zyklisch per Rundruf versenden. Der Aktuator, der unsere Schlafzimmerlampe betätigt, lauscht auf die Rundrufe des Bewegungsmelders und die des RFID-Lesers. Er stellt fest, dass der Bewohner das Schlafzimmer betreten hatte, jetzt bewegungslos ist, und dass ein Buch im Raum (von Nachttisch zur Bettmitte) bewegt wurde. Er entscheidet, das Licht angeschaltet zu lassen, bis das Buch wieder zum Nachttisch bewegt wurde (plus Wartezeit).

Es werden also die Zustände und Beobachtungen von 2 Geräten (RFID-Leser und Bewegungsmelder) ausgewertet, um eine Entscheidung für das Schalten des Lichtes herbeizuführen. Das kann man auch auf beliebig viele für eine Entscheidung auszuwertende Zustände und Beobachtungen übertragen.

Anmerkung: Dieses Beispiel wurde gewählt, weil die damit verbundenen Abläufe leicht verständlich sind. Ob es hinsichtlich der Wirkung des Hauses als perfekter Butler sinnvoll ist, wurde nicht betrachtet. Es gibt viele Bereiche, wo der Bewohner ein Gerät gerne direkt bedienen würde (Lichtschalter, Spracheingabe, etc.). Diese Möglichkeit steht ihm grundsätzlich offen, auch wenn das intelligente Haus dafür bestimmte Szenarien voraussetzt. Die Entscheidung trifft schließlich der Aktuator.

Hohe Ausfallsicherheit

Was ist, wenn in einem zentral gesteuerten System die Zentrale ausfällt? Das ist der größte anzunehmende Unfall (GAU), denn das Haus ist technisch tot. Es geht wirklich gar nichts mehr.

Was ist, wenn in einem dezentral gesteuerten System ein beliebiges Gerät ausfällt? Dann ist nur der funktionale Pfad betroffen, für den dieses Gerät maßgeblich ist. Also der automatisierte Betrieb des Garagentors hat keinen Einfluss auf die Heizung, das Licht oder andere funktionale Pfade.

Erzeugung von Schwarmintelligenz

Ein Bewegungsmelder allein kann nicht erkennen, ob ein Mensch den Raum betritt oder verlässt. Er erkennt lediglich, dass sich jemand in seinem Erfassungsbereich bewegt. Zwei Bewegungsmelder, einer im Schlafzimmer und einer auf dem Flur vor dem Schlafzimmer, können gemeinsam erkennen, ob jemand das Schlafzimmer betritt oder verlässt. Dazu lauschen sie gegenseitig auf ihre Zustände und Beobachtungen und erweitern ihr Informationsangebot im Rundruf um den Bewegungsvorgang des Bewohners.

Aktuatoren können beim Belauschen der Bewegungsmelder nun auch das Betreten und Verlassen von Räumen erkennen und ihre Entscheidungen zum Schalten davon abhängig machen.

Implizite Modularität

Die Rundruftechnik ist eine sog. verbindungslose Kommunikation. Das bedeutet, der Ablauf ist nicht vom Vorhandensein bzw. Verhalten eines Kommunikationspartners abhängig. Das führt bei der Gestaltung eines Gerätes automatisch dazu, sich Gedanken um ein autarkes Verhalten zu machen. Die Folge ist eine stark modularisierte Betrachtungsweise. Man entwickelt ein Gerät so, dass es für sich, ohne das Vorhandensein eines anderen Gerätes, funktioniert. Betrachtet man die gesamte Software, die für ein derart gestaltetes intelligentes Haus entwickelt wird, so besteht diese aus vielen, voneinander unabhängigen, gerätespezifischen Projekten.

Hohe Sicherheit gegen Angriffe

In einem zentral gesteuerten Automatisierungssystem werden die Entscheidungen zum Betätigen der Aktuatoren in einer einzelnen Steuerung getroffen. Gelingt eine Übernahme der Steuerung durch einen Angreifer, so ist das gesamte Haus seiner Willkür ausgeliefert. Er kann beliebigen Unsinn erzeugen, auch gefährliche Dinge, wie das Öffnen aller Türen oder den Maximalbetrieb einer Heizung.

Eine weitere Angriffsmöglichkeit ist die direkte Bedienung der Aktuatoren an der Zentrale vorbei, also das Einschleusen von Steuerbefehlen für die Aktuatoren in das Kommunikationsnetzwerk.

Bei einem dezentralen Automatisierungssystem werden die Entscheidungen zum Betätigen eines Aktuators beim Aktuator selbst getroffen. Seine Algorithmen werten in der Regel die über das Kommunikationsnetz aktiven Sensoren und die Zustände der anderen Aktuatoren aus. Mitunter hat ein Aktuator auch noch direkt angeschlossenen Sensoren. Ein Angriff auf einen Aktuator kann daher in einem dezentralen System nur indirekt erfolgen, indem die Signale, die der Aktuator für seine Entscheidung auswertet, manipuliert werden. Beliebig in das Kommunikationsnetzwerk eingespeiste Sensorsignale würden aber zunächst Widersprüche zu den dort aktiven Sensorsignalen hervorrufen, worauf der Aktuator durch spezielle Sicherungsmaßnahmen reagiert.

Bei der DHA sind allerdings auch direkte Manipulationen des Aktuators über seine Wartungsschnittstelle möglich. Diese ist allerdings speziell abgesichert und kann nicht ohne Wissen der Bewohner benutzt werden.

Geringe Kommunikationslast

Viele Kommunikationsprotokolle und Netzwerke sind auf bestimmte Szenarien zugeschnitten und sind deshalb dafür auch am besten geeignet. Es macht daher wenig Sinn, Kommunikationsprotokolle im Allgemeinen zu vergleichen, es sollte immer eine Anwendung als Grundlage herangezogen werden. Bei der dezentralen Heimautomatisierung ist die Grundlage das Konzept der maximalen Transparenz (Jeder weiß Alles). Dazu ist es erforderlich, dass eine Information an alle N Teilnehmer der Heimautomatisierung gesendet wird. Es ist unmittelbar einsichtig, dass dafür beim Rundruf nur ein Telegramm benötigt wird, bei den üblichen Punkt-zu-Punkt-Verbindungen hingegen N Telegramme. Damit wäre die Kommunikationslast hier nur 1/N der eines herkömmlichen Netzwerkes.

Allerdings darf man nicht vergessen, dass Rundrufe eine unbestätigte Kommunikation darstellen, der Absender also nicht weiß, ob seine Botschaft bei den Empfängern angekommen ist. Insbesondere bei den zur Zeit üblichen WLAN-Verbindungen kommt es (je nach eingesetzter Hardware) zu vergleichsweise häufigen Telegrammverlusten. Nicht zuletzt deswegen werden bei der DHA die Zustände und Beobachtungen zyklisch übertragen.

Um die Netzwerkbelastung in der DHA darzustellen, kann man mit einigen Vereinfachungen eine Berechnung durchführen. Dazu berechnen wir einmal die Anzahl der Geräte, die in einem Netzwerk mit angegebenem Datendurchsatz maximal verwendet werden können. Zunächst folgende Vorgaben:

Anzahl der Bits je Byte (Zeichen) nB = 10 bit/byte Anlehnung an UART-Zeichen
Übertragungsgeschwindigkeit des Netzwerkes vN = 100 Mbit/s typisches Ethernet
Wirkungsgrad des Netzwerkes η = 0,1 (10%) ohne Telegrammverluste
Zykluszeit für Rundrufe (jedes Gerät) tC = 1 s mittlerer Wert
Anzahl von Bytes (Zeichen) je Rundruf nC = 100 byte maximaler Wert
Anzahl der Teilnehmer nT ohne Netzwerkbeschränkung

Der Bedarf an zu übertragenden Bits je Sekunde ist: nTnCnB / tC
Das setzen wir gleich der nutzbaren Übertragungsgeschwindigkeit ηvN und lösen anschließend nach der Anzahl der Teilnehmer auf.

Mit den Angaben aus der Tabelle oben ergibt sich die maximale Anzahl der Teilnehmer zu:
nT = ηvN / (nCnB / tC) = ηvNtC / (nCnB) = 0.1 ⋅ 100 Mbit/s ⋅ 1 s / (100 byte ⋅ 10 bit/byte) = 10.000

Diese Zahl macht deutlich, dass ein typisches LAN für eine maximale Anzahl von 254 Teilnehmern in einem sog. kleinen Netzwerk erhebliche Reserven hat. Es wäre ein Netzwerkauslastung von 254 / 10.000 = 2,54 % zu erwarten. Es bleiben also genug Reserven, um den Telegrammverlusten im WLAN durch höhere Wiederholraten zu begegnen.

Dezentral = Gegen den Trend?

Wer sich in das Thema Heimautomatisierung einliest, wird zunächst von der Vielfalt unterschiedlicher Konzepte, Geräte und Netzwerke erschlagen. Das ist für einen verbreiteten Einsatz der Heimautomatisierung sehr hinderlich und führt, zumindest im privaten Bereich, zu einem Investitionsstau. Ein Wettbewerb über einsetzbare Geräte kommt nicht zustande, was sich oft in sehr hohen Preisen niederschlägt. Zwar bieten Baumärkte und Elektronikdistributoren inzwischen preiswerte Komplettanlagen, aber das sind Insellösungen, die einerseits über eine proprietäre Zentrale gesteuert werden und andererseits keine Möglichkeit zum Mischen oder Austauschen von Geräten unterschiedlicher Hersteller bieten.

Der Kunde wird über "traumhafte" Möglichkeiten verführt, ein bestimmtes System anzuschaffen und ist damit auch an die Eigenschaften genau dieses Systems gebunden. Zunehmend werden Steuerzentralen sogar als Dienstleistung außer Haus in sogenannten Clouds im Internet angeboten oder zumindest können sie aus dem World-Wide-Web bedient werden. Wenn wir das als "den Trend" ansehen, dann ist das hier vorgestellte Konzept einer dezentralen Heimautomatisierung tatsächlich gegen den Trend gerichtet.

Weiter unten wird noch gezeigt, dass zentral gesteuerte Anlagenteile durchaus als Modul einer insgesamt dezentral organisierten Heimautomatisierung eingesetzt werden können und sollen. Das ist auch eine Migration, bei der bereits existierende Teile in ein neues Konzept integriert werden. Und Zugänge über das Internet werden nicht ausgeschlossen, sind hier aber dem Gesamtkonzept der dezentralen Anwendung und ihrer spezifischen Sicherheitsstruktur untergeordnet.

Merkmale der dezentralen Heimautomatisierung

Die hier vorgestellte dezentrale Heimautomatisierung soll nach Möglichkeit dem Konzept des "Open Source" folgen und viele Interessenten gewinnen und zur Mitarbeit anregen. Dafür werden einige inhaltliche Richtlinien festgelegt, die die Zusammenarbeit vieler Entwickler an einer großen Aufgabe ermöglichen.

Autarke Komponenten

Die Komponenten (Geräte) der dezentralen Heimautomatisierung werden nach Sensoren und Aktuatoren unterschieden. Diese sind autark und können bestimmte Aufgaben allein, ohne die Mitwirkung anderer Geräte, ausführen. Sie sind sogenannte Agenten und haben einen oder mehrere Aufträge, die sie entweder allein oder im Zusammenspiel mit anderen Agenten ausführen.

Rundrufkommunikation

Alle wichtigen Informationen werden von den einzelnen Komponenten grundsätzlich als Rundruf ins Netzwerk gestellt. Das heißt, eine Information steht grundsätzlich allen (daran interessierten) Komponenten zur Verfügung. Dabei können beliebige geeignete Netzwerke (LAN, Funk, Power-Line, etc. mit Rundrufmöglichkeit) miteinander kombiniert werden (heterogene Struktur).

Offene Kommunikation

Die per Rundruf versendeten Informationen werden als Telegramme hier definiert und beschrieben. Sie werden unverschlüsselt übertragen (soweit nicht eine automatische Verschlüsselung durch das verwendete Netzwerk, z.B. bei WLAN, erfolgt). Die Sicherheit des Gesamtsystems basiert auf speziellen Maßnahmen (siehe unten).

Zustandsmaschinen

Die Komponenten der dezentralen Heimautomatisierung werden als Zustandsmaschinen gestaltet. Die einzelnen Zustände werden in diesem Wiki (ggf. im Gerätehandbuch) beschrieben. Der Zustand einer Komponente wird zyklisch (mit einer dem Informationsinhalt entsprechenden Zykluszeit) per Rundruf versendet. Damit kann jedes Gerät ermitteln, in welchem Zustand sich alle anderen Geräte befinden.

Entscheidungsträger

In zentral gesteuerten Anlagen wird in der Zentrale die Entscheidung zur Auslösung eines Aktuators getroffen. Bei der dezentralen Heimautomatisierung macht das der Aktuator selbst. Das heißt, ein Aktuator (z.B. eine Lampe, ein Türöffner oder ein Heizungsregler) entscheidet aufgrund seines Zustandes und der Informationen, die er per Rundruf von den anderen Geräten erhält (ggf. erhalten hat = Historie), ob er sein Stellglied betätigt (Licht An/Aus, Tür Auf/Zu, Heizkörper Öffnen/Drosseln).

Dieser Ansatz schließt nicht aus, dass es für ein Gerät eine spezifische Wartungskomponente gibt, auf deren Zustand der Aktuator unmittelbar reagiert.

Sicherheitskonzept

Auf der Verlagerung der Entscheidung in den Aktuator beruht auch das Sicherheitskonzept bei der dezentralen Heimautomatisierung. Der Aktuator trifft seine Entscheidung zur Auslösung seines Stellgliedes aufgrund vieler Kriterien. Dazu gehört auch die Plausibilität, Zuverlässigkeit und Authentizität der Informationen, die er über Rundruf empfangen hat. Das schließt nicht aus, dass er dafür mit weiteren speziellen Sicherheitskomponenten zusammenarbeitet.

Es geht bei diesem Sicherheitskonzept darum, einerseits die Kommunikation absolut offen zu halten und andererseits gezielte Manipulationen durch fremde Komponenten zu unterbinden.

Softwareentwicklung

Bei der Entwicklung von Programmen (Software) werden zwei grundsätzlich unterschiedliche Bereiche betrachtet:

  • Die Entwicklung von Software für die Geräte (hier als Firmware bezeichnet) von den Geräteherstellern und
  • die Entwicklung von Software für die Anpassung der Heimautomatisierung an individuelle Vorstellungen der Bewohner.

Im Rahmen dieses Projektes liegt der Schwerpunkt bei der Entwicklung von Firmware auf beispielhafter Hardware (Entwicklungs-Boards für verschiedene Mikrocontroller). Dazu werden an der Fakultät für Elektro- und Informationstechnik der Hochschule Hannover Bachelor- und Masterarbeiten betreut und ein Mikrocontroller-Labor als Wahlpflichtveranstaltung in der Vertiefungsrichtung Elektronik angeboten.

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