Inhaltsverzeichnis

 

1. Vorwort Inhalt

Ein Traum, was dieser Planet alles für Spielzeug anzubieten hat. Sogar so traumhaft, dass damit gleich eine ganze neue Kategorie geboren wird, die der „Heim-Automatisierung“. Doch halt, worum geht es?

Unter der Home-Automation (neudeutsch) oder auch Gebäudeautomatisierung (für die konventionell  orientierten LeserInnen) verstehe ich zunächst einmal alle technischen Hilfsmittel zur Steuerung elektrischer Geräte in einem Gebäude. Plakativ gesprochen ist das nichts anderes als ein Lichtschalter mit Fernbedienung.

Wurden bislang die Bedienelemente (Schalter, Dimmer, etc.) direkt per Leitung mit den Verbrauchern (Lampen, Jalousien, etc.) verbunden und existierte dadurch eine strenge Zuordnung von Schalter zu Verbraucher, so geht man in der Gebäude-Automatisierung dazu über, diese starre Verbindung zu lösen.

Ein Schalter, nennen wir solche Bedienelemente allgemein einmal „Sensoren“, aktiviert nun nicht mehr direkt einen Verbraucher, sondern zeigt seine Bedienung („Umschalten“, „Tastendruck“, „Langer Tastendruck“) zunächst einmal unverbindlich als Nachricht („Telegramm“) an. Die Übertragung Letzterer kann dabei drahtgebunden oder auch auf dem Funkweg erfolgen; verschiedene Systeme und Protokolle existieren, allen voran der selbsternannte Industriestandard KNX/EIB.

Um nun einen Knopfdruck auch verarbeiten zu können, benötigt es mindestens einen Empfänger, in der Regel wird ein solcher dann die Steuerung des Verbrauchers übernehmen. Man nennt diese Komponente „Aktor“. Auch sie gibt es in den unterschiedlichsten Ausführungen an den jeweiligen Einsatzzweck angepasst (Schalter, Dimmer, Heizungsventilantriebe, etc.).

2. Verknüpfungen zwischen Sensor und Aktor Inhalt

Eingangs erwähnt habe ich bereits, dass die starre Verknüpfung zwischen Bedienelement (Sensor) und Aktor nun gelöst werden soll, und wir können das auf drei Arten durchführen.

2.1 Direktverknüpfung Inhalt

Zum einen könnte ein Sensor seinen Bedienzustand direkt an einen oder mehrere Aktoren senden. Dieses Prinzip kennen wir von preiswerteren Baumarkt-Funksteckdosen; die Fernbedienung sendet einen Knopfdruck nur an die mitgelieferten und „angelernten“ Steckdosen. Aber auch professionelle Systeme unterstützen diese Art des Betriebes, wenn etwa nur wenige Komponenten innerhalb eines Bereiches zu verschalten und komplexe programmgesteuerte Abläufe nicht vorgesehen sind.

Nachdem nun kein zentraler Anlaufpunkt existiert, ist diese Art der Steuerung für den Funkkanal prädestiniert. Ein Sensor „bläst“ seinen Wert einfach auf den Funkkanal in den Äther und programmierte Aktoren, natürlich nicht notwendigerweise alle, reagieren entsprechend, z.B. mit Einschalten einer Lampe.

Auf einfache Art und Weise lassen sich so schon eine Reihe Funktionalitäten realisieren, der Eye-Catcher ist in diesem Falle das Herabregeln der Heizung, wenn ein Fenster geöffnet ist. Das Heizungsventil besitzt einen kleinen Motor als Aktor und am Fenster befindet sich ein Kontakt, der das Öffnen meldet.

Nachteilig ist hierbei natürlich, dass das System keine komplexeren Aufgaben zuläßt. Um ein an den Haaren herbeigezogenes Beispiel zu geben, könnte man sich so überlegen, die Heizung nur herabzuregeln, wenn das Fenster offen ist und die Außentemperatur unter 10°C liegt. Das wäre nicht mehr so einfach möglich, nun müßte der Motor schon zwei Signale verarbeiten können, einmal den Fenstersensor und einmal einen Temperaturfühler.

2.2 Zentrale Steuerung Inhalt

Abhilfe lässt sich schaffen, wenn man eine zentrale Steuerung (nennen wir sie „Zentrale“) hinzunimmt. Nun werden sowohl Sensoren wie auch Aktoren direkt an die Zentrale verbunden und interagieren nur mit ihr.

Der Taster in der Wand meldet seine Bedienung somit als Nachricht an die Zentrale; dieser wurde programmiert, welche Aktoren anzusteuern sind, und sie sendet entsprechende Steuerbefehle aus.

Klar erkennen können wir den Vorteil der schier unbegrenzten Möglichkeiten. Beliebige Eingangskanäle lassen sich sogar zeitgesteuert auf beliebige Ausgangskanäle umsetzen, der Kreativität sind die Grenzen nur durch die Rechen- und Speicherkapazität der Steuerung und der Kanalkapazität des Übertragungskanals gesetzt.

Wer einmal einen Windowsrechner sein Eigen nannte, wird auch schnell den wesentlichen Nachteil dieser Lösung erkennen. Fällt die Zentrale einmal aus, verbleibt das schöne gute Haus im Status Quo.

2.3 Ingenieure sind doch nicht doof™ – Hybride Lösung Inhalt

Um dem Dilemma zu entkommen, haben sich die Entwickler nun in einem schieren Kraftakt eine Vereinigung der Vorteile aus beiden Konzepten erdacht. In manchen Systemen ist es möglich, einen Sensor sowohl mit einer Zentrale wie auch direkt mit einem Aktor zu verknüpfen.

Damit kann bei Ausfall der Zentrale der Betrieb zumindest rudimentär aufrechterhalten werden. Zwar sind Programmabläufe nicht mehr verfügbar, aber autark laufende Verknüpfungen funktionieren weiterhin. Wir müssen also beim Absturz von Linux nicht mehr im Dunkeln sitzen bleiben.

3. Sensoren Inhalt

Weiters soll nun kurz beschrieben werden, welche Sensor-Komponenten überhaupt denk- und kaufbar sind im Bereich der Home-Automation; die folgende Liste erhebt natürlich keinen Anspruch auf Vollständigkeit. Auch muß nicht in jedem System jeder der unten genannten Sensoren vorhanden sein; darauf sollte man vor dem Kauf achten, die Systeme sind in der Regel nicht kompatibel.

• Schalter: Melden Ein/Aus
• Taster: Melden Ein, solange sie gedrückt werden
• Türkontakt: Melden Unterbrechung, solange der Magnetkontakt nicht geschlossen ist
• Fensterkontakt: Bessere Sensoren können offen, gekippt und geschlossen melden, z.B. anhand der Stellung des Fensterdrehgriffes
• Klima: Melden Temperatur und Luftfeuchte
• Wetterstation: Vollständige Wetterdaten, wie Licht, Regenmenge, Windrichtung, etc.
• Sicherheit: Alle erdenklichen Meßgrößen, wie Erschütterung, Wasserkontakt, Rauch, etc.
• Handfernbedienung: Genau wie Taster

Um möglichst flexibel in der Anbringung zu bleiben, sind die meisten der Sensoren batteriebetrieben, was insbesondere mit einer Funkschnittstelle eine große Herausforderung darstellt. Zum einen müssen Meßwerte möglichst aktuell und zeitnah übertragen werden, zum anderen soll die Batterie möglichst lange halten.

Wir lösen das, indem wir die Steuerung des Sensors komplett abschalten, wenn nichts zu tun ist. Im Prinzip läuft nur noch ein Zeitmodul, das den Sensor nach einer bestimmten Zeitspanne (z.B. zehn Minuten) aufweckt, dieser dann sein Soll erfüllt und absendet und sich danach wieder vollständig schlafen legt. Das Zeitmodul an sich verbraucht nur einen Bruchteil dessen, was der Sensor im Betrieb verbraucht; die Batterielebensdauer kann so erheblich verlängert werden.

Bei Tastsensoren ist es sogar noch einfacher: diese verbrauchen nichts, wenn keine Taste gedrückt ist.

3.1 Aktoren Inhalt

Auch auf der Aktorseite erleben wir keine großen Überraschungen. Für die vielen Anwendungsfälle gibt es in gängigen Systemen entsprechende Schalt- und Stellglieder:

• Schalter: Schalten Verbraucher Ein / Aus
• Dimmer: Können Lampen in der Helligkeit steuern
• Jalousie: Fahren Lamellenstellung und Abschattung
• Rolladen: Abschattung
• Ventilantriebe: Stellen Heizungsventile auf eine Prozentsatz
• Fenstermotoren: Öffnen und Schließen von Fenstern
• Fußbodenheizung: Steuern Wärmeabgabe

Bei Aktoren gestaltet sich der Stromsparbedarf nicht ganz so kritisch. Die meisten Aktoren sollen große Lasten bedienen und besitzen deswegen einen Anschluß an das 230V Stromnetz. Daraus kann z.B. mit einem kapazitiven Netzteil der geringe Strombedarf für die Elektronik des Aktors bezogen werden.

Eine Ausnahme ist mir allerdings bekannt: Die Ventilantriebe bei Heizungen. Niemand möchte quer durch den Raum Kabel zu seinen Heizkörpern legen; die einzige Lösung ist hier der Batteriebetrieb. Nun verbraucht erstaunlicherweise der Motor an sich mit seinem stark untersetzenden Getriebe nur wenig Strom. Der größte Bedarf entsteht beim Empfangen von Nachrichten für die Stellung des Ventilantriebes.

Deswegen wird in der Regel der Empfänger in den Stellgliedern nur für eine ganz kurze Zeitspanne aktiviert, innerhalb welcher die Steuerung dem Antrieb einen Stellbefehl übermitteln kann. Außerhalb der Zeitspanne liegt der Aktor im Schlafmodus und kann keine Befehle empfangen. Typischerweise liegen die Intervalle bei wenigen Millisekunden Empfangszeit zu mehreren Minuten vollständigem Schlafmodus.

Natürlich erfordert das Vorgehen eine genaue Synchronisation der Zeitintervalle zwischen Sender und Empfänger. Der interessierte Leser kann sich unter dem Stichwort Slotted Mode (beacon-enabled) über die Mechanismen genauer informieren; damit ist eine Synchronisation nach längerer (~Wochen) Inaktivität wieder möglich.

4. Anwendungen Inhalt

Nun, vielleicht macht es ja doch etwas Sinn, wenn man seine Gedanken in Richtung „Anwesenheit“ schweifen läßt. Gesetzt den Fall, es gäbe einen Zustand „Anwesenheit“, der entweder per Knopfdruck beim Verlassen des Hauses oder auch beim Abschließen des Haustürschloßes geändert wird auf meinetwegen „nicht anwesend“, so könnte man nun automatisieren:

• Alle Lichter oder anderweitigen Verbraucher abschalten
• Die Heizungen herunterregeln
• Mittels elektrischen Fenstermotoren diese schließen, aber nur, wenn die Luftfeuchte paßt

Ein weiterer lustiger Fall wäre eine Art „Coming-Home“ Funktion: Ist z.B. das Handy, das seine Position über GSM ermittelt hat, in der Nähe des Anwesens und die Helligkeit geringer als Wert X, so könnte man schon einmal Flur- und Garagenlicht einschalten.

Und mein persönlicher Favourit: Beim Stellen des Weckers am Handy wird ein Programm auf der Steuerung angelegt, das zur Weckzeit + 5 Minuten im Schlafzimmer alle Lampen voll andreht und alle Schalter für 10 Minuten sperrt. Die bleiben also an. Wirkt besser als zwei Eimer kaltes Wasser.

5. Fazit Inhalt

Wir haben gesehen, es lässt sich einiges an „Nice-To-Have“ erdenken, wie das technisch ausschaut, und was wir für Mittel und Wege zum Ziel einschlagen, werden die Artikel in dieser Rubrik so nach und nach preisgeben.