Smart home-systemer har brug for en radioforbindelse til trådløst netværk af enheder. Der er dog ikke kun én, men mange forskellige radiostandarder til hjemmeautomatisering. Vi forklarer her, hvorfor dette er tilfældet, og hvad det betyder for designet af det smarte hjem.
ZigBee & Co.: Hvad du bør vide om Smart Home trådløse standarder
- Den trådløse forbindelse i det smarte hjem skal transmittere data sikkert og hurtigt med lavt energiforbrug.
- WLAN tilbyder en høj transmissionshastighed, men kræver meget energi, hvorfor den trådløse standard ikke er fanget i smarte hjem.
- Batteridrevne sensorer, der sender små mængder data, bruger for det meste økonomiske protokoller som ZigBee, Z-Wave eller EnOcean, som ligesom WLAN er frit tilgængelige for alle producenter.
- Ud over åbne radiostandarder er der også private, såsom Homematic IP, der tilhører et firma. Enhederne er derefter kun kompatible i dit eget smart home-system eller med systemer, der blev udviklet af producenten. Disse radiostandarder kaldes også "proprietære".
Hvorfor er radiostandarder vigtige?
Enhver, der desperat har prøvet at surfe på Internettet midt i skoven eller på motorvejen ved, hvor vigtige stabile radioforbindelser er. Det samme gælder for smart home-enheder, der skal kunne udveksle information med hinanden i huset uden interferens. For ligesom smartphones kommunikerer radiobaserede smart home-systemer ved hjælp af elektromagnetiske bølger.
Radiostandarder som ZigBee, Z-Wave, WLAN eller EnOcean er generelt baseret på modulering af radio og mikrobølger, som hører til den lavfrekvente del af det elektromagnetiske spektrum. Bølgen ændres, så den kan transportere information (billeder, sprog, musik, tekst). I Tyskland udsteder Federal Network Agency frekvenser til radiotrafik. Mange protokoller inden for smart hjemradio bruger enten det såkaldte ISM-bånd (Industrial, Scientific and Medical Band) mellem 2,4 og 2,5 GHz eller SRD-båndet (Short Range Device) mellem 863 og 870 MHz.
De trådløse standarder for det smarte hjem strækker sig mellem radiobølger og infrarød.
For at kunne styre smart home-enheder med smarttelefonen eller tabletten skal smart home-radiofrekvensen oversættes til et WLAN-signal. Derfor kræver de fleste smart home-systemer en radiobro (også gateway eller kontrolcenter). Den er tilsluttet WLAN-routeren derhjemme.
Hvordan adskiller ZigBee, Z-Wave, WLAN & Co.
Trådløse forbindelser skal overføre data sikkert, hurtigt og uden interferens. Kravene ændres dog afhængigt af anvendelsesområdet. Med videokonferencesystemer skal de for eksempel transportere enorme mængder data. Temperatur- eller bevægelsessensorer i smarte hjem sender derimod kun små datapakker. Her skal den trådløse standard primært fungere økonomisk, så batterierne holder så længe som muligt.
Båndbredde
En radiostandard bruger et bestemt frekvensområde. Båndbredden viser afstanden mellem den øvre og nedre frekvens i dette interval. For eksempel bruger de fleste trådløse routere et frekvensområde fra 2,4 til 2,4835 GHz. I dette tilfælde er båndbredden 83,5 MHz. Jo større båndbredde, jo flere data kan overføres.
kanaler
For at undgå interferens skal der være et hul mellem den ene kanal og den næste. For WLAN-netværk i 2,4 GHz-frekvensbåndet er der fire ikke-overlappende kanaler til rådighed med en kanalbredde på 20 MHz og en afstand på 5 MHz.
Transmissionshastighed Transmissionshastigheden
er meget vigtig i trådløst internet. Af denne grund har WLAN etableret sig som den trådløse standard for laptops, pc'er og smartphones. Routere med standard Wifi 5 (802.11 ac) styrer op til 1.300 Mbit / s. Det er nok til at streame serier komfortabelt. Z-Wave Smart Home trådløs standard kommer ind på 9,6 Kbit / s i sammenligning. Det er nok til at sende kommandoer mellem switche og sensorer.
Høje transmissionshastigheder er nødvendige for videochats. WLAN er meget velegnet som radiostandard her.
Range
Producenter angiver ofte rækkevidden i det fri for en trådløs forbindelse. I lukkede rum bremser forhindringer imidlertid transmissionen af elektromagnetiske bølger. Letvægtskonstruktionselementer lavet af gipsplader, vægge med stålelementer og vandrør forstyrrer især radiotransmission. WLAN har en teoretisk rækkevidde på 300 meter - i praksis falder imidlertid signalniveauet efter blot et par meter. Frekvensen af radiosignalet er også afgørende: jo højere, jo lavere rækkevidde.
Sikkerhedsstandard
Trådløs transmission er især tilbøjelig til datatyveri. Af denne grund har alle trådløse standarder i Smart Home trådløs en sikkerhedsprotokol, der krypterer dataene. Ikke desto mindre er ingen trådløs standard 100 procent sikker fra hackerangreb. Læs vores artikel om dette: Hvor sikkert er et smart hjem?
Hvorfor ikke bruge WiFi til alle smart home-enheder med det samme?
95 procent af alle tyskere har en internetforbindelse, de fleste med en WLAN-router. Så hvorfor ikke bruge WLAN som standard for smart home-systemer? Der er flere grunde til dette:
Højt energiforbrug
Sammenlignet med andre trådløse forbindelser har WLAN en høj transmissionshastighed. Dette betyder også, at WiFi-enheder bruger meget energi. Dette er især ufordelagtigt for batteridrevne enheder. Den høje båndbredde og den høje hastighed er ikke påkrævet for små sensorer, der kun sender korte beskeder.
Overlapning
Frem for alt i lejlighedsbygninger opstår interferens, når for mange enheder i tilstødende WLAN-netværk bruger 2,4 GHz-frekvensområdet.
Begrænset rækkevidde
Signalinterferens fra andre enheder, der bruger det samme frekvensbånd, reducerer også radiolinkets rækkevidde.
Hvad er forskellen mellem åbne og beskyttede trådløse standarder?
- Med åbne radiostandarder som ZigBee og Bluetooth er teknologien frit tilgængelig for alle producenter. Ofte udvikler flere virksomheder protokollerne i en paraplyorganisation. Fordelen er et højt niveau af kompatibilitet, selv med forskellige smart home-systemer. Homee er et godt eksempel på et helt åbent smart home-system, som alle enheder, der bruger åbne radiostandarder, kan tilsluttes.
- Med proprietære (lukkede) radiostandarder som Homematic IP udvikler en producent sin egen protokol. Dette sikrer større sikkerhed under datatransmission. Smart home-enhederne kan kun tilsluttes enheder fra samme producent. Denne forhindring kan omgåes med passende kompatibilitet ved hjælp af "lim-apps" såsom IFTTT eller Alexa-appen.
- I tilfælde af åbne radiostandarder er protokollens kode open source. Dette betyder, at enhver producent kan foretage ændringer. Enheder med samme radiostandard er derfor ikke nødvendigvis kompatible med hinanden. Da mange producenter ønsker, at deres produkter skal kunne forankres til så mange forskellige systemer som muligt, er kompatibilitet sandsynligvis.
Smart hjemme radio standarder i sammenligning
|
Maks. |
Rækkevidden- |
frekvens |
Energi |
Ansøgning |
Fabrikant |
|
|---|---|---|---|---|---|---|
|
TRÅDLØS INTERNETTILGANG |
1.000-1.300 |
50 m |
2,4-2,48 GHz |
høj |
Trådløst |
Belkin WeMo DLink Tado Google Home Netatmo ring |
|
Bluetooth 5.0 |
1-3 Mbit / s |
10 m |
2,40-2,48 MHz |
lav |
Smart home-enheder | |
|
ZigBee |
250 kbit / s |
10-15 m |
2,4 GHz |
lav |
Bygning |
Philips Hue Ikea Tradfri Osram Xiaomi Samsung Homee Smart Home |
|
Z-Wave |
9,6-40 Kbit / s |
30 m |
868 MHz |
lav |
Bygning |
Fibaro Honeywell Neo Samsung SmartThings Homee Devolo Merten |
|
EnOcean |
125 kbit / s |
30 m |
868 MHz |
meget lav |
Temperatursensorer |
Siemens Mediola Homee Smart Home Somfy Wago |
|
Homematisk |
9,6 kbit / s |
20-30 m |
868-869,52 MHz |
lav |
Energistyring |
HomeMatic Max! Qivicon / Magenta Innogy |
|
DectULE |
1,1 Mbit / s |
30-50 m |
1,89-1,90 MHz |
lav |
Bygning |
Magenta Smart Home AVM Gigaset |
Radiostandarder: et overblik over fordele og ulemper
1. WLAN
Allerede i 1970'erne var der forsøg på at opfinde radiolink til hurtig datatransmission. I 1971 forbandt ALOHAnet-netværket syv computere på fire forskellige hawaiiske øer ved hjælp af Aloha-radioprotokollen. IEEE 802.11 radioprotokollen, som bruges overalt i dag, har eksisteret siden 1997. To år senere blev WiFi Alliance oprettet med det formål at certificere WLAN-enheder og videreudvikle teknologien.
Rings smarte dørklokke kommunikerer med en Alexa-enhed via WiFi.
funktionalitet
- Nuværende WiFi-netværk er baseret på radiostandarderne IEEE-802.11n og 802.11ac (WiFi 4 og WiFi 5).
- De teoretiske overførselshastigheder er 600 Mbit / s eller 1500 Mbit / s. I praksis er datahastigheden dog lavere, fordi mange routere ikke kan modtage flere datastrømme parallelt.
- WLAN-routere bruger 2,4 GHz-frekvensbåndet med fire ikke-overlappende kanaler, nyere modeller bruger også 5 GHz-frekvensbåndet med 19 kanaler.
fordele
- helt sikkert
- høj overførselshastighed
ulempe
- energikrævende
- Hyppig interferens på grund af det høje antal brugere, især i 2,4 GHZ-båndet
- i 5 GHz lavere område på grund af den høje frekvens
Applikationer
På trods af sin sult efter energi spiller WLAN-radiostandarden en vigtig rolle i oprettelsen af et smart hjem:
- i kommunikation mellem Smart Home Hub og router
- til enheder såsom smart-tv og kameraer, der transmitterer store mængder data (videoer)
Smart home-systemer med WLAN
- Belkin WeMo
- D-Link
- Tado
- Google Home
- Netatmo Smart Home
- Ring (smarte videodørklokker)
2. Bluetooth lavenergi (BLE, 5.0)
I 1998 udviklede Ericsson, Nokia, IBM, Toshiba og Intel Bluetooth-standarden. I 1999 offentliggjorde Bluetooth Special Interest Group (BT SIG) specifikationerne for den første Bluetooth-protokol. I de efterfølgende år blev Bluetooth en af de vigtigste radiostandarder til trådløs transmission mellem mobiltelefoner og pc'er eller til Bluetooth-hovedtelefoner. Fra version 4.0 og fremefter bruger den betydeligt mindre energi, deraf navnet Low Energy (Bluetooth LE).
På grund af den korte rækkevidde er Bluetooth mindre egnet til det smarte hjem. Radiostandarden er mere velegnet til at lytte til musik via trådløse hovedtelefoner.
Funktionalitet
Den trådløse Bluetooth-standard bruger f.eks. Trådløst ISM-bånd 2,402 til 2,480 GHz.
- Senderenheden (master) synkroniseres med modtagerenheden (slave). Begge enheder skal godkende forbindelsen til dette.
- Afsender og modtager opretter en punkt-til-punkt-forbindelse i et såkaldt pico-netværk. Hver enhed har en 48-bit adresse, der identificerer den.
- Senderen skifter frekvens inden for frekvensbåndet 1.600 gange i sekundet (frekvenshoppeproces). Modtageren undersøger signaler fra senderen hvert 2. sekund, indtil forbindelsen er oprettet.
fordele
- meget udbredt, og dermed høj kompatibilitet
- lav energi
ulempe
- Kort rækkevidde
- dårlig stabilitet
Anvendelser
Inden for hjemmeautomatisering og sikkerhed er det kun få producenter, der stoler på Bluetooth, men det er en af de førende trådløse standarder for wearables og underholdningselektronik. Nyttige applikationer i området smart hjem inkluderer elektroniske dørlåse eller smarte garageportåbnere.
3. ZigBee
I 2002 grundlagde forskellige virksomheder ZigBee Alliance. Radiostandarden er beregnet til at muliggøre datatransmission i netværk med lave datamængder og minimalt energiforbrug. I de følgende år etablerede ZigBee sig som den førende teknologi inden for industriel automatisering, især til styring af afbrydere og sensorer.
ZigBee er forudbestemt til det smarte hjem på grund af dets lave modtagelighed for fiasko. Philips Hue er blandt andet baseret på ZigBee som et smart lys.
funktionalitet
- Ligesom Bluetooth bruger ZigBee IEEE-standarden 802.15.4 og udvider protokollen med tre lag.
- I et mesh-netværk modtager de enkelte smarte hjem-enheder ikke nødvendigvis kun beskeder fra den centrale gateway. Hver enhed bliver meget mere af en netværksnode og kan videresende oplysninger. For eksempel kommunikerer lamper og temperatursensorer, der er forbundet til hubben, også med hinanden.
- Hvis navet svigter, modtager lampen stadig kommandoen "Fortsæt lampe" fra temperatursensoren. I store lejligheder og huse med flere værelser fungerer forbindelsen normalt uden indblanding på trods af væggene.
Applikationer
Smart home-enheder i hjemmeautomatisering såsom smart opvarmningskontrol, vindue- og dørsensorer eller lys bruger ZigBee mest.
fordele
- lavt energiforbrug
- lav modtagelighed for svigt
- høj distribution, derfor et stort udvalg af producenter
ulempe
- ingen
Smart home-systemer med ZigBee
- Philips Hue
- Ikea Tradfri
- Osram
- Xiaomi
- Samsung SmartThings
- Homee Smart Home
- Bosch
4. Z-Wave
I 1999 udviklede det danske firma Zensys Z-Wave radiostandarden som en beskyttet teknologi. I 2005 grundlagde forskellige producenter Z-Wave Alliance, som har medlemmer som Huawei og Fibaro. Teknologivirksomheden “Silicon Labs” ejer nu rettighederne til teknologien. I slutningen af 2019 meddelte Silicon Labs, at de ville gøre Z-Wave til en åben trådløs standard.
Z-Wave er meget populær hos producenter af smarte hjemmeapparater. Den smarte sensor fra Fibaro måler bevægelse, temperatur og lys og er baseret på Z-Wave som den trådløse standard.
funktionalitet
- Dataene transmitteres i 868 MHz frekvensområdet med en frekvensforskydning på 20 kHz.
- Z-Wave-enheder danner et netværk, der har et unikt ID. Hver enhed inden for netværket har et ID, der er defineret i den indbyggede chip.
- Som med ZigBee kommunikerer enhederne med hinanden i et mesh-netværk, svarende til mesh-repeatere. Det trådløse netværk kører jævnere jo flere el-drevne enheder er integreret i det smarte hjem.
- Modtageren skal anerkende hver besked.
fordele
- Lav interferens takket være brugen af 868 MHz frekvensbånd
- lavt energiforbrug
- høj distribution, derfor et stort udvalg af producenter
- op til 232 enheder kan forbindes sammen
ulempe
- lav overførselshastighed, men tilstrækkelig til små sensorer
Smart home-systemer med Z-Wave
- Fibaro
- Honeywell
- Neo
- Samsung SmartThings
- Homee Smart Home
- Devolo
- Merten
- Vivint Smart Home
5. EnOcean
I 2001 grundlagde Siemens EnOcean GmbH med det formål at udvikle en protokol til trådløs kommunikation i industrien. EnOcean Alliance, der blev grundlagt i 2008, omfatter over 400 virksomheder, herunder Honeywell, IBM og Microsoft.
Enocean-enheder genererer deres egne strømbehov blot ved at trykke på en knap. Smart Home fra Homee er en måde at bruge den trådløse standard på.
Sådan fungerer
det EnOcean trådløse standard bruger princippet om energihøstning. Sensorerne har ikke brug for batteri.
- En energiomformer genererer elektricitet fra en bevægelse, f.eks. Ved at trykke på en lyskontakt.
- Mini-solceller drives for eksempel af elektricitet fra lyskilder.
- Peltier-elementer genererer elektricitet gennem temperaturforskelle, f.eks. Mellem radiatoren og miljøet. En temperaturforskel på to grader er nok.
fordele
- næsten intet energiforbrug
ulempe
- kun egnet til små sensorer og små datamængder
Applikationer
Den meget lave energiradiostandard bruges af smart home-enheder, der sender korte beskeder eller kommandoer. Disse er:
- Bevægelsessensorer eller bevægelsesdetektorer
- Temperatursensorer
- CO2 sensorer
Smart home-systemer med EnOcean
- Siemens
- Mediola
- Homee Smart Home
- Somfy
- Wago
- Eltako (sikkerhedsteknologi)
- NodOn (bevægelsesdetektor)
6. Homematisk IP (BidCoS)
Bag Homematic IP-mærket er den proprietære radiostandard BidCoS (Bidirectional Communication Standard). Opfinderen er det tyske teknologivirksomhed eQ-3, der blev grundlagt i 2007, og som bruger sin Homematic IP-standard til sine egne smart home-systemer (Max!, Homematic), men også gør den tilgængelig for sine samarbejdspartnere Innogy og Qivicon. Qivicon er en stor smart home-platform, der f.eks. Også er grundlaget for Qivicon / Magenta SmartHome.
Homematic IP er en proprietær radio, enhederne fungerer gennem samarbejde, men også med Magenta og Innogy.
funktionalitet
- BidCoS er en tovejs protokol. Dette betyder, at modtageren altid skal anerkende en besked.
- Radiostandarden transmitterer dataene med AES-godkendelse og 128 bit kryptering.
fordele
- høj sikkerhed
ulempe
- ikke kompatibel med andre smart home-systemer (undtagen samarbejdspartnere)
Smart home-systemer med Homematic IP / BidCoS
- HomeMatic
- Max!
- Qivicon / Magenta SmartHome
- Innogy
7. Dect ULE
DECT-radiostandarden (til digital forbedret trådløs kommunikation) spredte sig så tidligt som i 1990'erne med fremkomsten af trådløse telefoner. Ultra Low Energy (ULE) -varianten af DECT-protokollen er optimeret til lavt energiforbrug.
Dect Ule-enheder kan styres direkte via Fritz! Box. For eksempel smart-stikket fra AVM.
funktionalitet
- DECT ULE står ikke for en enkelt protokol, men for mange protokoller fra forskellige producenter i båndet 1.890-1.900 MHz.
- For at kommunikere med hinanden har smart home-enheder, der bruger DECT ULE-protokollen, brug for en gateway som et center for indgående og udgående meddelelser.
Anvendelse
Radiostandarden bruges ikke kun til telefoner og routere, men også til smarte lamper og sensorer.
fordele
- Lav interferens takket være sit eget frekvensbånd
ulempe
- brugt relativt sjældent
Smart home-systemer med Dect ULE
- Magenta Smart Home (Telekom)
- AVM (Fritz! Box)
- Gigaset Elements Smart Home
Kombinerer forskellige standarder
Åbent designede smart home-systemer giver mulighed for at kombinere forskellige trådløse standarder. En bred vifte af smart home-standarder er integreret i kontrolcentre for systemer som Magenta eller Homee.
“Klæbende apps” som IFTTT, iHaus, Apple HomeKit, Google Assistant eller Amazon Alexa fungerer også som en bro mellem smart home-enheder med forskellige trådløse standarder. I princippet evalueres information fra forskellige apps i en central app. For eksempel sender D-Link-sensoren et hørbart signal, når Arlo-sensoren registrerer bevægelse. Forudsætningen er, at de enkelte enheder er kompatible med den valgte klæbeapp.
KNX-RF: Udvid bussystemet med radioenheder
I tilfælde af nye bygninger eller en efterfølgende installation af et smart hjem i en gammel bygning kan ejere overveje, om de vil implementere smart home-styringen via kabelinstallation i stedet for radio. Enten kan strømkablet bruges som et forbindelseselement (powerline-system) eller et separat bussystem, der kører som en anden linje ved siden af strømledningen (KNX-systemet). KNX-bussen muliggør integration af smart home-enheder fra forskellige producenter og kan kombineres med Powerline og Ethernet.
For KNX-systemet findes der nu også en hybridløsning bestående af kablede og radiobaserede enheder, der kan styres via den samme brugergrænseflade. Dette er f.eks. Nyttigt at udvide et kablet smarthus med yderligere funktioner. Den relevante radiostandard kaldes KNX-RF. Et rent trådløst smarthus kan også implementeres ved hjælp af denne teknologi, som det også er muligt med de trådløse standarder i sammenligningen ovenfor. Men da forbindelsen og programmeringen er relativt kompleks, er KNX-RF mere rettet mod KNX-specialister og ejere, der ønsker at kombinere KNX og KNX-RF.
