Von ANT bis Zigbee, die wichtigsten Funkstandards im Smart Home

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Intelligente Geräte erobern das Smart Home. Neben der Vernetzung mit dem Internet steht die Verknüpfung der Geräte untereinander im Fokus. Hierfür empfehlen sich verschiedene Funkstandards.

Immer mehr Geräte im Smart Home vernetzen sich nicht nur mit dem Internet, sondern auch untereinander. So lassen sich Rollos, Klimaanlage oder Lampen nicht nur via Smartphone steuern, sondern auch über Virtual Private Assistants (VPA) wie Alexa, Siri, Google Assistant, Bixby oder Cortana und anderen Geräten wie Rauchmeldern, Schlafweckern oder Überwachungskameras.

Geräte und VPA kommunizieren über ZigBee oder WiFi

Alle verknüpften Geräte bilden ein System, das üblicherweise über Schnittstellen der Herstellerclouds verbunden ist. Über diese Schnittstellen kann etwa ein Radiowecker via WiFi-Netz morgens die Musik zum Aufwecken aus dem Internet empfangen und Alexa ein Signal schicken, das Licht im Schlafzimmer langsam heller werden zu lassen.

Dabei läuft die Kommunikation zwischen VPA und Leuchtmittel meist über ein ZigBee-WLAN-Gateway oder direkt per WiFi. Der Vorteil dieser Lösung ist, dass WiFi-Leuchtmittel kein extra Gerät für die Kommunikation benötigen, sondern sich direkt mit dem heimischen WiFi-Router verbinden. Nachteile sind ein verhältnismäßig hoher Stand-by-Stromverbrauch und zusätzlicher Datenverkehr im WLAN-Netz. Das kann bei sehr smarten Haushalten dazu führen, dass die verfügbare Datenrate nicht mehr ausreicht.

Deshalb setzen einige Hersteller auf das ZigBee-Light-Link-Protokoll. Es verbraucht weniger Strom als eine WiFi-Anbindung und belastet das WiFi-Netz nicht mit Datendurchsatz. Im Vergleich zu Funktechnologien wie ANT oder Bluetooth 5 ist der Stromverbrauch allerdings immer noch recht hoch. Zudem belegt ein ZigBee-Netzwerk 5 MHz im 80 MHz breiten 2,4-GHz-Frequenzband. Dieses verkraftet parallel entweder drei WiFi-Netzwerke oder 16 ZigBee-Netzwerke sowie Kombinationen aus beiden, etwa zwei WiFi- und fünf ZigBee-Netze. Bei zu vielen Netzwerken kommt es zu Frequenzüberschneidungen und somit zum Leistungseinbruch; kurzzeitig kann das Netz sogar komplett zum Erliegen kommen.

Thread, IPv6-gestütztes Protokoll für das Heim

Das Thread-Protokoll findet sich seit kurzem in immer mehr Smart-Home-Anwendungen. Da es das Internetprotokoll Version 6 (IPv6) unterstützt, bietet es viele Vorteile gegenüber proprietären, lokal beschränkten Adressierungen. Hinter dem Protokoll steht die Thread Group, eine Non-Profit-Organisation mit einer ganzen Reihe von großen Technikunternehmen als Mitglieder.

Für die Anwendungsprofile stehen gleich mehrere Allianzen bereit, darunter die ZigBee-Allianz mit ihrer Dotdot-Lösung. Dabei handelt es sich um eine Art universeller Sprache für das Internet. Wenn der Radiowecker herstellerübergreifend Geräte ansteuern können soll – etwa auch das Frühstücksfernsehen auf dem TV-Gerät einschalten soll – empfiehlt es sich, auch gleich das Thread-Protokoll zu integrieren, um zukünftige Interoperabilität zumindest von den hardwaretechnischen Voraussetzungen gewährleisten zu können.

Bluetooth, direkter Gerätezugriff via Smartphone

Mit Bluetooth 5 hat auch die Bluetooth Special Interest Group Betriebsmodi eingeführt, die für Smart-Home-Anwendungen interessant sind: Mit dem 2-Mbps-Modus lassen sich Videosignale übertragen, etwa von der Kamera eines Roboterrasenmähers oder der Türüberwachung. Ein 500-kbps- und ein 125-kbps-Modus erlauben eine erhöhte Sendeleistung und ermöglichen eine längere Codierung der einzelnen Bits, so dass sich einige hundert Meter und durch mehrere Wände hindurch funken lässt. Im Gegensatz zu den auf IEEE802.15.4 basierenden Technologien wie ZigBee und Thread ist Bluetooth 5 bereits in aktuellen Smartphones verfügbar und bietet sich somit auch zur direkten Smartphone-Anbindung an.

Eine Ergänzung zu Bluetooth 5 ist ab Bluetooth 4.0 das Protokoll Bluetooth Mesh 1.0 als Zwischenebene, um große Netze mit vielen Geräten zu unterstützen. Auch für dieses Bluetooth-Protokoll sprechen vor allem die Smartphone-Kompatibilität, ein recht niedriger Stromverbrauch und dank gefluteter anstatt gerouteter Maschenstruktur eine sehr geringe Latenzzeit.

Das ANT-Protokoll aktiviert Geräte im optimalen Moment

Soll es noch einen Schritt weiter gehen, wird der Radiowecker nicht nur die Musik aufdrehen und das Licht einschalten, sondern er wird dies im optimalen Moment tun. Den ermittelt er mit Hilfe von Smartwatch oder Fitnesstracker, die durch Puls- und Bewegungserfassung die Schlafphase des Trägers kennen.

Damit der Wecker Zugriff auf diese Geräte hat, braucht er das ANT-Protokoll. Denn das hat sich bei derartigen Geräten etabliert, nur wenige Ausnahmen arbeiten mit Bluetooth. Grund dafür ist, dass ANT die ultimativ sparsamste Funktechnik für Sensoren im näheren Umfeld ist – und damit perfekt für alle Anwendungen, die mit Knopfzellen oder ähnlich kleinen Energiespeichern über Monate und Jahre hinweg ohne eine Aufladung oder Batteriewechsel betrieben werden können.

EnOcean erfordert keine Energiespeicher

Noch energiefreundlicher ist nur der Sub-GHz-Standard EnOcean. Das Protokoll ist zwar nicht so effizient wie ANT, aber dank der patentierten Energy-Harvesting-Erweiterungen zur Nutzung von kinetischer Energie beim Betätigen von Schaltern, Solarenergie oder thermischer Energiedifferenz, ist es mit EnOcean-Funktechnik möglich, gänzlich ohne separaten Energiespeicher auszukommen. EnOcean-Schalter finden sich beispielweise bereits in Fertighäusern der Firma WeberHaus. Ein vorhandener Lichtschalter kann damit auch verwendet werden, um dem Radiowecker mitzuteilen, dass man nun ins Bett geht und ein Einschlaftimer gestartet werden soll.

NFC, viele Geräte einfach via Smartphone einrichten

Wenn ein Gerät über all diese Funktechnologien verfügt, ist es jedoch nicht gerade nutzerfreundlich. Denn der Endverbraucher muss alle Verbindungen zu seinen Geräten und Systemen einrichten. Near Field Communication (NFC) schafft Abhilfe: der Endkunde muss jedes Gerät, das verbunden werden soll, auf dem Smartphone nur ein Mal berühren, um die Netze einzurichten.

Gängige Funkstandards, integriert im SoC nRF52840

Entwickler stehen damit vor der Aufgabe, alle diese Funkstandards in die Anwendung zu integrieren. Mit dem System-on-Chip (SoC) nRF52840 von Nordic Semiconductor ist das denkbar einfach: Die All-in-One-Lösung hat nicht nur einen leistungsstarken Mikrocontroller mit Funkeinheiten für ZigBee, Thread, Bluetooth 5, Bluetooth Mesh, ANT und NFC, sondern auch eine USB-Schnittstelle. Hinzu kommen A/D-Wandler für die Auswertung weiterer Sensoren, für die Verschlüsselung der Datenübertragung und zur Absicherung von Speicherbereichen.

Dabei ist das SoC kaum teurer als eine reine ZigBee-Lösung. Kern des nRF52840 ist ein 32-Bit-Prozessor ARM Cortex-M4F mit 64 MHz. Sein On-Chip-Speicher (1 MB Flash und 256 kB RAM) bietet genügend Platz für mehrere Funkprotokolle. Zudem bietet das SoC eine hochauflösende RSSI-Messung und Funktionen wie EasyDMA, die die Prozessorlast reduzieren und den Speicherdirektzugriff ermöglichen. Für geringen Energiebedarf haben alle peripheren Komponenten ein Clock- und Powermanagement. Dieses schaltet die Komponenten ab, wenn sie nicht benötigt werden. Für Sicherheit sorgt der kryptografische Coprozessor ARM CryptoCell-310. Er unterstützt einen Zufallszahlengenerator und viele asymmetrische, symmetrische und Hash-Kryptografiedienste. Zudem beschleunigt der Coprozessor Operationen, spart CPU-Verarbeitungszeit und senkt den Energiebedarf. Der nRF52840 ist on-air-kompatibel mit den Produkten der Serien nRF24, nRF51 und nRF52 von Nordic Semiconductor.

Wer nun den großen EnOcean-Vorteil vermisst, kann zu einem nRF52-basierenden Modul greifen, das zu den EnOcean-Energy-Harvesting-Modulen kompatibel ist. Dies ist bei Rutronik erhältlich, ebenso wie Lösungen für alle anderen Funktechnologien.

Zwave, Zigbee, Thread, WLAN

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* Bernd Hantsche ist Bereichsleiter Embedded & Wireless bei Rutronik Elektronische Bauelemente

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