Smart Home – ein Begriff – viele Themen

Smart Home – Begriffsdefinition

Smart Home dient als Oberbegriff für technische Verfahren und Systeme in Wohnräumen und -häusern, in deren Mittelpunkt eine Erhöhung von Wohn- und Lebensqualität, Sicherheit und effizienter Energienutzung auf Basis vernetzter und fernsteuerbarer Geräte und Installationen sowie automatisierbarer Abläufe steht (Quelle: Wikipedia).

Smart ist nicht gleich Fernsteuerung

Seit einiger Zeit wird in der Werbung diverser Firmen (z.B. Telekom, RWE…) vermehrt für Smart Home geworben. Allerdings fällt auf, dass damit oftmals die Steuerung von Hausfunktionen per App wiedergegeben wird. Sozusagen eine Fernsteuerung des Hauses. „Schalten Sie Ihre Heizung aus der Ferne aus/ein.“ Das hat aus meiner Sicht nur sehr wenig mit SMART Home zu tun. Sicherlich gibt es gelegentlich Gründe, auch von außerhalb in die Hausfunktionen eingreifen zu wollen, das sollte aber eine Ausnahme sein.

Wirklich SMART ist es, wenn das Haus Aktionen von selbst auslöst, weil bestimmte, vorher definierte Bedingungen eintreten. Verlässt z.B. der letzte Bewohner das Haus, könnte automatisch das Licht abgeschaltet werden, sofern es noch eingeschaltet war. Oder das WLAN wird abgeschaltet, wenn keiner der Bewohner mehr anwesend ist. Oder die Rollläden fahren in eine bestimmte Position, wenn der Lichteinfall ein bestimmtes Maß über- oder unterschreitet.

Für solche Automatismen werden sowohl Sensoren, die einen bestimmten Zustand messen können, als auch Aktoren, die bestimmte Aktionen veranlassen können, benötigt.

Inkompatibilität

Sieht man sich die Produkte der jeweiligen Smart Home-Anbieter an, fällt als erstes auf, dass sie alle größtenteils nicht miteinander kompatibel sind. Das heißt also, wenn ich mich für Hersteller A entscheide, muss ich  zwangsweise bei Hersteller A bleiben, denn die Produkte von Hersteller B lassen sich nicht mit denen von Hersteller A koppeln.

Konzept fragwürdig

Bei so gut wie allen Anbietern von Smart Home Systemen fällt auf, dass deren Konzept auf folgendem System basiert:

Im Haus sind diverse Sensoren und Aktoren installiert. Die Sensoren senden ihre Daten in die Cloud zum Server des jeweiligen Anbieters. Auf dem Server des Anbieters ist dann die Intelligenz – die Logik hinterlegt, was passieren soll, wenn bestimmte Bedingungen eintreten. Anschließend sendet der Server des Anbieters eine Information an den entsprechenden Aktor im Haus (z.B. Thermometer sendet Temperatur – Temperatur auf x°C gesunken – Heizung einschalten).

Dieses Konzept hat zwei entscheidende Nachteile:

Erstens gibt es ein Datenschutzproblem. Der Anbieter bekommt alle Daten aus dem Smart Home auf seinen Server geliefert. Und daraus kann man unglaubliche Informationen gewinnen. Angefangen davon, dass man erkennen kann, ob und wann jemand zu Hause ist bis zu solchen Details, dass man immer noch mal nachts an den Kühlschrank schleicht und diesen öffnet. Und diese Daten liegen (hoffentlich verschlüsselt!?) auf dem Server des Anbieters. Und selbst wenn der Anbieter seriös mit den Daten umgeht. Wenn der Server gehackt wird, und die Daten in weitere Hände gelangen… Ich mag gar nicht darüber nachdenken! Aus meiner Sicht ist das ein absolutes No-Go!

Zweitens gibt es noch ein weiteres Problem. Was passiert, wenn die Verbindung zur Cloud unterbrochen wird? Sprich, wenn keine Internetverbindung mehr vorhanden ist. Da bei diesem Konzept die Intelligenz nicht im Haus ist, sondern auf dem Server des Anbieters liegt, ist in diesem Moment aus dem Smart Home  ein Stupid Home  geworden.

Nun könnte man sagen, dann ist so lange eben das Smart Home nicht smart, bis die Internetverbindung wieder da ist. Was passiert aber, wenn der Anbieter pleite geht oder aus anderen Gründen seine Server dauerhaft abschaltet? Dann hat man einen Haufen teurer Sensoren und Aktoren in seinem Stupid Home, die man als Briefbeschwerer nutzen kann.

Da fragt man sich, warum so gut wie alle kommerziellen Anbieter genau dieses Konzept verfolgen, obwohl es doch nachweislich nicht gut (für den Nutzer!) ist. Weil die Firma mit den gewonnenen Daten bestimmt in Zukunft schöne Geschäfte machen kann?

Sicherheit

Die Erreichbarkeit von außen führt zwangsläufig zu der Frage, wie gut der Zugang zum Smart Home abgesichert werden muss. Wie bereits eingangs erwähnt, muss ein (vernünftig konzipiertes) Smart Home nicht unbedingt von außen erreichbar sein. Da es smart ist, sollte es von selbst funktionieren, ohne Eingriff von außen. Aber es gibt Einsatzfälle, in denen eine Erreichbarkeit von außen durchaus von Vorteil sein kann. Hat man beispielsweise die Heizung für die Urlaubszeit auf eine niedrigere Temperatur eingestellt und kommt nun unerwarteter Weise ein paar Tage früher nach Hause, dann kommt man in eine ausgekühlte Wohnung, die je nach Heizungstyp mehrere Stunden benötigt, bis wieder eine angenehme Atmosphäre hergestellt ist. Wenn man der Heizung aus der Ferne mitteilen könnte, dass der Urlaub kürzer geworden ist, wäre das sicher praktikabel.

Entscheidet man sich also dafür, das Smart Home auch von außen (per Internet) erreichbar zu machen, muss man dafür sorgen, dass nur ein ausgewählter Personenkreis Zugriff auf das System bekommt und alle anderen draußen bleiben.

Ein weiterer Grund, sich nicht von den Servern anderer abhängig zu machen, sind solche Fälle wie zum Beispiel der, der Firma Loxone im August 2016. Man muss sich darauf verlassen, dass der Anbieter seine Server sicher konfiguriert. Tut er es nicht, hat man schlechte Karten, da man selbst dann nur wenig Möglichkeiten hat, so etwas zu vermeiden.

Alternativen

Wie bereits vorher beschrieben, sind die angebotenen kommerziellen Smart Home Systeme der verschiedenen  Anbieter nicht miteinander kompatibel. Man kann also nicht die günstigen Sensoren der Firma A mit den günstigen Aktoren der Firma B verkoppeln und die teuren Sensoren der Firma B und die teuren Aktoren der Firma A links liegen lassen. Es gilt: Alles oder Nichts.

Zum Glück gibt es aber Alternativen für Leute, die sich ein wenig mit IT und Elektronik auskennen. Da ist zum Beispiel das freie Open-Source-Projekt FHEM. Daneben gibt es auch noch OpenHAB.

Planung – Wofür brauche ich ein Smart Home?

Die kniffligste Frage beim Smart Home ist eigentlich: Was möchte ich damit erreichen und was genau soll das Smart Home tun?

Eins vorweg. Aus meiner Erfahrung heraus, eignet sich ein Smart Home nicht dafür, dass man unheimliche Energieeinsparungen und damit Kosteneinsparungen erreicht. Die Kosten für die einzelnen Komponenten sind so hoch, dass eine Amortisation aus meiner Sicht nicht in einer vernünftigen Zeit erreichbar ist. Vielleicht, wenn man bisher immer bei laufender Heizung stundenlang gelüftet hat und das durch das Smart Home unterbunden wird. Aber das sind wohl unrealistische Voraussetzungen. Smart Home ist eher für die Steigerung des Wohnkomforts und ansatzweise auch für die Erhöhung der Sicherheit einsetzbar.

Bei mir wird das Smart Home für folgende Dinge eingesetzt:

  • automatische Steuerung der Rollläden nach Sonnenauf- und -untergang oder anderen Zeiten
  • automatische Beschattungs-Steuerung der Rollläden nach Temperatur und Sonnenstand für einzelne Seiten des Hauses
  • automatische Lichtsteuerung nach Sonnenauf- und -untergang oder anderen Zeiten
  • automatische Gartenbewässerung
  • automatische Heizungssteuerung (z.B. Anhebung der Warmwassertemperatur am Sonntagnachmittag für den geplanten Badewannengang)
  • Überwachung der Temperaturen von Kühl- und Tiefkühlschrank und Alarmierung bei Abweichungen von der Norm
  • Überwachung der Raumtemperaturen und Luftfeuchtigkeiten
  • Überwachung der Temperaturen von Ansaug- und Zuluft der Lüftungsanlage
  • Überwachung und Steuerung des Rasenmähroboters
  • Erinnerung über anstehende Müllentsorgungstermine
  • Anwesenheitserkennung der Hausbewohner über Bluetooth und WLAN
  • Überwachung von Tür- und Fensterkontakten und Alarmierung
  • Bewegungserkennung im und ums Haus

FHEM (Freundliche Hausautomatisierung und Energie-Messung)

Im Weiteren gehe ich auf FHEM tiefer ein, da ich dieses System auch selbst einsetze. Eine detaillierte Schritt-für-Schritt-Anleitung ist am entstehen.

Im Unterschied zu den kommerziellen Produkten funktioniert FHEM völlig autark auf einem System in den eigenen vier Wänden. Man benötigt weder zwingend eine Internetanbindung, noch ist man von den Servern eines Dritt-Anbieters abhängig. Außerdem kann man die Hardwarekomponenten von verschiedenen Herstellern anbinden, indem entsprechende Schnittstellenmodule über USB oder Netzwerk gekoppelt werden.

Es gibt eine große Community, in der bereits viele Fragen beantwortet wurden. Aber selbst wenn es ein neues Problem ist, wenn man dort eine Frage stellt, kann man ziemlich sicher sein, in kurzer Zeit eine klärende Antwort zu bekommen.

Worauf läuft FHEM?

Grundlage des Systems ist ein Serverdienst, der ständig läuft (24/7/365) um einlaufende Sensordaten zu analysieren und gegebenenfalls Aktionen an Aktoren auszulösen. Als Host können Windows-, OS X-, und Linux-basierte Computer verwendet werden. Ich habe mich für einen kleinen sparsamen Einplatinencomputer, einen Raspberry Pi, entschieden. Mit ca. 2 Watt Leistungsaufnahme verursacht dieser im Laufe eines Jahres Stromkosten von ca. 6,-€.

Der Raspberry Pi hat die Größe einer Zigarettenschachtel und benötigt zum Betrieb ein Netzteil und eine Micro-SD-Speicherkarte. Weiterhin bietet sich ein HDMI-Kabel an, damit man dem Mini-Computer beim ersten Start zusehen und diverse Einstellungen vornehmen kann. Um Einstellungen vornehmen zu können, braucht man natürlich auch noch eine Tastatur und eventuell auch eine Maus. Aber all das wird nur einmal bei der Einrichtung benötigt. Im laufenden Betrieb kann die kleine Kiste dann irgendwo in der Versenkung verschwinden. Die weitere Programmierung des Smart Home erfolgt dann über einen Rechner, der im eigenen Heimnetz oder gar im Internet hängt (wenn man vorher dafür gesorgt hat, dass der Zugriff vom Internet möglich ist und ihn hoffentlich auch abgesichert hat).

Den Raspberry Pi gibt es in verschiedenen Versionen die sich vor allem durch die Rechenleistung der CPU unterscheiden. Derzeit aktuell ist die Version 3. Sofern man den kleinen Rechner nicht gerade neben der Smart Home Funktionen auch noch als Multimedia-System betreiben möchte, reicht die Rechenleistung der Version 2 völlig aus. Allerdings, die Preise für den einzelnen Computer belaufen sich immer um ca. 35,-€, egal welche Version man bestellt.

Als Komplettpaket welches den Raspberry Pi 3, ein Netzteil, eine Micro-SD-Karte, ein HDMI-Kabel, ein Gehäuse und einen Kühlkörper enthält, ist das Ganze derzeit für ca. 60,-€ zu haben.

Sensoren und Aktoren

Sensoren sind sozusagen die Augen und Ohren des Smart Homes. Die Aktoren sind die Muskeln, die dann dafür sorgen, das sich etwas bewegt oder etwas schaltet.

Ständig wird gelauscht und überprüft, ob die Temperaturen noch im Normbereich sind, ob die Helligkeit draußen abnimmt oder zunimmt, wie die Luftfeuchte ist oder ob es gerade draußen regnet. Für all diese Informationen werden verschiedene Sensoren benötigt, die ihre Daten an das Gehirn (in meinem Fall den Raspberry Pi) senden.

Das Gehirn analysiert diese Informationen und vergleicht sie mit vorher hinterlegten Sollwerten. Trifft eine vorher definierte Bedingung zu, wird ein Aktor geschaltet, der dann irgendetwas auslöst. Beispielsweise wird der Rollladen heruntergefahren oder das Licht eingeschaltet.

Ein großer Vorteil von FHEM ist, dass man die Komponenten der Hersteller mehr oder weniger wild miteinander mischen kann. Es gibt zum Beispiel derzeit Außentemperatursensoren der Firma Homematic für Preise zwischen 42,-€ bis 70,-€. Wenn man mehrere davon benötigt, kann das ganz schön ins Geld gehen. Man findet aber auch Außentemperatursensoren der Firma Technoline, die ca. 20,-€ kosten. In meinem Smart Home senden derzeit 10 Thermometer ihre Werte.

Bei FHEM kann man sich entscheiden, welche Komponenten welches Herstellers man einsetzt. Es wird nur ein entsprechendes (Funk-)Modul benötigt, dass die „Sprache“ der Sensoren/Aktoren spricht.

Verschiedene Hersteller

Homematic

Möchte man mit Homematic-Geräten „sprechen“, benötigt man einen sogenannten Homematic Konfigurations-Adapter-LAN. Dieser wird ins Heimnetz integriert und kann die Funksignale der verschiedenen Homematic-Geräte empfangen und auch Befehle an diese senden.

Alternativ kann man auch einen sogenannten CUL-USB-Stick direkt an den Raspberry Pi anschließen. Auch über diesen kann man dann mit Homematic-Geräten kommunizieren.

Von Homematic gibt es Tür- und Fensterkontakte, die bei mir erfolgreich im Einsatz sind. Der Vorteil bei Homematic zu vielen anderen Anbietern ist, dass das Funkprotokoll bidirektional funktioniert. Das heißt, dass das entsprechende Gerät eine Rückmeldung gibt, ob der gesendete Befehl angekommen ist oder nicht. Und im Fehlerfall kann der entsprechende Befehl einfach noch einmal gesendet werden. Das steigert die Zuverlässigkeit.

Technoline

Soll mit Technoline-Geräten kommuniziert werden, installiert man einen sogenannten JeeLink an einem der USB-Anschlüsse des Raspberry Pi.

Anwesenheitserkennung – Bluetooth oder WLAN?

Damit ein Smart Home richtig reagieren kann, ist eine Anwesenheitserkennung sehr sinnvoll. Wird ein Tür- oder Fensterkontakt geöffnet und innerhalb eines gewissen Zeitraumes keine Anwesenheit eines Hausbewohners registriert, dann sollte eine Alarmierung erfolgen. Entweder ist dann der Akku des Smartphones alle, die Putzhilfe ist gekommen oder ein ungebetener Gast hat das Haus betreten.

Meine Erfahrungen haben gezeigt, dass eine Kombination aus Bluetooth- und WLAN-Überwachung ziemlich zuverlässig funktioniert.

Die Erkennung über WLAN hat den Vorteil, dass sie ziemlich weit reicht, allerdings auch etwas träge reagiert. Bluetooth reagiert sehr schnell, die Reichweite ist allerdings hier ein Manko. Die Kombination aus beidem funktioniert hingegen ganz gut.

Was kann man damit erreichen?

Wurde z.B. ein Türkontakt geöffnet, beginnt ein kurzer Countdown zu laufen, der bei Ablauf Alarm schlägt. Sobald ein netzwerkfähiges Gerät in den Erfassungsbereich des Bluetooth-Empfängers gelangt, prüft das Smart Home, ob es die MAC-Adresse des Bluetooth-Gerätes kennt. Es muss keine Verbindung zu diesem Bluetooth-Gerät hergestellt werden! Wenn es die Adresse kennt, wird die Anwesenheit des zugehörigen Bewohners auf „anwesend“ gesetzt. Wird also während des Countdowns die Anwesenheit eines Bewohners auf „anwesend“ gesetzt, wird der Countdown abgebrochen und kein Alarm ausgelöst.

Abwesenheit – zeitverzögert

Damit beim kurzen Gang in den Garten oder vor die Haustür nicht sofort das Smart Home alles ausschaltet und verriegelt, läuft auch beim Erkennen von Abwesenheit ein Countdown los. Erst nach Ablauf einer bestimmten Zeit, in der die Person weder per Bluetooth noch per WLAN wieder erkannt wurden, wird die Abwesenheit dieser Person gesetzt.

Hat die letzte Person das Haus verlassen, können Warnmeldungen über noch offene Tür- oder Fensterkontakte versandt werden.

Genug der Vorrede – hier geht es zum Ersten Teil der Schritt-für-Schritt-Anleitung zur Installation von FHEM auf einem Raspberry Pi.