Smart Home

Funkprotokolle: Z-Wave, HomeMatic und RWE im Vergleich

ZigBee, Z-Wave, HomeMatic, RWE, EnOcean, KNX-RF, DECT, Bluetooth und WLAN sind die Schlagworte, wenn es um Heimvernetzung und Gebäudesteuerung geht. Jede Technologie hat ihre Vor- und Nachteile. Wir beleuchten die wichtigsten Funksysteme auf dem deutschen Markt.

Strahlung im Haus

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Strahlung im Haus

Lange Zeit war SmartHome dem Neubau vorbehalten, denn die Gebäudebusse benötigten Kabel. Dank preiswerter Funksysteme ist es seit wenigen Jahren möglich, vorhandene Wohnungen und Gebäude ohne Bohrhammer, Lärm und Schmutz nachträglich smart zu machen.

Aktuell gibt es auf dem Markt einige - leider untereinander nicht kompatible - Funksysteme. Der Wettbewerb der Anbieter ist grundsätzlich gut, denn nur dadurch wurden die Systeme preiswerter und immer besser. Es bedeutet für den Konsumenten jedoch, sich für einen Hersteller oder zumindest für einen Standard entscheiden zu müssen.

Wir unterscheiden zwei Arten von Systemen:

  • Proprietäre Funksysteme sind geistiges Eigentum nur eines Anbieters. Als Kunde ist man darauf angewiesen, dass dieser Hersteller alles das bietet, was man möchte, und man muss das Vertrauen haben, dass dieser Hersteller seine Produkte auch noch in etlichen Jahren anbietet, falls man Ersatzteile benötigt oder ausbauen möchte.
  • Standardbasierte Systeme: Für Funksysteme, die auf veröffentlichten Standards basieren, bieten viele Hersteller kompatible Produkte an. Das Angebot ist deshalb in der Regel breiter und die Langzeitliefersicherheit größer. Unsere Marktbeobachtung hat allerdings gezeigt, dass das proprietäre Produkt HomeMatic alle Sensoren und Aktoren bietet, die man sich in Haus und Garten vorstellen kann. Zudem sind die Preise vergleichsweise niedrig.
Die meisten Anbieter von Funksystemen für das SmartHome nutzen die Frequenzen im Bereich 434 MHz oder 868 MHz, weil die Nutzung lizenzkostenfrei ist. Dafür gibt es von Seiten der Bundesnetzagentur strenge Auflagen. Diese Frequenzbereiche sind Teil der sogenannten ISM-Bänder (Industrial, Scientific, Medical). Anwendungen aus der Industrie, der Wissenschaft, der Medizin und der Gebäudeautomation teilen sich die Bänder. Einige ISM-Bänder werden auch für Audio- und Video- oder Datenübertragungen wie WLAN oder Bluetooth verwendet.
HomeMatic Zentraleinheit CCU

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Schlaue Pyramide: Die HomeMatic-Zentraleinheit CCU ist die Steuereinheit für die gesamte Haustechnik.

Durch die gemeinsame Nutzung kann es in den besonders häufig genutzten Bändern deshalb zu Störungen zwischen verschiedenen Geräten kommen. Es ist deshalb wichtig, dass die Funkprotokolle Störungen erkennen und beispielsweise durch Wiederholungen sicherstellen, dass die gesendete Botschaft auch beim Empfänger ankommt.

Die Auflagen der Netzagentur für einen Funksender sind beispielsweise die Begrenzung der Sendeleistung auf 25 Milliwatt (mW) und einen maximalen Arbeitszyklus von einem Prozent. Das bedeutet, dass ein Sender in einer Stunde in der Summe nur 36 Sekunden senden darf. Das ist für die Gebäudeautomation mehr als genug, eine Audio- oder Bildübertragung ist so allerdings nicht realisierbar. Zu den Funksystemen, die ISM nutzen, gehören ZigBee, Z-Wave, HomeMatic, RWE, viele Baumarkt-Produkte, fast alle Garagentorsteuerungen, EnOcean und KNX-RF.

Neben der erlaubten Sendeleistung ist die Wellenlänge entscheidend für die Reichweite. Im Gegensatz zum ebenfalls freien 2400-MHz-Bereich dringen 868-MHz- Wellen besser durch Gebäudewände und tragen weiter. Die Frequenz 2400 MHz wird beispielsweise für Bluetooth, WLAN und einige Audio- und Video-Übertragungssysteme verwendet.

ZigBee

ZigBee ist eine Funknetz-Technik, die inzwischen weltweit mit der Bezeichnung IEEE 802.15.4 standardisiert ist. Der Standard ist eine Entwicklung der ZigBee-Allianz, die Ende 2002 gegründet wurde. Die Allianz ist ein Zusammenschluss von mehr als 250 Unternehmen. Erste ZigBee-Produkte kamen Anfang 2005 auf den Markt. Leider lässt die Standard-Definition viele Sonderimplementationen zu, sodass eine Kompatibilität von Produkten untereinander nicht immer gegeben ist.

Die Leistungsaufnahme von ZigBee-Komponenten ist sehr gering und für den Batteriebetrieb geeignet. Sensoren können über mehrere Jahre hinweg wartungsfrei und ohne Batteriewechsel arbeiten. Dies wird dadurch erreicht, dass Sensoren in einen Schlafmodus versetzt werden und je nach Häufigkeit der gewünschten Sensordatenübertragung "geweckt" werden.

Unterputz-Aktor ZigBee

© Archiv/Hersteller

Nur für den Fachmann: Unterputz-Aktor für ZigBee

Diese und weitere Maßnahmen bewirken im aktiven Betrieb eine Stromaufnahme von nur ca. 15 Milliampere (mA), im Schlafmodus von unter 1 μA (einem Millionstel). Die ZigBee-Frequenzen liegen in den lizenzfreien ISM-Bändern, also bei 868 MHz (Europa), 915 MHz (USA) und 2,4 GHz (weltweit). ZigBee kann je nach Gebäudestruktur zwischen zehn und 75 Metern überbrücken.

ZigBee unterscheidet drei Gerätetypen. Einfache Geräte wie zum Beispiel Lichttaster unterstützen nur einen Teil des ZigBee-Protokolls. Sie melden sich an einem ZigBee-Router an und bilden so mit ihm ein Netzwerk in Stern-Topologie. Sogenannte Full Function Devices können auch als ZigBee-Router agieren, melden sich an einem anderen existierenden Router an und bilden so ein Netzwerk in Baum-Topologie. Dadurch entsteht ein vermaschtes Netzwerk. Der große Vorteil: Fällt ein Router aus, können die Daten über einen anderen weitergeleitet werden.

Jedes ZigBee-Netzwerk benötigt einen Koordinator. Er verwaltet und steuert das Netzwerk. Fällt der Koordinator aus, ist das gesamte Netzwerk blockiert. Hier liegt die entscheidende Schwachstelle des Systems. Allerdings können Router so konfiguriert werden, dass sie im Fehlerfall die Aufgabe des Koordinators übernehmen. Leider unterstützen die meisten am Markt erhältlichen Produkte diese Funktion nicht. ZigBee ist gegen Hackerangriffe leider nicht besonders gut gesichert. Eine Entschlüsselung des ZigBee-Keys gelingt mit entsprechenden Tools sehr schnell. Das heißt: Wenn der Nachbar das Garagentor öffnet, wurde der Code geknackt.

Z-Wave

Z-Wave ist ein drahtloser Kommunikationsstandard, der von der dänischen Firma Zensys und der Z-Wave Alliance speziell für die Heimautomatisierung entwickelt wurde. Wesentliche Teile von Z-Wave sind seit 2012 von der Standard-Organisation ITU-T als Standard G.9959 definiert. Die Z-Wave Alliance ist eine Vereinigung von mehr als 160 Herstellern. Wichtige Mitglieder sind etwa der Heizungshersteller Danfoss und der Chipentwickler Sigma Designs. Mit mehr als 600 zertifizierten Produkten ist Z-Wave wohl eines der größten Systeme funkbasierter Produkte. Die Alliance testet Produkte auf Kompatibilität und vergibt Prüfzeichen.

Funk-Steckdosen und SmartHome Zentrale

© Diehl

Smart Home für Mieter: Funk-Steckdosen und Smart-Home-Zentrale für Z-Wave von Diehl. Ideal für Mietwohnungen, da keine baulichen Veränderungen notwendig sind.

Die Funkreichweite von Z-Wave beträgt im freien Gelände bis zu 200 Meter und im Gebäude, abhängig von den verwendeten Baumaterialien, ca. 30 Meter. Verwendet wird das ISM-Band: in den USA 908,42 MHz, in Europa 868,42 MHz und inzwischen zusätzlich auch das 2.400-MHz-Band. Z-Wave nutzt als Netzwerk-Topologie wie ZigBee ein vermaschtes Netz. Jeder Netzwerkknoten (Sensor oder Aktor) ist mit einem oder mehreren anderen Netzwerkknoten verbunden. 

Das hat den Vorteil, dass eine Nachricht zwischen zwei Netzwerkknoten übermittelt werden kann, selbst wenn diese nicht direkt miteinander kommunizieren können, beispielsweise weil sie zu weit voneinander entfernt sind. In diesem Fall wird die Nachricht über einen oder mehrere "Zwischenknoten" übertragen. Ein Z-Wave- Netzwerk kann aus bis zu 232 Geräten bestehen. Die Produkte benötigen Batterien, sind vergleichsweise preisgünstig und im Versandhandel zu beziehen. 

HomeMatic

Das HomeMatic-Protokoll wurde vom deutschen Unternehmen eQ-3 speziell für Anwendungen in der Haus-und Gebäudeautomation entwickelt. Es basiert auf einer über 20-jährigen Erfahrung mit funkbasierten Lösungen. Technisch wird das HomeMatic-Protokoll auch als "BidCoS" bezeichnet, der Abkürzung für Bidirectional Communication System. BidCoS ermöglicht alles, was eine Haussteuerung benötigt: Schalten und Dimmen von Licht und anderen elektrischen Verbrauchern, Heizen, Kühlen, Lüften, Wettermesstechnik, Energiemanagement, Zugangskontrolle, Schutz vor Einbruch, Gefahrenabsicherung gegen Rauch, Gas und Wasser. Das System besteht aus netz- und batteriebetriebenen Komponenten.Die bidirektionale Kommunikation - der Empfänger bestätigt die gesendeten Funksignale - erhöht die Funktionssicherheit. 

HomeMatic nutzt zum Verschlüsseln das weltweit als sicher akzeptierte AES-128-Verfahren. Das Protokoll ist speziell auf den Betrieb zwischen batteriebetriebenen Geräten ausgelegt: Der Stromverbrauch der Einzelkomponenten ist sehr gering, damit die Batterien möglichst lange halten. Trotzdem müssen Batterien erneuert werden - durch Nutzung oder Selbstentladung.

 

Steuerbarer Fensterantrieb HomeMatic

© eQ3

Windows einmal anders: Für HomeMatic gibt es einen per Funk steuerbaren Fensterantrieb.

HomeMatic verfügt über Aktoren, die zeitgesteuerte Funktionen auch autonom ausführen können. So können Treppenlichtfunktionen oder Zeitfunktionen von Bewegungsmeldern in Dimmern und Schaltern konfiguriert werden, Heizkörperthermostate führen Wochenprogramme autonom aus. Hierdurch lässt sich die Gesamtzuverlässigkeit des Systems verbessern.

Die Kosten für die HomeMatic-Zentraleinheit sowie für Sensoren und Aktoren sind vergleichsweise gering. Die Produkte sind im Internet und bei Versandhändlern wie ELV und Conrad erhältlich. 

RWE

Die Firma eQ-3, Entwickler von HomeMatic, ist der Partner der RWE Effizienz GmbH. eQ-3 hat die Geräte des RWE SmartHome entwickelt und zeichnet auch für das Funkprotokoll verantwortlich. Daher gibt es Ähnlichkeiten zwischen beiden Systemen. Die Entwicklungsziele von RWE waren aber weiter gesteckt als bei HomeMatic. RWE hat besonderen Wert auf Datensicherheit und Hackerschutz gelegt. Auch kommt das neue erweiterte Internet-Protokoll IPv6 in allen Geräten zur Anwendung. Zudem basiert die Datenübertragung auf AES-128.

RWE wendet sich an den Endanwender und legt daher Wert auf einfache Installation, Konfiguration und Bedienung. RWE SmartHome hat Zeichen gesetzt und nicht zuletzt durch die Werbung viele Kunden gewonnen. RWE SmartHome-Produkte benötigen Batterien. Starter-Kits, Einzelaktoren und Sensoren sind günstig über den Internet-Versandhandel zu beziehen.

Nachrüstbare Funklösung

© RWE

Windows einmal anders: Für HomeMatic gibt es einen per Funk steuerbaren Fensterantrieb.

EnOcean

Die Idee der EnOcean-Technologie beruht darauf, dass für das Senden kurzer Funksignale nur geringe Mengen an Energie benötigt werden und sich diese vor Ort aus der Umwelt generieren lässt. Die Sender nutzen daher die Energie von Solarzellen, Peltier-Elementen oder Bewegungsenergie durch elektrodynamische Energiewandler. Diese Energie reicht aus, um Sender batterielos und somit wartungsfrei zu betreiben. In einigen Anwendungsfällen fehlen jedoch gute Lichtverhältnisse und mechanische Betätigungen, sodass teilweise Batterien als Energiequelle erforderlich sind. 

Im März 2012 hat die International Electrotechnical Commission (IEC) mit ISO/IEC 14543-3-10 den EnOcean-Funk zum internationalen Standard erklärt. Die EnOcean GmbH mit Sitz in Oberhaching bei München ist Erfinder und Hersteller der patentierten Grundlagentechnologie. Das Funkprotokoll ist darauf ausgerichtet, Informationen besonders energiearm und mit hoher Zuverlässigkeit zu übertragen. Dafür verwendet es in Europa die Frequenz 868 MHz. Das Protokoll versucht, Kollisionen von Funktelegrammen durch die Beschränkung auf möglichst kleine Datenpakete gar nicht erst auftreten zu lassen. 

Erweiterte Sicherheitskonzepte wie Verschlüsselung der Funkdaten und Rolling Codes verhindern es, dass Datenpakete unbemerkt gelesen werden können. Zudem wird das Senden eines Datenpaketes von den originären EnOcean-Komponenten nur unter Verwendung festgelegter IDs erlaubt, sodass die Manipulation eines EnOcean-gestützten Systems von außen nur mit unverhältnismäßigem Aufwand möglich wäre.

EnOcean Bewegungsmelder

© EnOcean

Mit der Kraft der Sonne: Der EnOcean-Bewegungsmelder wird gespeist durch Solarzellen

Leider nutzen nicht alle EnOcean-Produkte diese Sicherheitsoptionen. EnOcean-Komponenten der sogenannten Dolphin-Plattform senden und empfangen bidirektional. So kann der Empfang eines Befehls quittiert werden. Ausführende Aktoren sind in der Lage, den Stromverbrauch zu messen und zu übertragen.

Mehr als 100 Unternehmen stellen ihre Produkte mithilfe der EnOcean-Technologie her. Zu den wichtigsten deutschen Partnern zählen Siemens, Zumtobel, Omnio, Wieland Electric, PEHA, Somfy, Thermokon, Wago, Kieback&Peter, Jäger Direkt und Eltako Electronics. Gateways zu den wichtigen kabelgebundenen Standards wie KNX, LCN, LON und BACNET sind vorhanden. Damit lassen sich die meist auf den Neubau beschränkten Systeme später durch EnOcean erweitern.

DECT

Der weltweit gültige Standard DECT (Digital Enhanced Cordless Telecommunications) wurde für die schnurlose Sprachkommunikation entwickelt, ist aber auch zur Übertragung von Daten geeignet. Der Frequenzbereich beträgt 1.880 bis 1.900 MHz, die maximal zulässige Sendeleistung 250 Milliwatt. Das ist zehnmal mehr als beim ISM-Funk.

Kein Wunder also, dass die typische Reichweite von DECT größer ist als bei ISM, allerdings nicht zehnmal so groß. 300 Meter außerhalb des Hauses und 50 bis 100 Meter im Gebäude sind durchaus realistisch. DECT kann verschlüsselt übertragen. Die ersten Produkte auf DECT-Basis sind bereits verfügbar, beispielsweise Funkschalter und Dimmer von AVM für die FRITZ!Box.

Netzwerk-Topologien

© Archiv/Hersteller

WLAN

Wireless LAN ist als Ersatz für ein Netzwerkkabel entwickelt worden, um große Datenmengen in Datenpaketen zu übertragen. Um eine Leuchte einzuschalten oder einen Dimmer auf einen vorgegebenen Wert einzustellen, ist WLAN eine total überzogene Lösung. Trotzdem würde es funktionieren. WLAN-Lösungen für das SmartHome sind kommerziell bisher nicht in relevanter Menge verfügbar.

Entscheidungshilfe: die Qual der Wahl

Obwohl hier nicht alle Technologien betrachtet werden konnten, ist die Auswahl schon sehr groß und unübersichtlich. Welches System für Sie das richtige ist, hängt auch von Ihren Bedürfnissen ab.

Wenn Sie lediglich eine umfassende Lösung brauchen, geht das nicht ohne Handwerker, schließlich wird an "blanken Kupferdrähten" gearbeitet. Ihr Handwerker wird das System nutzen, das er am besten beherrscht. Leider haben sich die meisten Elektroinstallateure mit dieser Thematik noch nicht beschäftigen müssen. Sie werden aber sicherlich kein System wählen, das sie über das Internet bestellen müssen, sondern lieber ein Markenprodukt auswählen, das ihr Großhändler vorrätig hat. Dieses wird dann auf Industriestandards wie EnOcean, ZigBee oder Z-Wave basieren.

Download: Eckdaten

Wenn Sie selbst "Hand anlegen" möchten, ist zu beachten: Grundsätzlich können Sie mit jedem der genannten Produkte nahezu alle Aufgaben lösen, außer mit DECT, da hier nur eine ganz kleine Auswahl an Produkten vorhanden ist.

Die Produktauswahl bei RWE ist umfangreich, verglichen mit den anderen Systemen jedoch relativ begrenzt. ZigBee, Z-Wave und HomeMatic erfordern eine etwas komplexere Installation und Konfiguration, bieten aber ein umfangreiches Sortiment an Sensoren und Aktoren.

Bei EnOcean verläuft die Installation ähnlich wie bei den letztgenannten Produkten, allerdings sind die meisten Sensoren batteriefrei. Das spart laufende Kosten und vermeidet Sondermüll. Bei einer einfachen Aufgabenstellung genügen vermutlich die EnOcean-Produkte der Marke Telefunken oder eine umfangreiche Lösung von Eltako. Einige unabhängige Software-Anbieter decken die Bereiche Konfiguration und Visualisierung des Hauses ab. Die Palette reicht von Akktor über BSC und IP-Symcon bis myHomeControl.

Selbermacher können getrost auf HomeMatic setzen. Die Internet-Community ist groß und kennt für jedes Problem eine Lösung.

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