Smarta hemsystem behöver en radioanslutning för trådlöst nätverk av enheter. Det finns dock inte bara en, men många olika radiostandarder för hemautomation. Vi förklarar här varför så är fallet och vad det betyder för designen av det smarta hemmet.
ZigBee & Co.: Vad du borde veta om trådlösa Smart Home-standarder
- Den trådlösa anslutningen i det smarta hemmet måste överföra data säkert och snabbt med låg energiförbrukning.
- WLAN erbjuder en hög överföringshastighet, men kräver mycket energi, varför den trådlösa standarden inte har tagit fast i smarta hem.
- Batteridrivna sensorer som skickar små mängder data använder mestadels ekonomiska protokoll som ZigBee, Z-Wave eller EnOcean, som liksom WLAN är fritt tillgängliga för alla tillverkare.
- Förutom öppna radiostandarder finns det också privata sådana som Homematic IP som tillhör ett företag. Enheterna är då bara kompatibla i ditt eget smarta hemsystem eller med system som samutvecklats av tillverkaren. Dessa radiostandarder kallas också "proprietära".
Varför är radiostandarder viktiga?
Den som någonsin har försökt desperat surfa på Internet mitt i skogen eller på motorvägen vet hur viktigt stabila radioförbindelser är. Detsamma gäller smarta enheter som ska kunna utbyta information med varandra i huset utan störningar. För precis som smartphones kommunicerar radiobaserade smarta hemsystem med hjälp av elektromagnetiska vågor.
Radiostandarder som ZigBee, Z-Wave, WLAN eller EnOcean baseras i allmänhet på modulering av radio och mikrovågor, som tillhör den lågfrekventa delen av det elektromagnetiska spektrumet. Vågen ändras så att den kan transportera information (bilder, språk, musik, text). I Tyskland utfärdar Federal Network Agency frekvenser för radiotrafik. Många protokoll inom smarta hemradio använder antingen det så kallade ISM-bandet (Industrial, Scientific and Medical Band) mellan 2,4 och 2,5 GHz eller SRD-bandet (Short Range Device) mellan 863 och 870 MHz.
De trådlösa standarderna för det smarta hemmet sträcker sig mellan radiovågor och infraröd.
För att kunna styra smarta hemapparater med smarttelefonen eller surfplattan måste radiofrekvensen för smarta hem översättas till en WLAN-signal. Det är därför de flesta smarta hemsystem kräver en radiobro (även gateway eller kontrollcenter). Den är ansluten till WLAN-routern hemma.
Hur skiljer sig ZigBee, Z-Wave, WLAN & Co.
Trådlösa anslutningar ska överföra data säkert, snabbt och utan störningar. Kraven ändras dock beroende på tillämpningsområde. Med videokonferenssystem måste de till exempel transportera enorma mängder data. Temperatur- eller rörelsesensorer i smarta hem, å andra sidan, skickar bara små datapaket. Här bör den trådlösa standarden främst fungera ekonomiskt så att batterierna håller så länge som möjligt.
Bandbredd
En radiostandard använder ett visst frekvensområde. Bandbredden visar avståndet mellan de övre och nedre frekvenserna i detta intervall. Till exempel använder de flesta trådlösa routrar ett frekvensområde från 2,4 till 2,4835 GHz. Bandbredden är i detta fall 83,5 MHz. Ju större bandbredd, desto mer data kan överföras.
kanaler
För att undvika störningar måste det finnas ett gap mellan en kanal och en annan. För WLAN-nätverk i 2,4 GHz-frekvensbandet finns fyra icke-överlappande kanaler tillgängliga med en kanalbredd på 20 MHz och ett avstånd på 5 MHz.
Överföringshastighet
Överföringshastigheten är mycket viktig för trådlöst internet. Av denna anledning har WLAN etablerat sig som den trådlösa standarden för bärbara datorer, datorer och smartphones. Routrar med standard Wifi 5 (802.11 ac) hanterar upp till 1300 Mbit / s. Det räcker för att strömma serier bekvämt. Z-Wave smarta hemradiostandarden kommer in på 9,6 kbit / s i jämförelse. Det räcker för att skicka kommandon mellan omkopplare och sensorer.
Höga överföringshastigheter är nödvändiga för videochattar. WLAN är mycket lämpligt som radiostandard här.
Räckviddstillverkare
anger ofta intervallet utomhus för en trådlös anslutning. I slutna rum bromsar emellertid hinder överföringen av elektromagnetiska vågor. I synnerhet stör lätta konstruktionselement av gipsskivor, väggar med stålelement och vattenledningar radioöverföringen. WLAN har en teoretisk räckvidd på 300 meter - i praktiken sjunker dock signalnivån efter bara några meter. Radiosignalens frekvens är också avgörande: ju högre, desto kortare räckvidd.
Säkerhetsstandard
Trådlös överföring är särskilt utsatt för datastöld. Av denna anledning har alla trådlösa standarder i Smart Home wireless ett säkerhetsprotokoll som krypterar data. Ändå är ingen trådlös standard 100 procent säker från hackareattacker. Läs vår artikel om detta: Hur säkert är ett smart hem?
Varför inte använda WiFi för alla smarta hemenheter direkt?
95 procent av alla tyskar har en Internetanslutning, de flesta med en WLAN-router. Så varför inte använda WLAN som standard för smarta hemsystem? Det finns flera skäl till detta:
Hög energiförbrukning
Jämfört med andra trådlösa anslutningar har WLAN en hög överföringshastighet. Detta innebär också att WiFi-enheter förbrukar mycket energi. Detta är särskilt ofördelaktigt för batteridrivna anordningar. Den höga bandbredden och den höga hastigheten är inte nödvändiga för små sensorer som bara överför korta meddelanden.
Överlappningar
Framför allt i hyreshus inträffar störningar när för många enheter i angränsande WLAN-nätverk använder 2,4 GHz-frekvensområdet.
Begränsat intervall
Signalstörningar från andra enheter som använder samma frekvensband minskar också räckvidden för radiolänken.
Vad är skillnaden mellan öppna och egna trådlösa standarder?
- Med öppna radiostandarder som ZigBee och Bluetooth är tekniken fritt tillgänglig för alla tillverkare. Ofta utvecklar flera företag protokollen i en paraplyorganisation. Fördelen är en hög nivå av kompatibilitet även med olika smarta hemsystem. Homee är ett bra exempel på ett helt öppet smarthemsystem till vilket alla enheter som använder öppna radiostandarder kan anslutas.
- Med egna (stängda) radiostandarder som Homematic IP utvecklar en tillverkare ett eget protokoll. Detta säkerställer större säkerhet vid dataöverföring. Smarthome-enheterna kan bara anslutas till enheter från samma tillverkare. Detta hinder kan kringgås med lämplig kompatibilitet genom att använda "limappar" som IFTTT eller Alexa-appen.
- När det gäller öppna radiostandarder är protokollets kod öppen källkod. Detta innebär att alla tillverkare kan göra ändringar. Enheter med samma radiostandard är därför inte nödvändigtvis kompatibla med varandra. Eftersom många tillverkare vill att deras produkter ska kunna dockas till så många olika system som möjligt, är kompatibilitet troligt.
Smarta hemradiostandarder i jämförelse
|
Max. |
Syn- |
frekvensintervall |
energikonsumtion |
Ansökan |
Tillverkare |
|
|---|---|---|---|---|---|---|
|
TRÅDLÖS INTERNTILLGÅNG |
1 000-1 |
50 m |
2,4-2,48 GHz |
hög |
Trådlöst |
Belkin WeMo DLink Tado Google Home Netatmo ringa |
|
Bluetooth 5.0 |
1-3 Mbit / s |
10 m |
2,40-2,48 MHz |
låg |
Smarta hem enheter | |
|
ZigBee |
250 kbit / s |
10-15 m |
2,4 GHz |
låg |
Building |
Philips Hue Ikea Tradfri Osram Xiaomi Samsung Homee Smart Home |
|
Z-Wave |
9,6-40 kbit / s |
30 m |
868 MHz |
låg |
Building |
Fibaro Honeywell Neo Samsung SmartThings Homee Devolo Merten |
|
EnOcean |
125 kbit / s |
30 m |
868 MHz |
väldigt låg |
Temperatursensorer |
Siemens Mediola Homee Smart Home Somfy Wago |
|
Homematic |
9,6 kbit / s |
20-30 m |
868-869,52 MHz |
låg |
Energihantering |
HomeMatic Max! Qivicon / Magenta Innogi |
|
DectULE |
1,1 Mbit / s |
30-50 m |
1,89-1,90 MHz |
låg |
Building |
Magenta Smart Home AV M Gigaset |
Radiostandarder: fördelar och nackdelar med en överblick
1. WLAN
Redan på 1970-talet gjordes försök att uppfinna radiolänkar för snabb dataöverföring. 1971 anslöt ALOHAnet-nätverket sju datorer på fyra olika hawaiiska öar med Aloha-radioprotokollet. Radioprotokollet IEEE 802.11, som används överallt idag, har funnits sedan 1997. Två år senare grundades WiFi Alliance med målet att certifiera WLAN-enheter och vidareutveckla tekniken.
Rings smarta dörrklocka kommunicerar med en Alexa-enhet via WiFi.
funktionalitet
- Nuvarande WiFi-nätverk baseras på radiostandarderna IEEE-802.11n och 802.11ac (WiFi 4 och WiFi 5).
- De teoretiska överföringshastigheterna är 600 Mbit / s eller 1500 Mbit / s. I praktiken är dock datahastigheten lägre eftersom många routrar inte kan ta emot flera dataströmmar parallellt.
- WLAN-routrar använder 2,4 GHz-frekvensbandet med fyra icke-överlappande kanaler, nyare modeller använder också 5 GHz-frekvensbandet med 19 kanaler.
fördelar
- Säkert
- hög överföringshastighet
nackdel
- energiintensiv
- Frekvent störning på grund av det stora antalet användare, särskilt i 2,4 GHz-bandet
- i 5 GHz-lägre intervall på grund av den höga frekvensen
Applikationer
Trots sin hunger efter energi spelar WLAN-radiostandarden en viktig roll för att skapa ett smart hem:
- i kommunikation mellan Smart Home Hub och router
- för enheter som smart-tv och kameror som överför stora mängder data (videor)
Smarta hemsystem med WLAN
- Belkin WeMo
- D-Link
- Tado
- Google Home
- Netatmo Smart Home
- Ring (smarta videodörrklockor)
2.Bluetooth Low Energy (BLE, 5.0)
1998 utvecklade Ericsson, Nokia, IBM, Toshiba och Intel Bluetooth-standarden. 1999 publicerade Bluetooth Special Interest Group (BT SIG) specifikationerna för det första Bluetooth-protokollet. Under de följande åren blev Bluetooth en av de viktigaste radiostandarderna för trådlös överföring mellan mobiltelefoner och datorer eller för Bluetooth-hörlurar. Från och med version 4.0 använder den betydligt mindre energi, därav namnet Low Energy (Bluetooth LE).
På grund av det korta avståndet är Bluetooth mindre lämpligt för det smarta hemmet. Radiostandarden är mer lämplig för att lyssna på musik via trådlösa hörlurar.
Funktion
Den trådlösa Bluetooth-standarden använder t.ex. trådlöst ISM-band 2.402 till 2.480 GHz.
- Sändarenheten (master) synkroniseras med mottagarenheten (slav). Båda enheterna måste godkänna anslutningen för detta.
- Avsändare och mottagare upprättar en punkt-till-punkt-anslutning i ett så kallat pico-nätverk. Varje enhet har en 48-bitars adress som identifierar den.
- Sändaren ändrar frekvens inom frekvensbandet 1600 gånger per sekund (frekvenshoppningsprocess). Mottagaren sänder signaler från sändaren varannan sekund tills anslutningen upprättas.
fördelar
- används ofta, vilket innebär hög kompatibilitet
- låg energi
nackdel
- kort avstånd
- dålig stabilitet
Applikationer
Inom hemautomation och säkerhet är det få tillverkare som litar på Bluetooth, men det är en av de ledande trådlösa standarderna för bärbara datorer och underhållningselektronik. Användbara applikationer inom området smarta hem är till exempel elektroniska dörrlås eller smarta garageportöppnare.
3. ZigBee
År 2002 grundade olika företag ZigBee Alliance. Radiostandarden är avsedd att möjliggöra dataöverföring i nätverk med låga datavolymer och minimal energiförbrukning. Under de efterföljande åren etablerade sig ZigBee som den ledande tekniken inom industriell automatisering, särskilt för styrning av brytare och sensorer.
ZigBee är förutbestämt för det smarta hemmet på grund av dess låga känslighet för fel. Philips Hue bygger bland annat på ZigBee som ett smart ljus.
funktionalitet
- Liksom Bluetooth använder ZigBee IEEE-standarden 802.15.4 och utökar protokollet med tre lager.
- I ett nätverk får de enskilda smarta hemapparaterna inte nödvändigtvis bara meddelanden från den centrala gatewayen. Varje enhet blir mycket mer av en nätverksnod och kan vidarebefordra information. Till exempel kommunicerar lampor och temperatursensorer anslutna till navet med varandra.
- Om navet misslyckas får lampan fortfarande kommandot "Fortsätt lampa" från temperatursensorn. I stora lägenheter och hus med flera rum fungerar anslutningen vanligtvis utan störningar trots väggarna.
Tillämpningar
Smarta hemapparater i hemautomation som smart uppvärmningskontroll, fönster- och dörrsensorer eller lampor använder ZigBee mest.
fördelar
- låg energiförbrukning
- låg känslighet för misslyckande
- hög distribution, därav ett stort urval av tillverkare
nackdel
- ingen
Smarta hemsystem med ZigBee
- Philips Hue
- Ikea Tradfri
- Osram
- Xiaomi
- Samsung SmartThings
- Homee Smart Home
- Bosch
4. Z-Wave
1999 utvecklade det danska företaget Zensys radiostandarden Z-Wave som en egen teknik. År 2005 grundade olika tillverkare Z-Wave Alliance, som har medlemmar som Huawei och Fibaro. Teknikföretaget "Silicon Labs" äger nu rättigheterna för tekniken. I slutet av 2019 meddelade Silicon Labs att de ville göra Z-Wave till en öppen trådlös standard.
Z-Wave är mycket populär bland tillverkare av smarta hemapparater. Den smarta sensorn från Fibaro mäter rörelse, temperatur och ljus och är baserad på Z-Wave som den trådlösa standarden.
funktionalitet
- Uppgifterna överförs i 868 MHz-frekvensområdet med en frekvensförskjutning på 20 kHz.
- Z-Wave-enheter bildar ett nätverk som har ett unikt ID. Varje enhet inom nätverket har ett ID som definieras i det inbyggda chipet.
- Som med ZigBee kommunicerar enheterna med varandra i ett nätverk som liknar nätförstärkare. Det trådlösa nätverket går smidigare, ju mer kraftdrivna enheter integreras i det smarta hemmet.
- Mottagaren måste bekräfta varje meddelande.
fördelar
- Låg störning tack vare användningen av 868 MHz frekvensband
- låg energiförbrukning
- hög distribution, därav ett stort urval av tillverkare
- upp till 232 enheter kan kopplas ihop
nackdel
- låg överföringshastighet, men tillräcklig för små sensorer
Smarta hemsystem med Z-Wave
- Fibaro
- Honeywell
- Neo
- Samsung SmartThings
- Homee Smart Home
- Devolo
- Merten
- Vivint Smart Home
5. EnOcean
År 2001 grundade Siemens EnOcean GmbH i syfte att utveckla ett protokoll för trådlös kommunikation inom industrin. EnOcean Alliance, som grundades 2008, omfattar över 400 företag, inklusive Honeywell, IBM och Microsoft.
Enocean-enheter genererar sina egna elbehov helt enkelt med en knapptryckning. Homees Smart Home är ett sätt att använda den trådlösa standarden.
Så fungerar det
EnOcean trådlösa standard använder principen om energihämtning. Sensorerna behöver inte batteri.
- En energiomvandlare genererar elektricitet från en rörelse som att trycka på en ljusbrytare.
- Minisolceller drivs med exempelvis elektricitet från ljuskällor.
- Peltier-element genererar elektricitet genom temperaturskillnader, till exempel mellan kylaren och miljön. En temperaturskillnad på två grader räcker.
fördelar
- knappast någon energiförbrukning
nackdel
- endast lämplig för små sensorer och små mängder data
Tillämpningar
Den mycket lågenergi-radiostandarden används av smarta hemapparater som skickar korta meddelanden eller kommandon. Dessa är:
- Rörelsesensorer eller rörelsedetektorer
- Temperatursensorer
- CO2-sensorer
Smarta hemsystem med EnOcean
- Siemens
- Mediola
- Homee Smart Home
- Somfy
- Wago
- Eltako (säkerhetsteknik)
- NodOn (rörelsedetektor)
6. Homematic IP (BidCoS)
Bakom Homematic IP-varumärket finns den egna radiostandarden BidCoS (Bidirectional Communication Standard). Uppfinnaren är det tyska teknikföretaget eQ-3, grundat 2007, som använder sin Homematic IP-standard för sina egna smarta hemsystem (Max!, Homematic), men gör den också tillgänglig för sina samarbetspartner Innogy och Qivicon. Qivicon är en stor smart hemplattform som också är basen för till exempel Qivicon / Magenta SmartHome.
Homematic IP är en egen radio, enheterna fungerar genom samarbete men också med Magenta och Innogy.
funktionalitet
- BidCoS är ett dubbelriktat protokoll. Detta innebär att mottagaren alltid måste bekräfta ett meddelande.
- Radiostandarden överför data med AES-autentisering och 128-bitars kryptering.
fördelar
- hög säkerhet
nackdel
- inte kompatibel med andra smarta hemsystem (förutom samarbetspartners)
Smarta hemsystem med Homematic IP / BidCoS
- HomeMatic
- Max!
- Qivicon / Magenta SmartHome
- Innogi
7. Dect ULE
DECT-radiostandarden (för Digital Enhanced Cordless Communication) spred sig redan på 1990-talet med tillkomsten av trådlösa telefoner. Ultra Low Energy (ULE) -varianten av DECT-protokollet är optimerad för låg energiförbrukning.
Dect Ule-enheter kan styras direkt via Fritz! Box. Till exempel det smarta uttaget från AVM.
funktionalitet
- DECT ULE står inte för ett enda protokoll, utan för många protokoll från olika tillverkare i 1 890-1 900 MHz-bandet.
- För att kommunicera med varandra behöver smarta hemapparater som använder DECT ULE-protokollet en gateway som ett centrum för inkommande och utgående meddelanden.
Tillämpning
Radiostandarden används inte bara för telefoner och routrar utan också för smarta lampor och sensorer.
fördelar
- Låg störning tack vare sitt eget frekvensband
nackdel
- används relativt sällan
Smarta hemsystem med Dect ULE
- Magenta Smart Home (Telekom)
- AVM (Fritz! Box)
- Gigaset Elements Smart Home
Kombinera olika standarder
Öppet designade smarta hemsystem erbjuder möjligheten att kombinera olika trådlösa standarder. Ett brett utbud av smarta hemstandarder är integrerade i kontrollcentralerna för system som Magenta eller Homee.
”Självhäftande appar” som IFTTT, iHaus, Apple HomeKit, Google Assistant eller Amazon Alexa fungerar också som en brygga mellan smarta hemenheter med olika trådlösa standarder. I princip utvärderas information från olika appar i en central app. Till exempel skickar D-Link-sensorn en hörbar signal när Arlo-sensorn upptäcker rörelse. Förutsättningen är att de enskilda enheterna är kompatibla med den valda självhäftande appen.
KNX-RF: Utöka bussystemet med radioenheter
När det gäller nya byggnader eller efterföljande installation av ett smart hem i en gammal byggnad kan ägare överväga om de vill implementera smarta hemkontrollen via kabelinstallation istället för radio. Antingen kan strömkabeln användas som ett anslutningselement (kraftledningssystem) eller som ett separat bussystem som går som en andra linje bredvid kraftledningen (KNX-systemet). KNX-bussen möjliggör integrering av smarta hemapparater från olika tillverkare och kan kombineras med Powerline och Ethernet.
För KNX-systemet finns nu också en hybridlösning bestående av trådbundna och radiobaserade enheter som kan styras via samma användargränssnitt. Detta är till exempel användbart för att utöka ett trådbundet smart hem med ytterligare funktioner. Lämplig radiostandard kallas KNX-RF. Ett rent trådlöst smart hem kan också implementeras med denna teknik, vilket också är möjligt med de trådlösa standarderna i jämförelsen ovan. Eftersom anslutningen och programmeringen är relativt komplexa riktar KNX-RF sig mer till KNX-specialister och ägare som vill kombinera KNX och KNX-RF.