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1-2023

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Zeitschrift für Elektro-, Gebäude- und Sicherheitstechnik, Smart Home

Gebäudetechnik und

Gebäudetechnik und -automation Das IoT und seine Protokolle für Haus und Gebäude Energieeffiziente und sichere IoT-Infrastrukturen benötigen ein optimales Protokoll für den effektiven Betrieb. Welche Protokolle werden in Häusern und Gebäuden genutzt? Bedeutung der IoT-Protokolle Internet of Things (IoT) bedeutet im Wesentlichen die Vernetzung eines Haushalts oder Unternehmens und seine Anbindung an das Internet. 1999 wurde der Begriff am Auto-ID Center am Massachusetts Institute of Technology geboren. Die Vision dahinter: Computer sollen in der Lage sein, sich unabhängig vom Menschen Informationen zu beschaffen. Die reale Welt muss für die PCs zugänglich sein – ohne Zutun der Menschen. Dies ist heute im großen Maßstab möglich. Tendenz steigend. Haus/Gebäude und IoT Energieverbrauch und Sicherheit in IoT-Geräten IoT-Protokolle steuern die Kommunikation zwischen den IoT-Geräten, Servern und Diensten, die die einzelnen Geräte miteinander verbinden und deren Daten analysieren oder für andere Zwecke nutzen. Die Kommunikation spielt zwischen den IoT-Geräten eine genauso wichtige Rolle wie zwischen Endgeräten und Gateways. (Ein Gateway stellt eine Verbindung zwischen zwei Systemen her bzw. ein IT-System, das seinen Kommunikationspartner nicht direkt kennt, wendet sich an sein Gateway.) Dadurch entstehen oft vielschichtige Infrastrukturen, die vom eingesetzten IoT-Protokoll abhängen. Da IoT-Geräte nahezu ununterbrochen mit dem Internet verbunden und in IoT-Infrastrukturen oft auch sehr viele Geräte im Einsatz sind, stehen Energieverbrauch und Sicherheit an erster Stelle. Hier hat man griffige Auswahlkriterien für das richtige Protokoll, das auf den Geräten und in der Infrastruktur zum Einsatz kommt. Ziel ist es hier, für einen komfortableren und sichereren Alltag der Menschen zu sorgen. Alltagsgegenstände sollen dazu miteinander vernetzt sein und untereinander kommunizieren. Ein Grundbestandteil dabei ist die RFID- Technologie, durch die Waren und Geräte nicht nur eine eigene Identität in Form eines Codes erhalten, sondern auch Zustände erfassen und Aktionen ausführen können. Beispiele: Kühlschränke füllen selbstständig Vorräte wieder auf, Waschmaschinen arbeiten erst dann, wenn der Strom besonders günstig ist, das auf eine Verpackung gerichtete Smartphone zeigt, welche Lieferwege das Produkte hinter sich hat und woher es stammt, Autobatterien melden automatisch, dass sie leer sind, Autofahrer lernen per App, wie sie Sprit sparen können, Beleuchtung reagiert auf Musik oder das Wetter. Oder offene Fenster schließen sich nach Verlassen des Hauses selbständig, und Steckdosen schalten sich nur dann ein, wenn man im Raum ist. Als internetfähigen Objekte gelten beispielsweise auch Heizkörper-Thermostaten, Sicherheitskameras, Messgeräte für Körperdaten, Fallsensoren im Teppich oder Spielzeuge. Oder Garagentore, die Bescheid geben, wenn sie offengeblieben sind oder unbefugt geöffnet wurden. Oder Baby-Strampelanzüge, die über den Zustand des Sprösslings informieren. Die Anbindung von physischen Dingen an das Internet hat Potential. Es wird immer mehr Produkte geben, die ins Internet gehen können, schon wenn sie die Fabrik verlassen: Smart-Devices. Leider sind viele Smart Devices anfällig für Cyberattacken. Man könnte sagen: Mit der Ausdehnung des IoT braucht selbst eine Glühbirne Cybersicherheit. Ein zweiter Knackpunkt ist heute die Energiebilanz. Hier sollte man sich nicht täuschen, da sich geringer Verbrauch mit der Anzahl der Anwendungen aufaddiert und ständig abverlangt wird. Der hohe Vernetzungsgrad bietet also neue Möglichkeiten, schafft aber auch neue Schwachstellen. Darum gilt: Wer die Vorteile des IoT nutzen will, braucht gründliche Kenntnisse, vor allem über die Palette der möglichen Übertragungsprotokolle (auch Standards genannt). Für den Bereich „Haus/Gebäude“ eignen sich besonders folgende Protokolle: Bluetooth und WLAN Diese bekannten Technologien werden in IoT-Anwendungen häufig genutzt, vor allem in den unteren Schichten (s. Kasten). Bluetooth in der Ausprägung Low Energy (LE) erlaubt dabei besonders energiesparende Netzwerke. Die Bluetooth-Technologie nutzt das 2,4-GHz-ISM-Band (2400 bis 2483,5 MHz), das ein gutes Gleichgewicht zwischen Reichweite und Durchsatz ermöglicht. WLAN steht für Wireless Local Area Network. WLANs stellen Anpassungen der Schicht 1 und 2 des OSI-Referenzmodells (s. Kasten) dar. Der Frequenzbereich im 2,4-GHz-Band wurde in 14 Kanäle aufgeteilt. Für überlappungsfreie Funkzellen sind in Europa vorgeschriebene Kanalkombinationen zu verwenden. Die Frequenzen 5755 bis 5925 MHz sind in Deutschland von der Bundesnetzagentur für Broadband Fixed Wireless Access (BFWA) für gewerbliche öffentliche Netze freigegeben und meldepflichtig. Die Reichweite ist stets auf einige 10 m im Gebäude begrenzt. Übrigens: Neuerdings tragen WLAN- Standards einfache Bezeichnungen. So heißt die neue Variante einfach WiFi 6 statt 802.11ax, während für den Vorgänger 802.11ac WiFi 5 verwendet wird. Gerade in sogenannten High- Density-Bereichen, z.B. in Bereichen, 22 Haus und Elektronik 1/2023

Gebäudetechnik und -automation Produktbeispiel: Das SiWx917 von Silicon Labs ist ein 2,4 GHz WiFi 6 + Bluetooth LE 5.1 Chip für drahtlose IoT-Geräte mit extrem niedrigem Stromverbrauch male Überwachung möglich, dann ist die Verschlüsselung besonders sicher und drittens besteht Abwärtskompatibilität. Etwa Überwachungskameras oder Bewegungs- und Rauchmelder sowie Sensoren für Fensterscheiben lassen sich mitunter einfach per Knopfdruck in das Smart-Home-Netzwerk integrieren. Und neben der sicheren Verschlüsselung bietet der Standard die Möglichkeit, vorhandene DECT- Gateways per Software-Update auf ULE umzustellen. Somit muss der an den TCP/IP-Stack und nehmen ihn von dort auch wieder entgegen. (Ein Stack ist eine häufig verwendete hierarchische Grundstruktur. Sie besteht in der Regel aus logisch übereinander gestapelten Software-Funktionskomponenten.) Mit der für die Übertragung nötigen TCP-Paketstruktur und mit den Parametern der ausgehandelten Verbindung haben die Anwendungen nichts zu tun. UDP steht für User Datagram Protocol und ist ein sogenanntes ver- aber nicht so sicher. Denn der Absender weiß nicht, ob seine verschickten Datenpakete angekommen sind, weil keine Bestätigungen beim Datenempfang erfolgt. Das hat aber den Vorteil, dass der Paket-Header viel kleiner ist und dass es auf der Übertragungsstrecke keine zeitverzögernden Bestätigungen gibt. (Man spricht von einem Header, wenn ein bestimmtes Element immer wieder vor anderen verwendet oder als Standardelement von etwas Anderem eingesetzt wird.) Constrained Application Protocol wo mehrere IoT-Devices gleichzeitig auf das WLAN zugreifen, sorgt WiFi 6 für eine zuverlässigere Netzwerkverbindung. Zum Einsatz kommen wie gewohnt Bänder bei 2,4 und 5 GHz. WiFi 6E verwendet den Frequenzbereich zwischen 5,925 und 7,125 GHz. Einbettung in den Mobilfunk Die IoT-Technologie lässt sich auch mithilfe der bestehenden Mobilfunktechnologie umsetzen. Mit aktuell vierten Generation 4G und der sich entwickelnden fünften Generation 5G kann man die IoT-Daten sehr schnell versenden. Dabei sind im Gegensatz zu Bluetooth und WLAN auch große Netzwerke möglich. Den Vorteilen „bereits bestehendes System“, „hohe Geschwindigkeit“ und „Möglichkeit großer Netzwerke“ stehen jedoch als Nachteile laufend anfallende Kosten und ein höher Energieverbrauch gegenüber. Der ULE-Standard Die ULE Alliance bietet seit Anfang 2015 ein Zertifizierungsprogramm für Produkte an, die auf dem Ultra-Low- Energy-Standard (ULE) basieren. Der energiesparende Standard nutzt DECT-Frequenzen und ermöglicht die einfache Verknüpfung verschiedener Smart-Home-Komponenten unabhängig vom Hersteller. (DECT steht für Digital Enhanced Cordless Telecommunications, also „digital verbesserte kabellose Telekommunikation“ und ist ein Standard für die Signalübertragung von mobilen Festnetzstationen innerhalb von Gebäuden zu deren Basisstationen.) Doch deckt ULE auch den Bereich „Sicherheit“ ab, und zwar in dreifacher Hinsicht: Einmal wird opti- Produktbeispiel: Die Digi XBee 3 Cellular LTE-M/NB-IoT-Module sind ideal für Anwendungen mit geringem Datenaufkommen und wo die Latenzzeit nicht kritisch ist bei niedrigem Stromverbrauch und geringen Kosten (Foto: Fa. Bressner) Nutzer kein neues Gateway anschaffen, wenn der Hersteller ein entsprechendes Update anbietet. Aktoren und Sensoren, die auf dem ULE-Standard beruhen, können bis zu zehn Jahre ohne Batteriewechsel betrieben werden. Damit hat dieser Funkstandard das Potenzial, um den bisherigen Platzhirschen in der Haus- und Gebäudeautomation oder auch der Security- und Klimatechnik den Kampf anzusagen. Abstecher: TCP und UDP TCP steht für Transmission Control Protocol und ist ein sogenanntes verbindungsorientiertes Protokoll, was bedeutet, dass es maßgeblich Datenverluste verhindert durch Bestätigungen beim Datenempfang, dass es Dateien und Datenströme aufteilen und Datenpakete den Anwendungen zuordnen kann. Aus Sicht der Anwendungen ist TCP transparent. Diese übergeben ihren Datenstrom bindungsloses Protokoll, angesiedelt auf der Schicht 4, der Transportschicht, des OSI-Schichtenmodells (s. Kasten). Es hat damit eine vergleichbare Aufgabe wie das verbindungsorientierte TCP, arbeitet dabei Schichten in IoT-Infrastrukturen Das CoAP nutzt generell UDP und kann dadurch eine schnelle Kommunikation aufbauen. Vor allem bei geringen Bandbreiten kann CoAP die richtige Wahl sein, wenn IoT-Geräte untereinander kommunizieren sollen. Der Energiebedarf ist niedriger als beim Einsatz von Mobilfunk-Technologien. Das CoAP eignet sich vor allem für sehr große und verteilte IoT-Infrastrukturen mit schmaler Bandbreite und kurzen Nachrichten. Dabei lassen sich die Daten auch verschlüsseln und über HTTP-Proxys versenden. HTTP steht für Hypertext Transfer Protocol, ein Protokoll zur Übertragung von Daten auf der Anwendungsschicht über ein Rechnernetz. Es wird hauptsächlich eingesetzt bei Internet-Webseiten. Ein Proxy ist eine Kommunikationsschnittstelle in einem Netzwerk aus Rechnern in Form eines physischen Computers. Er arbeitet als Vermittler, der auf der einen Seite Anfragen entgegennimmt, um dann über seine eigene Adresse eine Verbindung zur anderen Seite herzustellen. Häufig kommt in IoT-Infrastrukturen das OSI-Schichtenmodell zum Einsatz. OSI steht für Open Systems Interconnection Model. Das ist ein Referenzmodell, mit dem sich die Kommunikation zwischen Systemen beschreiben und definieren lässt. Es besitzt sieben hierarchischen Schichten (Layers) mit jeweils klar voneinander abgegrenzten Aufgaben. Die Schnittstellen zwischen den Schichten sind exakt beschrieben. Jede Schicht bietet der direkt über ihr liegenden Schicht Dienste zur Nutzung an. Kommunizieren zwei Systeme miteinander, werden alle sieben Schichten mindestens zweimal durchlaufen, da sowohl der Sender als auch der Empfänger das Modell zu berücksichtigen hat. Netzwerkelemente und Zwischenstationen basieren je nach Funktion nur auf einer begrenzten Anzahl an Layers. So arbeitet beispielsweise ein Router auf den Schichten 1 bis 3. Die Schichten 5 bis 7 sind anwendungsorientiert. Von der Auswahl der Schichten hängt auch das richtige IoT-Protokoll ab, da dieses die Schichten optimal unterstützen muss. Haus und Elektronik 1/2023 23

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