Es werde Licht!

Energie sparen & Sicherheit erhöhen 

 

Die meisten Leuchten und Lampen in unserem Haus lassen sich auf herkömmliche Art und Weise - am Lichtschalter - ein- und ausschalten, aber auch über den Homeserver. Dieser hat die Aufgabe, anhand von Anwensenheitsstatus, Lichtwerten (Nacht,Tag,Dämmerung) und Status von Türen/Fenstern, diverse Leuchten automatisch zu steuern.
Dies hat neben erhöhtem Komfort im Wesentlichen positiven Einfluß auf den Energieverbrauch. Aber auch Sicherheit spielt eine Rolle. Mittels der Automatisierung können Leuchten bei Bewegung an- und wieder ausgeschaltet werden. Das Urlaubsprogramm simuliert Anwesenheit zu unterschiedlichen Zeiten.


Auszug aus den Automatik-Szenarien:

• An Werktagen morgens ab 6.00 Uhr, unter der Voraussetzung, dass es noch dunkel ist, Treppenhausbeleuchtung einschalten.
• Beim Verlassen des Hauses checkt der Server, ob noch Leuchten eingeschaltet sind. Diese werden dann vom Homeserver ausgeschaltet.
• Beim Verlassen des Hauses wird überprüft, ob Fernseher und Stereoanlage ausgeschaltet sind. Falls nicht, übernimmt auch das der Homeserver. 
• Wird die Terrassentür bei Dunkelheit geöffnet, wird die Außenlampe im Terrassenbereich eingeschaltet und mit Schließen der Tür wieder ausgeschaltet.
• Ändert sich der Status von Abwesenheit auf Anwesenheit und der Server registriert den Tageslicht-Status "DUNKEL", werden Außenlampen im Eingangsbereich für 5 Minuten eingeschaltet, damit der Hausherr das Schlülsselloch findet :-)
• Im Innenbereich werden diverse Lampen beim Wechsel von Ab- auf Anwesenheit eingeschaltet, damit der Hausherr was sieht, wenn er reinkommt :-)
• Klingelt es an der Haustür, werden bei Anwesenheit die Außenlampen eingeschaltet. 
• Werden am Tage (Lichtstatus=TAG) Außenlampen eingeschaltet, was ja durchaus durch vesehentliches Betätigen eines falschen Schalters geschehen kann, werden diese nach 3 Minuten automatisch wieder ausgeschaltet. 

Das System erkennt, wenn seine Bewohner den Tag beenden und ins Bett gehen (dazu später mehr). Zu diesem Zeitpunkt erfolgt ein weiterer Systemcheck, ob alle Leuchten und nicht benötigten Verbraucher ausgeschaltet sind.

Neben den o.a. automatischen Abläufen, lassen sich die Leuchten natürlich auch über das Webfront (am Ipad, Smartphone oder Windows-Rechner) steuern:

Fast alle Leuchten im Innen- uns Außenbereich (sofern die Leuchtmittel das zulassen) werden über Dimm-Aktoren gesteuert und können dadurch der Situation entsprechend energieeffizient eingesetzt werden. Bei automatischen AN-/AUS Opterationen werden die Leuchten "gefaded", also langsam von dunkel auf hell gedimmt und beim Ausschalten umgekehrt.

Erkennt das System den Zustand ABWESENHEIT, wird der Großteil der Beleuchtung automatisch ausgeschaltet.

Der 1-Wire Bus

Beim 1-Wire-Bus handelt es sich um einen sog. Eindraht-Bus zur Anbindung von speziellen Sensoren und Aktoren. Die Bezeichnung ist aber insofern irreführend, als natürlich -wie bei allen Stromkreisen- auch eine MASSE Leitung benötigt wird. Die Besonderheit des 1-Wire Bus ist vielmehr die Möglichkeit, Datenleitung und Spannungsversorgung über eine Leitung zu führen (Parasitärer Betriebsmodus). In der Praxis wird dieser Modus aber nicht von allen Systemen unterstützt, so dass im Regelfall 3 Adern notwendig sind.

Der Fernseher und die Hausautomatisierung

Des Deutschen liebstes Kind, der moderne Flatscreen im heimischen Wohnzimmer, bringt im Jahre 2013 viele technische Eigenschaften mit, die man sich im Sinne einer komfortablen Hausautomatisierung zunutze machen kann. Viele Geräte verfügen nicht nur über einen Netzwerkanschluss, sondern auch über mehr oder weniger offene Schnittstellen, die einen Remotezugriff erlauben.

Beispiel Philips. Dies soll bitte nicht als Werbung für diese Firma missverstanden werden. Das Gerät war einfach schon vorhanden, bevor ich damit anfing, diverse Systeme miteinander zu vernetzen. Philips TV Geräte bieten ab einer bestimmten Version eine offene Schnittstelle in Form eines Webservers, den man JSON-formatierte Kommandos senden kann. Das Projekt ist hier näher beschrieben.
JSON ist ein Datenaustauschformat, das mit  PHP5 (diese Sprache ist in IP-Symcon standardmäßig integriert) gut harmoniert. Was liegt also näher, als das TV über diese Schnittstellen mit dem Homeserver zu verbinden?

Hype, Quatsch oder die Zukunft?

Hausautomatisierung im Privatbereich ist Neuland. Anwender und Entwickler sind Pioniere in einem ziemlich neuen Umfeld - irgendwo zwischen Hauselektrik und IT. Sie werden nicht selten belächelt, der Mehrwert ihrer Projekte oft in Frage gestellt. Aus meiner Sicht gibt es aber 2 wesentliche Gründe, die dieses Thema in der Zukunft für Privathaushalte nicht nur attraktiv, sondern unumgänglich machen: 

• Die steigenden Energiekosten 
• Der demografische Wandel in der Gesellschaft.
  
  

Wir werden immer älter. Die Generation, die jetzt um die 40/50 ist (die Jüngeren sowieso), wird wie selbstverständlich auch im Alter Internettechnologie, Smartphones und Tablets nutzen um das Leben einfacher zu gestalten. 

Menschen werden aufgrund der hohen Kosten nicht im Alten- und Pflegeheim leben, sondern so lange es geht zu Hause - mit Unterstützung anderer Menschen und mithilfe moderner Technik. 

Auch die Kosten sind überschaubar geworden. Und die Vielfalt der Systeme und die Einsatzmöglichkeiten sind gewachsen. Noch vor wenigen Jahren war es beinahe unmöglich eine Bestandsimmobilie mit BUS-Technologie nachzurüsten. Bei Neubauvorhaben scheiterte die Implementierung solcher Systeme oft an den Kosten. 

Verbindungsorientierte Funkbus-Systeme, sind mittlerweile für kleines Geld zu haben. Die Nachrüstung kann sukzessive erfolgen und auch die Koexistenz zu herkömmlichen Systemen stellt kein Problem mehr dar. 

Das System, das hier vorgestellt wird ist über mehrere Jahre gewachsen. Ziel ist und war es, möglichst viele Komponenten in die Lage zu versetzen, miteinander zu interagieren. Das ist nicht immer einfach, da auch technische Geräte "unterschiedliche Sprachen" sprechen. Im Netzwerk- und Internetzeitalter wird es allerdings immer einfacher, auch diese Anforderung zu realisieren. Die meisten Geräte, auch Haushaltsgeräte,  verfügen mittlerweile über Netzwerkschnittstellen und unterstützen Standard-Protokolle wie TCP/IP und SMTP. Die eigentliche Herausforderung lag darin, alle noch so unterschiedlichen Komponenten von unterschiedlichen Herstellern unter einer Plattform und einer Oberfläche so zu verbinden, dass der Anwender alles "wie aus einem Guss" bedienen kann. 

Ich will an dieser Stelle auch nicht verschweigen, dass einige wenige der hier beschriebenen Projekte, in erster Linie der Neugier und dem "Spieltrieb" des Betreibers entsprungen sind und eher weniger mit Energieeinsparung und anderen lobenswerten Zielen zu tun hatten. Trotzdem zeigen auch diese, was heute schon alles möglich ist. 

Alt und Neu integriert

Natürlich kann man nicht alle Schalter und Lampen auf einen Schlag von Standard auf Bus-System umstellen. Eigentlich will ich das auch gar nicht. Man muss nicht alle Lampen im Haus per Automationssystem steuern, vor allem nicht die Deckenlampen. Daraus ergibt sich aber zwangsläufig, dass man neue und herkömmliche Technologie unter einen Hut bringen muss - auch optisch. Das fängt mit den Lichtschaltern an.


Die Hersteller bieten einem zu diesem Problem mittlerweile vielfältige Möglichkeiten. So kann man z.B. Schaltaktoren einsetzen, die man mit einem Standard-Schalter bedienen kann. Beispiel für einen Installationssender, den man in einer Unterputzdose hinter einem normalen Schalter platzieren kann :




Weiterhin besteht die Möglichkeit, Bus-Schalter für Standard Schaltsysteme einzusetzen, so dass man rein optisch nicht mehr unterscheiden kann, ob es sich um das eine oder das andere System handelt. Bei dieser Kombination sind 1 Standard Wechselschalter, 1 Busschalter mit Standard-Wippschalter und ein 6-fach Homematic Busschalter verbaut. Das ganze wurde in einem Berker 3-fach Glasrahmen eingefasst:

You cannot manage what you cannot measure (Teil II)

Jetzt geht's um Stromverbrauch. Wir brauchen mit 2 Personen, beide tagsüber berufstätig, ca. 4.500 kWh Strom im Jahr. Viel zu viel. Aber mittlerweile wissen wir mit ziemlicher Sicherheit woran das liegt. Die Realtime-Erfassung von Verbrauchswerten gibt Aufschluss über Stromfresser und Last-Spitzenzeiten. Wir haben dieses System erst seit 2 Wochen im Einsatz, aber in dieser Zeit schon viel über die wirklichen Energiefresser im Haus gelernt: Spülmaschine, Zentralheizung etc...

Die Messung der Daten erfolgt mittels Drehstromzähler mit S0-Ausgang. Genau wie beim Gaszähler, werden hier S0-Impulse ( genauer gesagt 1000 Imp. pro kWh ) an den Homeserver gesendet.

Der  Zähler wird 3-Phasig direkt hinter den Hauptsicherungen angeschlossen, so dass alle Stromkreise und alle Phasen in die Messung mit einfließen. Die Visualisierung erfolgt - wie könnte es anders sein - in unserem Webfront Portal :

Interessant ist hierbei nicht nur der Verbrauch in kWh, sondern die in Echtzeit ablesbare Last in Watt. Stromfresser, wie Spülmaschine oder Trockner führen zu Werten von über 2.000 Watt. Der Herd und das Induktionskochfeld bringen's auf über 3.000 Watt. Ein Großteil unserer Energie wird - nach 2 Wochen Erfahrung mit diesem System - in der Küche verbraucht. Ein weiterer "Stromfresser" ist die Zentralheizung, die hier im Winter permanent mit 150 Watt dabei ist. Bei Abwesenheit fällt die Grundlast des Hauses auf ca. 250 Watt.

You cannot manage what you cannot measure (Teil I)

Man kann sich am Ende des Jahres von der Strom- oder Gasrechnung überraschen lassen und dann beschließen, im nächsten Jahr alles besser zu machen und ordentlich Energie zu sparen. Oder man lässt sich taggenau über den aktuellen Verbrauch informieren. Letzteres hilft nach meiner Erfahrung, sein "Energieverbrauchsverhalten" etwas besser kennenzulernen und gibt einem so die Möglichkeit, wirklich Energie einzusparen.

Unseren Gaszähler habe ich vor 2 Jahren mit einem S0-Lesemodul ausgestattet. Dieses Modul ist in der Lage, mittels REED Kontakten, die Umdrehungen des Zählers mitzulesen und so die Verbrauchsdaten an einen Server zu senden. Das ist in meinem Fall natürlich wieder der Homeserver mit IP-Symcon.
Das Modul hat - soweit ich mich erinnere - noch keine 20 EUR gekostet und wird von der gleichen Firma angeboten, die auch die Zähler selbst herstellt. Insofern handelt es sich bei diesem Konstrukt also nicht um eine "Bastel-Lösung" sondern um ein vom Hersteller zugelassenes Verfahren. Der nette Zählerablese-Mann unseres Gasversorgers hat mir das ebenfalls bestätigt.

Der Kontaktzähler wird in eine im Zähler bereits vorgesehene Nut eingesetzt und mit einer Schraube befestigt. Eine Spannungsversorgung ist nicht notwendig. Mittels 2-poligem S0-Kabel geht's zum S0-Logger, der die Daten sammelt und an den Homeserver weiterleitet.

Herstellerübergreifende Vernetzung

Stand heute, gibt es nach meiner Wahrnehmung eine Menge "Insellösungen", die es ermöglichen, Teilbereiche der Haustechnik zu automatisieren. Ab er eben nur Teilbereiche - meistens beschränken sich solche Lösungen auf die Ansteuerung von Licht, Rolläden und andere 230V-Komponenten.
Komfortabel wird es aber erst dann, wenn ein Zusammenspiel mit anderen Systemen gelingt, die auf den ersten Blick überhaupt nicht kompatibel - und damit scheinbar nicht integrierbar - sind.
Energie-effizientes Steuern wird nur dann optimal funktionieren, wenn Systeme aufgrund von Sensoren möglichst viele Informationen erhalten, Temperaturwerte, Lichtwerte, Status der Fenster und Türen und Informationen darüber, ob der Hausbesitzer überhaupt anwesend ist.

Es muss also eine Plattform her, die es ermöglicht, viele Standardsysteme zu integrieren und zu einem Ganzen zu machen, für den Benutzer absolut transparent, über eine homogenen Oberfläche.

Meine Wahl fiel dabei auf IP-SYMCON. Eine Plattform, die genau das ermöglicht. Neben der Unterstützung von Standard-Bussystemen, wie EIB/KNX, Homematic, LCN etc. erlaubt die Software die Anbindung anderer Geräte über Standardschnittstellen, TCP/IP Ports oder serielle Ports. Darüber hinaus sorgt eine integrierte Datenbank dafür, dass beliebig viele Werte langfristig gespeichert und ausgewertet werden können. Über die voll integrierte Programmiersprache PHP 5, lassen sich über den Standard hinaus, individuelle Abläufe und Visualisierungen realisieren. Als Frontend kommt eine Weboberfläche zum Einsatz, die sich beliebig anpassen lässt.

Beispiel :

Die Startseite der Weboberfläche zeigt eine Vielzahl von Statusinformationen, die mit ganz unterschiedlichen Sensortypen und Technologien generiert werden. Ziel dieser Portalseite ist es, komprimiert auf einen Blick den Zustand der wichtigsten Systeme erkennen zu können.
Die Temperaturwerte stammen aus kabelgebundenen 1-Wire Sensoren ( 18b20+ ) oder FS20 HMS100 Sensoren, die ihre Daten zyklisch über Funk an die Zentrale übermitteln.
Wetterdaten, wie Sonnenauf- und Untergang, sowie Mondphasen wurden aufgrund von Längen- und Breitengrad per PHP Skript ermittelt. Die WLAN-Informationen stammen direkt aus der Fritzbox, die via IP-Port an das Systeme angebunden ist. Zur Auswertung der Türen/Fenster werden Schließkontakte von Homematic eingesetzt, die ebenfalls über Funk ( 868 Mhz ) ihre Informationen an die Zentrale senden.
Informationen über anstehende E-Mails werden zyklisch im jeweiligen Postfach per IP abgefragt. Der Leistungsbezug im Bereich "Energieverbrauch" wird mittels eines Drehstromzählers ermittelt, der zyklisch seine Daten über eine S0-Schnittstelle an das System zur weiteren Auswertung sendet.

Zu den einzelnen Kompoenten später im Detail etwas mehr...

Die Startseite soll an dieser Stelle die vielfältigen Möglichkeiten verdeutlichen. Wichtig war mir hierbei, ein Informations-Portal zu schaffen, das einem über Marken- und Technologiegrenzen hinaus z.B. abends auf dem Sofa via Tablet-PC, alle wichtigen Informationen auf einer Seite liefert. Vom anstehenden Geburtstag über die bevorstehenden Müllentsorgungstermine bis hin zu Anzahl ungelesener Mails und Nachrichten auf dem AB.

Komfort ohne Abhängigkeit

Bei allen hier beschriebenen Projekten ist natürlich immer wieder vom "Homeserver" die Rede. In unserem Fall übrigens ein kleiner Netbook mit Atomprozessor, der in der Abstellkammer klaglos seine Arbeit verrichtet.

Ich finde es aber extrem wichtig, dass alle Grundfunktionalitäten im Haus auch ohne diesen Server gegeben sind. Aus diesem Grund funktionieren alle Schalter und Aktoren immer auch auf direktem Wege. Die Funkbuskomponenten kommunizieren Point-to-Point direkt miteinander, ohne dass der Server dazu erforderlich wäre. So muss man hier also nicht auf Licht und Wärme verzichten, wenn der Notebook nicht mehr läuft. Den oft in diesem Zusammenhang erwähnten "Single point of failure" gibt es also nicht. Lediglich auf ein paar Komfortfunktionen, die Visualisierung und das Smartmetering ( Auswerten von Energie Verbrauchswerten ) muss man in diesem Fall verzichten. Das ist aber verschmerzbar. In diesem Zusammenhang sei aber erwähnt, dass der Server und das Software System sehr stabil laufen.

Also, Hausautomatisierung ist nicht gleichbedeutend mit der Abhängigkeit von einem Rechnersystem. Das wäre fatal!

Jemand zu Hause ?

Eine Kernkomponente des Systems ist die Anwesenheitserkennung. Hierbei geht es schlicht darum, dass das System erkennt, ob die Bewohner des Hauses anwesend sind oder nicht.

Bei Abwesenheit werden nicht benötigte Systeme abgeschaltet oder in den "Schlafmodus" versetzt um Energie zu sparen. Außerdem wird das WLAN abgeschaltet, was nicht nur Energieeinsparung zur Folge hat, sondern auch die Sicherheit erhöht. In ein abgeschaltetes WLan kann man sich nun mal nicht "einhacken" :-) Das sind aber nur einige wenige Beispiel, wie man die Anwesenheitserkennung sinnvoll einsetzen kann. 

Aber wie geht das? 

Die Bewohner des Hauses tragen diesen kleinen Schlüsselanhänger an ihrem Bund. Dieser sendet regelmäßig kurze Impulse an den Homeserver. 

Sind keine Sender mehr in Reichweite, schaltet das System in den Abwesenheitsmodus. Kommt ein Bewohner nach Hause, empfängt das System ein Signal und schaltet auf Anwesenheit. Die blaue Taste kann außerdem mit einer Garagentorsteuerung gekoppelt werden. 

Szenarien im Zusammenhang mit der Anwesenheitssteuerung: 

System schaltet auf Abwesenheit : 

• WLan ausschalten
• Anrufbeantwortet einschalten 
• Bei Dunkelheit Rollladen schließen 
• Überprüfung des Garagentors. Falls geöffnet, schließen. 
• Brennt noch irgendwo Licht? --> Abschalten.
• Heizung absenken 
• Checken, ob noch Fenster geöffnet sind. Dann SMS oder Mail an Bewohner.
• Alarmanlage bzw. Glasbruchmelder aktivieren 
• Außensteckdosen abschalten, Gartenbrunnen abschalten
• Garagentür schließen (z.B. über HM Schließautomatik)

System schaltet auf Anwesenheit ( jemand kommt nach Hause ) : 

• Wenn's dunkel ist, Außenbeleuchtung an
• Heizung hoch regeln
• AB abschalten oder Annahmeverzögerung erhöhen 
• Licht im Eingangsbereich und an der Garage außen an
• WLan einschalten 
• Rolladen ggf. wieder ein Stück öffnen 

Was genau, im Zusammenhang mit der Anwesenheitserkennung geschaltet werden soll, kann der Bediener selbst entscheiden. Man kann diese Option komplett abschalten, oder eine der folgenden Optionen an- oder ausschalten : 

Das Haus und das Internet

Die Anbindung des Systems an das Internet ist möglich, aber nicht Pflicht. Natürlich ergibt sich die Notwendigkeit zwangsläufig, will man von extern auf das System zugreifen. Dann sollte man allerdings ein paar Sicherheitsgrundregeln beachten, damit die Hauselektrik nicht dem Hackerangriff zum Opfer fällt.

Das System ist nur nach Passwort Authentifizierung erreichbar

Ja logisch. Damit nicht Hinz und Kunz hier das Licht einschalten oder das Garagentor öffnen, sollte das System schon mit einem komplexen Kennwort gesichert sein. 

Das Web Backend ist per Browser nur verschlüsselt über SSL erreichbar 

Dieser Punkt wird leider oft sträflich vernachlässigt. Ohne SSL Verschlüsselung sind Passwörter Schall und Rauch, weil sie im Prinzip zwischen Sender und Empfänger mitgelesen werden können. Man sollte also tunlichst dafür sorgen, dass der Zugriff nur über Port 443 erfolgen kann. Setzt man z.B. eine Fritzbox von AVM ein, ist dies über eine Portweiterleitung relativ einfach zu realisieren. 

Hat man diese Punkte beherzigt, spricht nichts dagegen, das hier oft beschrieben, web-basierte Haussteuerungs-Portal auch von Unterwegs oder aus dem Urlaubsort zu benutzen.