DE202015002194U1 - Smart home system based on Ethernet technology - Google Patents
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Abstract
Smart-Home-System auf Basis der Ethernet-Technologie.Smart home system based on Ethernet technology.
Description
I. EinleitungI. Introduction
Thema & FragestellungTopic & question
Zum Projekt „MyHome” führten uns zwei Aspekte:
Einerseits entschieden wir uns beim Übertritt in die Oberstufe im P-Seminar für ein Projekt zum Thema „Regenerative Energien”. Aufgabe in diesem Seminar war es, ein funktionsfähiges Modell zu diesem Thema zu konstruieren.For the project "MyHome" we had two aspects:
On the one hand, we decided on the transition to the senior level in the P-seminar for a project on "renewable energies". The task in this seminar was to construct a working model on this topic.
Zum anderen beschäftigten wir uns mit den Themenkomplexen „Smart Grid” und Smart-Home-Systemen. Der Teilnehmer Jonas Pfrang reichte hierzu im Jahr 2012 gemeinsam mit zwei anderen Schülern ein Jugend Forscht Projekt („POE@Home”) ein, welches aus verschiedenen Gründen scheiterte. Anders als in dem damaligen Projekt zielen wir nicht auf die Entwicklung eines Bussystems auf Basis eines eigenentwickelten PoE-Standards ab, sondern setzen auf eine Kombination aus erneuerbaren Energiequellen und bewährten Standards, welche wir erweitern. Aus diesem Grund ist keine Weiterverwendung der Bestandteile aus POE@Home möglich.On the other hand, we dealt with the subject areas "Smart Grid" and Smart Home Systems. In 2012, the participant Jonas Pfrang and two other students submitted a Youth Research Project ("POE @ Home"), which failed for various reasons. Unlike the project at the time, we do not aim to develop a bus system based on a proprietary PoE standard, but rely on a combination of renewable energy sources and proven standards that we expand. For this reason, no further use of the components from POE @ Home is possible.
Power over Ethernet ist ein Verfahren, elektrische Geräte über Netzwerkkabel mit Strom zu versorgen. Hierdurch wird die gleichzeitige Übertragung von Strom und Daten über Netzwerk möglich.Power over Ethernet is a method of supplying electrical equipment with power via network cables. This allows simultaneous transmission of power and data over the network.
Unser wesentlicher Forschungsansatz lässt sich wie folgt formulieren:Our essential research approach can be formulated as follows:
Wie könnte ein auf den Nutzer ausgerichtetes Smart-Home-System aussehen und technisch funktionieren?What could a user-oriented smart home system look like and function technically?
Folgende Probleme aktueller Technik sollen durch unser System verbessert werden:
- – Die schlechte Usability/hohe Komplexität bestehender Smart-Home-Lösungen (
Billerbeck, 2013 - – Die hohe Vielzahl an verschiedenen inkompatiblen Standards: Schlechte Interoperabilität zwischen verschiedenen Geräten verschiedener Hersteller (
Nuissl, 2013 - – Hoher Preis bestehender Smart Home Lösungen (
Billerbeck, 2013 - – Komplizierte Installation bestehender Lösungen (
Fasse, 2013 - – Akzeptanz ist derzeit sehr schlecht trotz hohem Interesse (
Billerbeck, 2013
- - The poor usability / high complexity of existing smart home solutions (
Billerbeck, 2013 - - The high number of different incompatible standards: poor interoperability between different devices of different manufacturers (
Nuissl, 2013 - - High price of existing smart home solutions (
Billerbeck, 2013 - - Complicated installation of existing solutions (
Barrel, 2013 - - Acceptance is currently very bad despite high interest (
Billerbeck, 2013
Im Zuge des P-Seminars haben wir uns darüber hinaus mit neuartigen Solartechnologien und einer teilautarken Energieversorgung beschäftigt, die wir im Rahmen dieser Arbeit nicht detailliert ausführen können.In the course of the P-seminar, we also dealt with new solar technologies and a partially self-sufficient energy supply, which we can not elaborate on in this work.
Stand der Technik & MarktlageState of the art & market situation
Im Bereich Hausautomatisierungssysteme wurden in den letzten Jahren viele verschiedene Produkte und getrennte Standards entworfen. Grundsätzlich kann man drei verschiedene Ansätze unterscheiden (
Der wohl Bekannteste von ihnen ist KNX (
The most well-known of them is KNX (
Außerdem lassen sich Powerline Systeme anführen. Dabei werden die Steuersignale auf das gebäudeinterne Stromnetz „aufmoduliert”. Beispiele für solche Systeme sind „digitalStrom” oder „X10” von Pico Electronics. Die Einrichtung dieser Automatisierungssysteme kann nicht von Laien, sondern muss durch einen Elektriker vorgenommen werden, der die nötigen Bausteine (Haussteuerungszentrale, Master pro Stromkreis) einbaut. Das bedeutet wiederum, dass auch beim Einbau dieser Art von Smart-Home-Systemen mit einem Aufpreis von mehreren tausend Euro im Vergleich zur konventionellen Installation zu rechnen ist. Im Betrieb weisen die Systeme zudem den Nachteil auf, dass nur an das Stromnetz angeschlossene Geräte angesteuert werden können.In addition, powerline systems can be cited. The control signals are "modulated" onto the building's internal power grid. Examples of such systems are "digitalStrom" or "X10" from Pico Electronics. The installation of these automation systems can not be done by laymen, but must be done by an electrician who installs the necessary building blocks (house control center, master per circuit). This in turn means that even when installing this type of smart home systems with a surcharge of several thousand euros compared to conventional installation is to be expected. In operation, the systems also have the disadvantage that only connected to the power supply devices can be controlled.
Zuletzt sind noch auf Funk basierte Lösungen zur Hausautomatisierung zu nennen. Von besonderem Interesse sind hier die Standards „ZigBee” und „ZWave”. Beide kommunizieren im Frequenzbereich zwischen 850 MHz und 900 MHz. Vor allem wegen des günstigen Preises sind die Systeme sehr beliebt. Auch ihre Einrichtung ist in den letzten Jahren durch zahlreiche neue Entwicklungen immer einfacher geworden. Als Probleme der Technologien lassen sich vor allem die begrenzte Funkreichweite und die Energieversorgung der Sensoren anführen. Diese ist zumeist (abgesehen von „Energy Harvesting”) durch Batterien gelöst, die nach einiger Zeit keine Energie mehr liefern und ausgewechselt werden müssen (aufwändig). Hauptproblem von Funklösungen ist jedoch deren Störanfälligkeit (im genannten Frequenzbereich senden mittlerweile sehr viele Geräte) sowie das Thema Datensicherheit: Funksysteme können vergleichsweise einfach angegriffen werden.Finally, radio-based solutions for home automation must be mentioned. Of particular interest here are the standards "ZigBee" and "ZWave". Both communicate in the frequency range between 850 MHz and 900 MHz. Especially because of the low price, the systems are very popular. Their furnishing has become increasingly easier in recent years due to numerous new developments. Above all, the limited radio range and the energy supply of the sensors can be cited as problems of the technologies. This is usually (apart from "energy harvesting") solved by batteries that supply after some time no more energy and must be replaced (consuming). However, the main problem with radio solutions is their susceptibility to interference (in the mentioned frequency range, many devices are now transmitting) as well as the subject of data security: radio systems can be attacked comparatively easily.
Nachteile bestehender Systeme im Überblick Disadvantages of existing systems at a glance
KNX:KNX:
- – Hoher Installationsaufwand (Gleich- und Wechselstromnetz, Kabel von Unterverteilung zu Verbraucher → zusätzliche, lange Kabelwege)- High installation effort (DC and AC mains, cable from sub-distribution to consumer → additional, long cable ways)
- – Aufwendige Konfiguration- Elaborate configuration
- – Adapterbausteine zur Anbindung von anderen Peripherigeräten notwendig (z. B. Smart-TVs)- Adapter blocks necessary for connecting other peripheral devices (eg smart TVs)
- – Teilweise hoher Eigenstromverbrauch- Partly high own power consumption
- – Installation und Programmierung durch Elektriker nötig- Installation and programming by electricians necessary
- – Sehr teuer- Very expensive
Powerline-Systeme:Powerline Systems:
- – Notwendigkeit einer komplexen Installation im Sicherungskasten- Need for a complex installation in the fuse box
- – Nur Ansteuerung von Komponenten möglich, die an das Stromnetz angeschlossen sind (z. B. Probleme bei Heizungkörperthermostaten)- Only possible to control components that are connected to the mains (eg problems with radiator thermostats)
- – Bei Digitalstrom sind Konverter für die Anbindung von Geräten anderer Hersteller notwendig- For digital current, converters are required for the connection of devices from other manufacturers
- – Sehr teuer (geschätzte Kosten für EFH: 13'000 €)- very expensive (estimated cost of EFH: 13'000 €)
Funksysteme:Radio systems:
- – Begrenzte Funkreichweite- Limited radio range
- – Stromversorgung der Sensoren mit Batterien- Power the sensors with batteries
- – Störanfälligkeit- susceptibility to interference
- – Mangelnde Datensicherheit - Lack of data security
Zielsetzung des ProjektsObjective of the project
Auf der Basis der oben genannten Marktanalyse entwickeln wir die genauen Zielsetzungen unseres neuartigen Smart-Home-Systems:Based on the market analysis above, we are developing the exact objectives of our novel smart home system:
- • Geringer Installationsaufwand unter Einbeziehung des Nutzers• Low installation effort with the involvement of the user
- • Verbindung der „Standard-Netzwerkinstallation” mit der Smart-Home-Installation• Connection of the "standard network installation" with the Smart Home installation
- • Geringer Komponentenpreis• Low component price
- • Einfache Erstkonfiguration und Umkonfiguration des Systems• Easy initial configuration and reconfiguration of the system
- • Intuitives User-Interface zur Ansteuerung• Intuitive user interface for control
- • Erweiterbarkeit des Systems durch modularen Aufbau, d. h. einfache Möglichkeit andere Geräte wie Smart TVs nachträglich in das System zu integrieren• Expandability of the system through modular design, d. H. easy way to integrate other devices such as smart TVs later in the system
- • Berücksichtigung von Datenschutz• Consideration of privacy
- • Sicherstellung der Zuverlässigkeit des Systems• Ensuring the reliability of the system
- • Erhöhung der Attraktivität am Markt• Increasing the attractiveness of the market
- – Um den Aufbau und die Funktionsweise unseres Smart-Home Systems optimal zu visualisieren und darzustellen, entscheiden wir uns für die Konstruktion eines Modellhauses. In unserem Modellhaus wollen wir außerdem eine teilautarke Energieversorgung realisieren.- In order to optimally visualize and present the structure and function of our Smart Home system, we opt for the construction of a model house. In addition, we want to realize a partially self-contained energy supply in our model house.
II. Realisierung des ProjektsII. Realization of the project
Der erste Teil der Verwirklichung (Fokus auf die teilautarke Energieversorgung) unseres Projektes fand im Rahmen des Projektseminars „Regenerative Energien” am Gymnasium Grafing statt. An der Realisierung haben wir über ein ganzes Jahr gearbeitet (> 400 h insgesamt).The first part of the realization (focus on the semi-autonomous energy supply) of our project took place within the project seminar "Regenerative Energies" at the grammar school Grafing. We worked on the realization over a whole year (> 400 h in total).
Die Umsetzung lässt sich im Wesentlichen in drei Abschnitte gliedern: Nach einer Detailplanung der Teilaspekte unseres Projektes haben wir verschiedene Sponsoren geworben. Der Bau des Modellhauses, zusammen mit dem Einbau des Bussystems und der Energieerzeugungsanlagen, kennzeichnet die praktische Ausführung der theoretischen Ansätze. Für die Umsetzung stellen wir uns zudem einen genauen Aufgabenplan auf.The implementation can be divided essentially into three sections: After a detailed planning of the partial aspects of our project, we have promoted various sponsors. The construction of the model house, together with the installation of the bus system and the power generation plants, characterizes the practical implementation of the theoretical approaches. For the implementation, we also set up an exact task list.
Im Folgenden wird der Weg der Realisierung fokussiert auf das Smart-Home-System dargestellt.In the following, the way of realization focused on the smart home system is presented.
Bau des Modellhauses und Einbau der EnergieversorgungConstruction of the model house and installation of the power supply
Bevor wir unseren Forschungsaspekt testen und visualisieren können, müssen wir das Grundgerüst unseres Projektes bauen: Das Modellhaus zusammen mit den ,Energieerzeugungsanlagen'. Der Bau läuft grundlegend folgendermaßen ab:Before we can test and visualize our research aspect, we have to build the basic structure of our project: the model house together with the 'energy generation facilities'. The construction is fundamentally as follows:
1. Zeichnen von Bauplänen1. Drawing construction plans
Wir konstruieren genaue Detailpläne unseres Modellhauses. Diese schließen sowohl allgemeine Detailpläne zu den Abmessungen des Modellhauses als auch Detailpläne bezüglich der Elektroinstallation und Netzwerkinstallation ein.We construct accurate detailed plans of our model house. These include both general detailed plans of the dimensions of the model house as well as detailed plans regarding the electrical installation and network installation.
2. Einkauf der Baumaterialien anhand der Pläne2. Purchase of building materials based on the plans
Wir kaufen bereits nach unseren Plänen zurechtgeschnittene Platten ein und sortieren diese, um mit dem Bau des Hauses zu beginnen.We already buy plates cut to our plans and sort them to start building the house.
3. Konstruktion des Haus-Skeletts und Einbau von Außenwänden, Decken und Böden3. Construction of the house skeleton and installation of exterior walls, ceilings and floors
Das Gerüst wird verschraubt, die Böden und Außenwände soweit möglich mit Schrauben befestigt. Ein weiterer Teil wird aus Designgründen verklebt.The framework is screwed, the floors and outer walls as far as possible fastened with screws. Another part is glued for design reasons.
4. Schaffung der für die Elektroinstallation notwendigen Vorarbeiten 4. Creation of the necessary preliminary work for the electrical installation
Im nächsten Schritt werden die Hohlwanddosen für Schalter und Lampen in die Innenwände und Decken gebohrt. Zusätzlich werden zwischen den Außen- und Innenwänden Leerrohre angebracht, durch die die Kabel der Elektroinstallation geführt werden sollen.In the next step, the cavity wall boxes for switches and lamps are drilled into the interior walls and ceilings. In addition, empty pipes are installed between the outer and inner walls, through which the cables of the electrical installation are to be routed.
Anschließend werden alle Kabel verlegt und erste Komponenten wie die PoE-Switche testweise eingebaut.Then all cables are laid and the first components, such as the PoE switches, are installed as a test.
5. Anbindung der Anschlüsse nach außen5. Connection of the connections to the outside
Um das Modell möglichst komfortabel an Internet, Stromnetz und Messgeräte anschließen zu können, implementieren wir an einer Außenwand entsprechende Schnittstellen.In order to be able to connect the model as comfortably as possible to the Internet, power grid and measuring instruments, we implement corresponding interfaces on an outer wall.
6. Energieversorgung: Montage der organischen Solarzellen6. Energy supply: assembly of the organic solar cells
Montage der von der DTU aus Dänemark gesponserten organischen Solarzelle an der Westseite unseres Modellhauses.Assembly of the organic solar cell sponsored by DTU from Denmark on the west side of our model house.
7. Energieversorgung: Montage des monokristallinen Solarmoduls auf dem Dach7. Energy supply: Installation of the monocrystalline solar module on the roof
Das monokristalline 50 Wp Solarmodul montieren wir mithilfe einer speziellen Haltevorrichtung auf dem Dach des Modellhauses. Die Kabel ziehen wir durch die Zwischenwände in den Keller.The monocrystalline 50 Wp solar module is mounted on the roof of the model house using a special fixture. We pull the cables through the partition walls into the basement.
8. Aufbau der teilautarken Energieversorgung8. Structure of semi-independent power supply
Im Keller unseres Modellhaues montieren wir einen Laderegler, um den produzierten Strom in einen 17 Ah Akku zu speisen. Außerdem unterstützt der Laderegler die direkte Versorgung unseres internen Verbraucherkreises für unsere Lampen und der Lüftung. Zusätzlich ziehen wir durch die Leerrohre die restliche Elektroverkabelung.In the basement of our model house, we mount a charge controller to feed the produced electricity into a 17 Ah battery. In addition, the charge controller supports the direct supply of our internal load circuit for our lamps and ventilation. In addition, we pull through the conduits the remaining electrical wiring.
Entwicklung eines Smart-Home-Systems:Development of a smart home system:
Der „Ethernet-based-SmartHome-Bus” – EBBThe "Ethernet-based Smart Home Bus" - EBB
Im oben beschriebenen Teil zu ,Stand der Technik und Marktlage' fällt auf, dass es bereits eine Vielzahl von Entwicklungen im Bereich von Hausautomatisierungssystemen gibt.In the section on "state of the art and market situation" described above, it is noticeable that there are already a large number of developments in the field of home automation systems.
Warum also noch ein weiteres System?So why another system?
Der „perfekte” Standard wurde unserer Ansicht nach noch nicht gefunden. Aus diesem Grunde erforschen wir, ob ein neuer und einheitlicher Standard unter Berücksichtigung unserer Zielsetzung möglich ist.The "perfect" standard was not found in our opinion yet. For this reason, we explore whether a new and consistent standard is possible, taking into account our objectives.
„Ethernet-based-SmartHome-Bus” – so nennen wir das von uns entwickelte und umgesetzte Smart-Home-System. Bei der Entwicklung haben wir uns auf drei grundlegende Ziele beschränkt, welche aus der in I. genannten Zielsetzung resultieren:
- 1. Hardwareseitig setzen wir auf standardisierte Netzwerktechnik. Konkret besteht unser System aus einem Router (zuständig für die Zentralverwaltung aller Komponenten), zweier PoE Switche (Unterverteilung) und einer CAT. 6a AWG23 Netzwerkkabel-Installation. Alle Komponenten sind per Ethernet (oder per W-LAN) an den Bus angeschlossen. Als Vorteil dieses hardwareseitigen Aufbaus sehen wir vor allem die günstigen Kosten für Netzwerkkomponenten.
- 2. Der Nutzer muss im Vordergrund stehen. Kennzeichen unseres Systems ist die Ausrichtung auf Einfachheit für den Nutzer. Hardwareseitig setzen wir das durch Plug'n'Play bei der Hardware um. Dies bedeutet, dass der Nutzer jegliche Komponenten an den Bus anschließen kann, indem er einfach den Netzwerkstecker in das jeweilige Gerät steckt (Einfachere Installation von Komponenten). Vergleichbar ist dieser Vorgang mit dem Einstecken eines USB-Geräts in den Computer (Computer = Server des EBB). Durch den Einsatz von Power over Ethernet sind die Komponenten dadurch sowohl mit Strom als auch mit dem Datensignal versorgt (wie bei USB erkennt und konfiguriert der Server das Gerät automatisch). Unsere Software ist auf eine intuitive Bedienung ausgelegt. Durch eine WebApp stellen wir die Plattformunabhängigkeit sicher: Der Benutzer kann jedes Endgerät – sofern es HTML5 und Javascript unterstützt – zur Ansteuerung und Konfiguration (Konfiguration derzeit noch nicht implementiert) verwenden. Die Ansteuerung eines Geräts im EBB entspricht also der Ansteuerung eines USB Geräts, z. B. dem Senden eines Druckauftrags. Außerdem entwickeln wir für unser Smart-Home-System auch eine iPhone-App.
- 3. Ein modularer Aufbau des Systems hilft dabei, das System dynamisch erweiterbar zu machen. Ethernet wird bereits von vielen Geräten, wie z. B. Smart TVs, Stereo-Receivern etc. verwendet. Diese könnte man vergleichsweise einfach in unser System einbauen. Auch bei eventuell auftretenden Fehlern kann ein modular aufgebautes System einfacher repariert werden.
- 1. On the hardware side, we rely on standardized network technology. Specifically, our system consists of a router (responsible for the central administration of all components), two PoE switches (subdistribution) and one CAT. 6a AWG23 network cable installation. All components are connected to the bus via Ethernet (or via W-LAN). As an advantage of this hardware-based structure, we see above all the favorable costs for network components.
- 2. The user must be in the foreground. Characteristic of our system is the focus on simplicity for the user. On the hardware side, we implement this with plug'n'play hardware. This means that the user can connect any components to the bus simply by plugging the network plug into the device (simpler installation of components). Similar to this process with the insertion of a USB device into the computer (computer = server of the EBB). By using Power over Ethernet, the components are supplied with both power and data signal (as with USB, the server automatically detects and configures the device). Our software is designed for intuitive operation. Through a WebApp, we ensure the platform independence: The user can use any device - if it supports HTML5 and Javascript - for control and configuration (configuration not yet implemented). The control of a device in the EBB thus corresponds to the control of a USB device, eg. B. the sending of a print job. We also develop an iPhone app for our smart home system.
- 3. A modular design of the system helps to make the system dynamically expandable. Ethernet is already used by many devices such. As smart TVs, stereo receivers, etc. used. These could be installed relatively easily in our system. Even if errors occur, a modular system can be repaired more easily.
Genereller Aufbau des „EBB”-Netzwerks im ModellhausGeneral structure of the "EBB" network in the model house
Die Basis unseres Smart-Home-Systems bilden verschiedene Standard-Netzwerkkomponenten. Hierzu gehört ein Router in Form einer AVM Fritz!Box 3272 (
- 2
- Dynamic Host Configuration Protocol: Automatische Zuweisung von Adressen und Gerätenamen im Netzwerk
- 3
- ARM: besonders stromsparende Prozessorarchitektur
- 2
- Dynamic Host Configuration Protocol: Automatic assignment of addresses and device names in the network
- 3
- ARM: particularly power-efficient processor architecture
An den Router angeschlossen sind außerdem zwei Allnet 8845PD PoE Switche (
- 4
- Power Source Equipment: Gerät, welches Strom auf die Netzwerkleitungen gibt
- 5
- Powered Device: Gerät, welches Strom von den Netzwerkleitungen bezieht
- 4
- Power Source Equipment: Device that gives power to the network lines
- 5
- Powered Device: Device that receives power from the network cables
Die Netzwerkverkabelung im Modellhaus ist in
Hardwareentwicklunghardware development
Die SchalterThe switches
Als eine mögliche Variante einer Steuerungskomponente entwickeln wir einen Schalter. Auf diesem verbauen wir ein LCD Display. Dieses zeigt dem Nutzer aktuelle Informationen (z. B. die Raumtemperatur) an. Weiterhin sind acht Taster auf dem Schalter vorhanden. Über diese kann der Benutzer Aktionen auslösen. Neben den Tastern befinden sich zusätzlich LEDs, welche den aktuellen Status des verknüpften Geräts, z. B. einer Lampe, anzeigen. Außerdem sind auf dem Schalter ein Helligkeitssensor sowie ein Temperatur- und Luftfeuchtigkeitssensor montiert. Nach weiteren Überlegungen statten wir unsere Schalter noch mit einer Nachtbeleuchtung in Form von zwei LEDs sowie einer USB-Schnittstelle zum Laden von portablen Geräten (z. B. Smartphones) aus.As a possible variant of a control component we develop a switch. On this we install an LCD display. This shows the user current information (eg the room temperature). Furthermore, there are eight buttons on the switch. This allows the user to trigger actions. In addition to the buttons there are additional LEDs, which show the current status of the linked device, eg. As a lamp, show. In addition, a brightness sensor and a temperature and humidity sensor are mounted on the switch. After further considerations, we equip our switches with a night lighting in the form of two LEDs and a USB interface for charging portable devices (eg smartphones).
Die oben genannten Komponenten befinden sich allesamt in einem von uns aus PVC-Hartschaumplatten selbst gefertigten Gehäuse. Über Flachbandkabel sind sie mit der darunter liegenden Platine verbunden, auf welcher die Verschaltung erfolgt.The above components are all in one of us made of rigid PVC foam panels housing itself. They are connected via ribbon cable to the underlying board on which the interconnection takes place.
Die ausführende Einheit unseres Schalters stellt schlussendlich ein Arduino Ethernet mit PoE Shield dar. Er befindet sich auf der Rückseite des Schalters.The executive unit of our switch is ultimately an Arduino Ethernet with PoE Shield. It is located on the back of the switch.
Insgesamt haben wir zwei solche Schalter gebaut und im Modellhaus montiert.Overall, we have built two such switches and mounted in the model house.
Die LampenThe lamps
Für unser Modellhaus bauen wir außerdem zwei „moderne” Lampen.For our model house, we also build two "modern" lamps.
Bei der Lampe im „Erdgeschoss” handelt es sich um ein RGB-LED Shield, während im „Obergeschoss” ein RGB LED-Streifen mit 144 LEDs verbaut ist. Angesteuert werden sie jeweils über Arduino Ethernet Controller. Aufgrund des hohen Stromverbrauchs der LEDs (P_max = 60 mA/LED) werden sie über den im Haus separat verbauten 5 V DC Stromkreis versorgt. Später soll dies auch über POE möglich sein.The lamp on the "ground floor" is an RGB LED shield, while the "upper floor" has a RGB LED strip with 144 LEDs. They are controlled via Arduino Ethernet controllers. Due to the high power consumption of the LEDs (P_max = 60 mA / LED), they are supplied via the 5 V DC circuit separately installed in the house. Later, this should also be possible via POE.
SoftwareprogrammierungSoftware programming
Die nachfolgend genannten Kommunikationskonzepte sind in den
Um eine möglichst einfache Verwaltung durch alle internetfähigen Geräte sicherzustellen, entscheiden wir uns für eine zentralverwaltete Lösung. Dadurch wird es möglich, dass das System in sich synchron bleibt. Wenn beispielsweise einer Lampe zwei Schalter zugewiesen sind und auf Schalter 1 die Lampe eingeschaltet wird, informiert der zentrale Server automatisch Lampe 1 und Schalter 2 über die Änderung. Zudem ermöglicht die zentrale Lösung eine einfache Konfiguration und Zuweisung der Geräte ohne ihre Software zu verändern. Die dezentrale Lösung hat den Nachteil, dass die Komponenten oft asynchron sind. Das bedeutetet beispielsweise Schalter 1 zeigt „Lampe 1 ein” und Schalter 2 zeigt „Lampe 1 aus”, obwohl die Lampe eingeschaltet ist. Eine Synchronisierung ist auch bei dieser Lösung möglich, jedoch aufwendiger, da die Software bei jeder Änderung des Systems auf allen betroffenen Geräten aktualisiert werden müsste. Zu beachten ist hierbei jedoch der Vorteil, dass die dezentrale Lösung unabhängig von einem Server ist.To ensure the simplest possible administration of all Internet-enabled devices, we opt for a centrally managed solution. This will allow the system to stay in sync. For example, if a lamp is assigned two switches and the lamp is turned on at
Als Vorstufe zur zentralen Lösung entwickeln wir zur Vereinfachung der Programmierung den genannten dezentralen Ansatz. Das bedeutet also, dass die Komponenten nicht mit einem zentralen Server, sondern nur untereinander kommunizieren. Nach erfolgreichen Tests unserer Komponenten aktualisieren wir unser System aber auf den zentralen Ansatz, da wir in diesem mehr Vorteile sehen.As a precursor to the central solution, we are developing this decentralized approach to simplify programming. This means that the components do not communicate with a central server, but only with each other. After successful testing of our components, we update our system to the central approach, as we see more benefits in this.
Die Entwicklung der Software lässt sich in drei Teilbereiche gliedern. Alle Teilbereiche kommunizieren untereinander über das HTTP-Protokoll
- 6
- HyperText Transfer Protocol: Protokoll zur Übermittlung von Daten innerhalb eines Rechnernetzes
- 6
- HyperText Transfer Protocol: protocol for the transmission of data within a computer network
Die Arduino-Software (Ansteuerung der EBB-Komponenten)The Arduino software (control of the EBB components)
Grundsätzlich sind hier die Software für die Mikrocontroller zur Steuerung von Lampen und Schalter zu unterscheiden. Zur Programmierung wird der Arduino-Dialekt von C verwendet.Basically, here are the software for the microcontroller to control lamps and switches to distinguish. For programming, the Arduino dialect of C is used.
Aufgrund der geringen Menge an Arbeits- und Programmspeicher des ATmega 328 müssen wir uns auf eine ressourcenschonende, hardwarenahe Programmierung konzentrieren. Um möglichst geringe Latenzzeiten
- 7
- Zeit zwischen Anfrage und Ausführung eines Steuerungsbefehls
- 7
- Time between request and execution of a control command
Die BenutzeroberflächeThe user interface
Für die Ansteuerung unserer Buskomponenten entwickeln wir eine WebApp. Wichtig für uns ist, dass diese sich durch eine intuitive Bedienung auszeichnet und auf jeglichen netzwerkfähigen Geräten funktioniert (Ziel der Plattformunabhängigkeit). Wir entschließen uns, eine auf HTML und Javascript basierende WebApp zu kreieren. Als Basis nutzen wir das Twitter Bootstrap 3 Framework
- 8
- Sammlung von wichtigen Funktionen und Klassen zur Webprogrammierung
- 8th
- Collection of important functions and classes for web programming
Um zu demonstrieren, dass unser System sich auch problemlos in jegliche andere netzwerkfähige Systeme nativ integrieren lässt, entwickeln wir eine iPhone-App in SWIFT. Diese besitzt denselben Funktionsumfang wie die Web-App.To demonstrate that our system integrates natively into any other network-enabled system, we are developing an iPhone app in SWIFT. It has the same functionality as the web app.
Der Server in der zentralen LösungThe server in the central solution
Wie in der oben stehenden Grafik (
Wir bauen hierzu auf dem Server eine Datenbank auf (Spalten, Tabellen und Normalisierung
- 9
- Normalisierung ist der Vorgang, die Datenbank bestmöglich zu optimieren und alle doppelten Informationen zu vermeiden
- 10
- Skripte sind kleine, im Hintergrund ablaufende Programme
- 9
- Normalization is the process of optimizing the database in the best possible way and avoiding duplicate information
- 10
- Scripts are small, background programs
Aber auch die Software auf den Mikrocontrollern wird einmalig angepasst, da sie nun den Server als zentrale Ressource nutzen muss. Das bedeutet, alle Befehle werden vom Server entgegengenommen und an den Server gesendet.But the software on the microcontrollers will also be adapted once, as it now has to use the server as a central resource. This means that all commands are accepted by the server and sent to the server.
Im Folgenden ist der Kommunikationsablauf innerhalb des EBB am Beispiel „Druck eines Tasters auf einem Schalter” exemplarisch dargestellt:
Durch den Nutzer erfolgt ein Druck auf den Taster eines Schalters. Der Schalter sendet daraufhin einen Request an den Server, welcher diesen empfängt und auswertet. Der Server versendet nun einen Request an die verknüpfte Lampe. Die Komponente Lampe verarbeitet diesen Request und führt diesen aus (Lampe einschalten). Ist die Lampe eingeschaltet verschickt die Lampe wieder einen Request an den Server. Der Server empfängt den Request, wertet diesen aus und aktualisiert seine Datenbank dementsprechend. Nach Beendigung dieses Prozesses erfolgt ein Request an die verknüpften Schalter. Die Schalter ihrerseits verarbeiten die Requests und führen dementsprechende Statusänderungen aus.In the following, the communication process within the EBB is shown as an example using the example "Print a push-button on a switch":
The user presses the button of a switch. The switch then sends a request to the server, which receives and evaluates it. The server now sends a request to the linked lamp. The component lamp processes this request and executes it (switch on the lamp). If the lamp is switched on, the lamp sends another request to the server. The server receives the request, evaluates it and updates its database accordingly. Upon completion of this process, a request is made to the associated switches. The switches, in turn, process the requests and make corresponding status changes.
III. ErgebnisdiskussionIII. discussion of Results
Der EBBThe EBB
Folgende Ergebnisse durch den Bau des EBB können wir vorweisen:
- • Standardisierte Netzwerktechnologie: Wie in der Zielsetzung festgelegt, können wir ein vollständig ethernetbasiertes Bussystem vorweisen. Wir haben es somit geschafft, die „Standard-Netzwerkinstallation” mit der Smart-Home-Installation zu verknüpfen. Resultierend aus der Verwendung von Standardnetzwerkausrüstung – welche heute Massenware ist – ist es möglich, die Kosten für ein solches System weiter zu senken.
- • Geringer Installationsaufwand unter Einbeziehung des Nutzers: Auf einen Elektriker können wir nicht ganz verzichten. Er müsste weiterhin eine leicht abgewandelte Standard-Elektroinstallation vornehmen. An einigen Stellen werden zusätzlich Netzwerkkabel ergänzt oder NYM-Kabel durch sie ersetzt. Die Notwendigkeit einer komplexen Verkabelung im Vergleich zu KNX entfällt weitgehend, ebenso lange Kabelstrecken durch das Aktor-/Sensor-Konzept. Die Aktoren sind im EBB System direkt in den einzelnen Komponenten enthalten. Eine komplexe Unterverteilung im Sicherungskasten ist nicht notwendig. Ein wichtiger Unterschied zu KNX ist auch, dass der nicht-technikversierte Nutzer dazu in der Lage ist, jegliche Buskomponenten, z. B. Schalter, selbstständig an das System anzuschließen.
- • Plug'n'Play: Sofern die Komponenten unseres EBB einmal konfiguriert sind, zeichnen sie sich dadurch aus, dass sie jederzeit einfach vom Bus getrennt und an anderer Stelle wieder an ihn angeschlossen werden können. Hierbei ist es nur nötig, die Buskomponente mit dem Netzwerkkabel zu verbinden. Die Stromversorgung sowie die Datenverbindung sind dank PoE hiermit hergestellt. In den darauffolgenden Schritten findet die Initialisierung statt. Danach ist jede Komponente sofort nutzbar.
- • Durch die aktuell entwickelte zentrale Lösung lassen sich die Komponenten zusätzlich über die Apps umkonfigurieren und in Zukunft eventuell auch ersteinrichten. Damit wäre ein komplett modulares System erreicht, da weitere Komponenten ohne spezielle Vorbereitung direkt eingebunden werden können.
- • Die Ansteuerung unserer Komponenten durch ein ansprechendes und intuitives User-Interface konnten wir ebenfalls im Laufe unseres Projektes realisieren. Sowohl unsere WebApp als auch unsere iPhone-App sind einfach zu bedienen und steuern die Hardware im Modellhaus problemlos an. Zusätzlich ist die WebApp mit fast allen Endgeräten kompatibel.
- • Dadurch dass (zumeist) kein Funk zur Übermittlung der Steuerungsdaten verwendet wird, zeichnet sich unser System durch eine höhere Zuverlässigkeit aus. Zudem erschwert diese Tatsache den Angriff auf unser System.
- • Standardized network technology: As defined in the objective, we can boast a fully Ethernet-based bus system. We have thus managed to combine the "standard network installation" with the smart home installation. As a result of the use of standard networking equipment - which is now mass-produced - it is possible to further reduce the cost of such a system.
- • Low installation effort with the involvement of the user: We can not completely do without an electrician. He would continue to make a slightly modified standard electrical installation. In some places additional network cables are added or NYM cables replaced by them. The need for complex cabling in comparison to KNX is largely eliminated, as long cable runs through the actuator / sensor concept. The actuators are contained in the EBB system directly in the individual components. A complex sub-distribution in the fuse box is not necessary. An important difference to KNX is also that the non-tech-versed user is able to any bus components, such. B. switch to connect independently to the system.
- • Plug'n'Play: If the components of our EBB are configured once, they are characterized by the fact that they can easily be disconnected from the bus at any time and connected to it again at another location. It is only necessary to connect the bus component to the network cable. The power supply as well as the data connection are hereby made thanks to PoE. In the following steps the initialization takes place. After that, every component can be used immediately.
- • Due to the currently developed central solution, the components can also be reconfigured via the apps and may also be set up in the future. This would result in a completely modular system, since additional components can be integrated directly without special preparation.
- • The control of our components through an appealing and intuitive user interface, we could also realize in the course of our project. Both our WebApp and our iPhone app are easy to use and control the hardware in the model house easily. In addition, the WebApp is compatible with almost all devices.
- • The fact that (mostly) no radio is used to transmit the control data, our system is characterized by a higher reliability. In addition, this fact complicates the attack on our system.
Schlussfolgernd lässt sich sagen, dass wir es, wie geplant, geschafft haben, das System möglichst nah am Nutzer auszurichten.In conclusion, we have managed, as planned, to align the system as close as possible to the user.
Bei unseren Versuchen konnten wir außerdem zeigen, dass auch Bussysteme über Ethernet mit Echtzeitkommunikation realisierbar sind. Für den Nutzer treten keine merklichen Wartezeiten auf und alles läuft ,flüssig'. Durch die leichte Erweiterbarkeit sehen wir einen äußerst sinnvollen Einsatz dieses Systems in der Zukunft.In our experiments, we were also able to show that bus systems can also be implemented via Ethernet with real-time communication. For the user, there are no noticeable waiting times and everything runs smoothly. Due to the easy extensibility, we see a very sensible use of this system in the future.
Möglichkeit der (teil-)autarken EnergieversorgungPossibility of (partially) self-sufficient energy supply
Eine teilautarke Energieversorgung ist in unserem Projekt ebenfalls vorhanden. Die Energieversorgung unserer Modellhauskomponenten funktioniert mit der im Akku gespeicherten Energie, die vom Solarpanel auf dem Dach erzeugt wird. Im großen Stil könnte ein Haus nach diesem Vorbild damit kurzzeitig auch komplett autark versorgt werden. In der Realität ist dies jedoch aufgrund begrenzter Sonnenscheindauer und/oder geringer Akkukapazität schwierig wirtschaftlich umzusetzen, weswegen wir im großen Stil zu einer teilautarken Energieversorgung tendieren.A partially self-contained energy supply is also available in our project. The energy supply of our model house components works with the energy stored in the battery, which is generated by the solar panel on the roof. On a large scale, a house could be supplied with this model for a short time completely self-sufficient. However, in reality this is difficult to implement economically due to limited sunshine duration and / or low battery capacity, which is why we tend to have a semi-autonomous energy supply on a large scale.
Zukunftsvisionenfuture visions
Der EBBThe EBB
Bezüglich des EBBs sollte noch über einige Aspekte genauer nachgedacht werden:
Aktuell ist der Eigenstromverbrauch der Komponenten noch zu hoch. Wir erreichen Werte von knapp unter einem Watt für unseren Schalter (errechnet). Hochgerechnet auf ein ganzes Wohnhaus ist der Stromverbrauch für das Bussystem damit aktuell zu groß. Dies lässt sich aber durch die Umstellung auf geeignete Mikrocontroller, den Einsatz energiesparenderer Ethernet-ICs (eventuell auch Nutzung von Komponenten, die den Standard EEE
- 11
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Energy Efficient Ethernet: Absenken des Stromverbrauchs der Ethernet Verbindung im Leerlaufbetrieb (Wikipedia (Hg.), Energy-Efficient Ethernet, 2014)
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Energy Efficient Power over Ethernet: Senken der Verlustleistung auf PoE Leitungen (Daniel Feldman, 2011)
Currently, the own power consumption of the components is still too high. We achieve values of just under one watt for our switch (calculated). Extrapolated to a whole house, the power consumption for the bus system is currently too large. However, this can be achieved by switching to suitable microcontrollers, the use of energy-saving Ethernet ICs (possibly also using components that meet the EEE standard
- 11
-
Energy Efficient Ethernet: Lowering the power consumption of the Ethernet connection during idle operation (Wikipedia (ed.), Energy-Efficient Ethernet, 2014)
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Energy Efficient Power over Ethernet: Lowering power loss on PoE lines (Daniel Feldman, 2011)
Weiterhin ist die Erstkonfiguration im aktuellen System noch nicht umgesetzt und wird bis zum Wettbewerb aller Voraussicht nach auch nur in Ansätzen fertiggestellt sein. Zusammen mit der Konfiguration ist auch eine Automatisierung sinnvoll. Um im Haus Strom und Wärme zu sparen, sind die Erkennung von Leerzeiten und Gewohnheiten der Bewohner hilfreich. So lassen sich Lampen intelligent ein- und ausschalten. Gleiches gilt für die Heizung und die Steuerung von Rollläden oder Jalousien.Furthermore, the initial configuration has not yet been implemented in the current system and will probably only be completed in stages until the competition. Together with the configuration, automation is also useful. In order to save electricity and heat in the home, the detection of idle times and habits of the residents are helpful. This allows lamps to be switched on and off intelligently. The same applies to the heating and the control of shutters or blinds.
In Zukunft könnte es außerdem interessant werden, auch kleinere Verbraucher wie LED-Lampen über PoE zu versorgen und gleichzeitig anzusteuern. Somit spart man sich weiteren Kabelverlegaufwand und damit Geld. Beachtet werden muss hier, dass keine zu großen Verluste aufgrund des geringen Leiterquerschnitts von Netzwerkkabeln auftreten (ausschlaggebend ist hier die AWG Klassifizierung
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„American Wire Gauge”: Leiterquerschnittskennzeichnung (kleinere Nummer → größerer Querschnitt) (Wikipedia (Hg.), American Wire Gauge, 2015)
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67 Ohm/1000 Meter (Wikipedia (Hg.), American Wire Gauge, 2015)
- 15
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802.3af hat eine maximale Leistungsabgabe von 15,4 W (Schnabel, 2015) 802.3at++ von 90 W. (Allnet GmbH Computersysteme, 2015)
- 13
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"American Wire Gauge": Conductor cross-section identification (smaller number → larger cross section) (Wikipedia (ed.), American Wire Gauge, 2015)
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67 ohms / 1000 meters (Wikipedia (ed.), American Wire Gauge, 2015)
- 15
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802.3af has a maximum power output of 15.4 W (Schnabel, 2015) 802.3at ++ from 90 W. (Allnet GmbH Computersysteme, 2015)
In einem späteren Schritt können wir uns außerdem vorstellen, dass weitere Komponenten auch per WLAN oder PowerLAN
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- PowerLAN ist eine Technik, das Netzwerksignal über die 230 V Hausverkabelung zu übertragen.
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- PowerLAN is a technique to transmit the network signal via the 230 V home wiring.
Wichtig ist, dass das System leicht mit Komponenten, die das HTTP-Netzwerkprotokoll unterstützen, erweiterbar ist. Eventuell wäre hier ein Open-Source Standard sinnvoll.Importantly, the system is easily extensible with components that support the HTTP network protocol. Maybe an open-source standard would be useful here.
„Smart-Grid-API”"Smart Grid API"
In den nächsten Jahren wird es, bedingt durch die Energiewende, zu einer Abschaltung zahlreicher Grundlastkraftwerke kommen. Die meisten regenerativen Energiequellen können diese Grundlast nicht zur Verfügung stellen, da ihr Ertrag vom Wetter abhängig ist. Um Blackouts zu verhindern, ist es deshalb sinnvoll, Angebot und Nachfrage aufeinander abzustimmen. Wir denken, dass es über unseren EBB möglich ist, eine Schnittstelle zu schaffen, mit deren Hilfe der Energiekonzern intelligentes Lastenmanagement betreiben kann.In the next few years, due to the energy turnaround, many base load power plants will be shut down. Most regenerative energy sources can not provide this base load because their yield depends on the weather. To prevent blackouts, it makes sense to match supply and demand. We think that through our EBB it is possible to create an interface with which the energy company can operate intelligent load management.
V. LiteraturverzeichnisV. Bibliography
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BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Serverserver
- 22
- Routerrouter
- 33
- PoE-SwitchPoE switch
- 44
- Lampeneinheitlamp unit
- 55
- Schaltereinheitswitch unit
- 66
- Lampeneinheitlamp unit
- 77
- Schaltereinheitswitch unit
- 88th
- Server mit WebappServer with webapp
- 99
- Server mit Webapp und SteuerungssoftwareServer with webapp and control software
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of the documents listed by the applicant has been generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.
Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
- Billerbeck, 2013 [0005] Billerbeck, 2013 [0005]
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- Billerbeck, 2013 [0005] Billerbeck, 2013 [0005]
- Sietman, 2014 [0007] Sietman, 2014 [0007]
- Standard: ISO/IEC 14543-3 [0007] Standard: ISO / IEC 14543-3 [0007]
- Energy Efficient Ethernet: Absenken des Stromverbrauchs der Ethernet Verbindung im Leerlaufbetrieb (Wikipedia (Hg.), Energy-Efficient Ethernet, 2014) [0052] Energy Efficient Ethernet: Lowering the power consumption of the Ethernet connection during idle operation (Wikipedia (ed.), Energy-Efficient Ethernet, 2014) [0052]
- Energy Efficient Power over Ethernet: Senken der Verlustleistung auf PoE Leitungen (Daniel Feldman, 2011) [0052] Energy Efficient Power over Ethernet: Reduction of power loss on PoE lines (Daniel Feldman, 2011) [0052]
- „American Wire Gauge”: Leiterquerschnittskennzeichnung (kleinere Nummer → größerer Querschnitt) (Wikipedia (Hg.), American Wire Gauge, 2015) [0054] "American Wire Gauge": conductor cross-section marking (smaller number → larger cross section) (Wikipedia (Ed.), American Wire Gauge, 2015) [0054]
- 67 Ohm/1000 Meter (Wikipedia (Hg.), American Wire Gauge, 2015) [0054] 67 ohms / 1000 meters (Wikipedia (Ed.), American Wire Gauge, 2015) [0054]
- 802.3af Standard [0054] 802.3af standard [0054]
- 802.3af hat eine maximale Leistungsabgabe von 15,4 W (Schnabel, 2015) [0054] 802.3af has a maximum power output of 15.4 W (Schnabel, 2015) [0054]
- 802.3at++ von 90 W. (Allnet GmbH Computersysteme, 2015) [0054] 802.3at ++ of 90 W. (Allnet GmbH Computer Systems, 2015) [0054]
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R207 | Utility model specification | ||
R150 | Utility model maintained after payment of first maintenance fee after three years | ||
R151 | Utility model maintained after payment of second maintenance fee after six years | ||
R152 | Utility model maintained after payment of third maintenance fee after eight years |