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 following problems of current technology should be improved by our system:
  • - 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 ( Sietman, 2014 ):
Der wohl Bekannteste von ihnen ist KNX ( Standard: ISO/IEC 14543-3 ). Er zeichnet sich durch eine klare Trennung von Stromversorgung und Gerätesteuerung aus. Jegliche Geräte werden über die normale 230 V Stromleitung versorgt, während die meisten (An)Steuerungskomponenten über ein zusätzliches 30 V Gleichstromnetz angebunden sind, über welches auch die Steuerungsdaten übermittelt werden. Nachteil dieser Installation sind der hohe Verlegaufwand und eine schwierige Konfiguration, weswegen solche Installationen mit mehreren tausend Euro Aufpreis zu Buche schlagen.
In home automation systems, many different products and separate standards have been designed in recent years. Basically, you can distinguish three different approaches ( Sietman, 2014 ):
The most well-known of them is KNX ( Standard: ISO / IEC 14543-3 ). It is characterized by a clear separation of power supply and device control. All devices are powered by the standard 230V power line, while most (on) control components are connected via an additional 30V DC power supply, which also transmits the control data. Disadvantage of this installation is the high installation effort and a difficult configuration, which is why such installations with several thousand euros extra charge to book.

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.
"Ethernet-based SmartHome bus" - that's what we call the smart home system developed and implemented by us. In the development we have confined ourselves to three basic goals, which result from the objective mentioned in I.
  • 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 (1, 2). Sie fungiert in unserem System als DHCP Server2

2
Dynamic Host Configuration Protocol: Automatische Zuweisung von Adressen und Gerätenamen im Netzwerk
und Wireless LAN Access Point. Direkt an diese angeschlossen ist unser stromsparender ARM3
3
ARM: besonders stromsparende Prozessorarchitektur
-Mini-Server (1, 1), ein „UDOO Quad”. Auf diesem läuft ein Webserver, welcher die WebApp unseres EBB bereitstellt. Installiert haben wir diese beiden Komponenten im Keller unseres Modellhauses.The basis of our smart home system are various standard network components. This includes a router in the form of an AVM Fritz! Box 3272 ( 1 . 2 ). It acts as a DHCP server in our system 2
2
Dynamic Host Configuration Protocol: Automatic assignment of addresses and device names in the network
and wireless LAN access point. Directly connected to this is our energy-saving ARM 3
3
ARM: particularly power-efficient processor architecture
Mini Server ( 1 . 1 ), a "UDOO quad". On it runs a web server, which provides the WebApp of our EBB. We have installed these two components in the basement of our model house.

An den Router angeschlossen sind außerdem zwei Allnet 8845PD PoE Switche (1, 3), die als PSE4

4
Power Source Equipment: Gerät, welches Strom auf die Netzwerkleitungen gibt
fungieren. Sie stellen die (Netzwerk-)Unterverteilung in unseren jeweiligen Stockwerken dar und verbinden jegliche Buskomponenten mit dem Netzwerk. Über das PSE erfolgt die Stromversorgung der Buskomponenten (z. B. Schalter) als PD5
5
Powered Device: Gerät, welches Strom von den Netzwerkleitungen bezieht
via POE.Also connected to the router are two Allnet 8845PD PoE switches ( 1 . 3 ), called PSE 4
4
Power Source Equipment: Device that gives power to the network lines
act. They represent the (network) sub-distribution in our respective floors and connect any bus components to the network. The power supply of the bus components (eg switches) takes place via the PSE as PD 5
5
Powered Device: Device that receives power from the network cables
via POE.

Die Netzwerkverkabelung im Modellhaus ist in 1 dargestellt.The network cabling in the model house is in 1 shown.

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 2 und 3 dargestellt. Dabei zeigt 2 die dezentrale Lösung während 3 die zentrale Lösung veranschaulicht. Für die Bezugszeichen gilt: (6) Lampeneinheit; (7) Schaltereinheit; (8) Server mit Webapp; (9) Server mit Webapp und Steuerungssoftware.The following communication concepts are in the 2 and 3 shown. It shows 2 the decentralized solution during 3 the central solution is illustrated. For the reference signs: ( 6 ) Lamp unit; ( 7 ) Switch unit; ( 8th ) Server with webapp; ( 9 ) Server with webapp and control software.

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 switch 1, the central server automatically informs lamp 1 and switch 2 about the change. In addition, the centralized solution allows easy configuration and assignment of the devices without changing their software. The decentralized solution has the disadvantage that the components are often asynchronous. This means, for example, switch 1 shows "lamp 1 on" and switch 2 shows "lamp 1 off" even though the lamp is on. Synchronization is also possible with this solution, but more complex because the software would have to be updated every time the system changes on all affected devices. However, the advantage here is that the decentralized solution is independent of a server.

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-Protokoll6

6
HyperText Transfer Protocol: Protokoll zur Übermittlung von Daten innerhalb eines Rechnernetzes
. The development of the software can be divided into three parts. All sections communicate with each other via the HTTP protocol 6
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 Latenzzeiten7

7
Zeit zwischen Anfrage und Ausführung eines Steuerungsbefehls
bei den Anfragen zu erreichen, muss die Auswertung und Generierung von Befehlen möglichst in Echtzeit erfolgen. Erschwert wird die Programmierung zusätzlich durch die volle Auslastung aller Ports auf dem Arduino bei unserem Schalter, sodass ein gleichzeitiger Betrieb mit serieller Schnittstelle zur Fehlersuche nicht möglich ist.Due to the small amount of work and program memory of the ATmega 328, we have to concentrate on resource-saving, hardware-oriented programming. To minimize latency 7
7
Time between request and execution of a control command
In order to reach the requests, the evaluation and generation of commands must be done in real time as far as possible. The programming is made even more difficult by the full utilization of all ports on the Arduino at our switch, so that a simultaneous operation with serial interface for troubleshooting is not possible.

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 Framework8

8
Sammlung von wichtigen Funktionen und Klassen zur Webprogrammierung
in Verbindung mit einem Theme für Admin-Oberflächen. Dieses bauen wir unseren Anforderungen entsprechend um. Als Hauptfunktion der WebApp des Modellhauses implementieren wir die Möglichkeit, die Lampen in unserem Haus anzusteuern. In der zentralen Lösung ist zusätzlich die Konfiguration der Komponenten angedacht.For the control of our bus components we develop a WebApp. It is important for us that this is characterized by an intuitive operation and works on any network-enabled devices (the goal of platform independence). We decide to create an HTML and Javascript based WebApp. As a basis, we use the Twitter Bootstrap 3 Framework 8th
8th
Collection of important functions and classes for web programming
in conjunction with a theme for admin interfaces. We build this according to our requirements. As the main function of the WebApp of the model house we implement the possibility to control the lamps in our house. The central solution also includes the configuration of the components.

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 (3) ersichtlich ist, steht bei der zentralen Lösung der Server im Mittelpunkt. Er steuert und verwaltet alle Komponenten.As in the graph above ( 3 ), the central solution is the server in the center. He controls and manages all components.

Wir bauen hierzu auf dem Server eine Datenbank auf (Spalten, Tabellen und Normalisierung9

9
Normalisierung ist der Vorgang, die Datenbank bestmöglich zu optimieren und alle doppelten Informationen zu vermeiden
). Diese speichert die Konfiguration und den Status der einzelnen Komponenten des EBB. Die Entgegennahme und Verarbeitung von Steuerungsbefehlen sowie die Aktualisierung der Datenbank auf dem Server erfolgt durch eigenentwickelte, serverseitige PHP-Skripte10
10
Skripte sind kleine, im Hintergrund ablaufende Programme
.We build a database on the server (columns, tables and normalization 9
9
Normalization is the process of optimizing the database in the best possible way and avoiding duplicate information
). This saves the configuration and the status of the individual components of the EBB. The receipt and processing of control commands as well as the updating of the database on the server is carried out by proprietary, server-side PHP scripts 10
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.
We can show the following results through the construction of the EBB:
  • • 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 EEE11

11
Energy Efficient Ethernet: Absenken des Stromverbrauchs der Ethernet Verbindung im Leerlaufbetrieb (Wikipedia (Hg.), Energy-Efficient Ethernet, 2014)
unterstützen → signifikante Einsparungen) und die Verwendung besserer PoE-Komponenten weiter senken (z. B. bessere DC/DC Wandler, Nutzung von EEPoE12
12
Energy Efficient Power over Ethernet: Senken der Verlustleistung auf PoE Leitungen (Daniel Feldman, 2011)
). In der KNX Norm ist beschrieben, dass der Energieverbrauch pro Komponente 0,36 W nicht überschreiten darf. Durch die oben genannten Verbesserungen könnten wir uns sogar vorstellen, dass man damit den Energieverbrauch pro Buskomponente unter 0,36 W absenken kann. Ein weiterer Punkt ist, dass die Arduino-Plattform nicht für den Einsatz abseits der Entwicklung gedacht ist und hierfür auch entsprechend wenig optimiert wurde.Regarding the EBB, some aspects should still be considered:
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
11
Energy Efficient Ethernet: Lowering the power consumption of the Ethernet connection during idle operation (Wikipedia (ed.), Energy-Efficient Ethernet, 2014)
support → significant savings) and further reduce the use of better PoE components (eg better DC / DC converters, use of EEPoE 12
12
Energy Efficient Power over Ethernet: Lowering power loss on PoE lines (Daniel Feldman, 2011)
). The KNX standard describes that the energy consumption per component must not exceed 0.36 W. With the above improvements, we could even imagine lowering the power consumption per bus component below 0.36W. Another point is that the Arduino platform is not intended for off-the-fly use and has not been optimized accordingly.

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 Klassifizierung13

13
„American Wire Gauge”: Leiterquerschnittskennzeichnung (kleinere Nummer → größerer Querschnitt) (Wikipedia (Hg.), American Wire Gauge, 2015)
des Kabels) dürfen, um die Wirtschaftlichkeit zu erhalten. Durch Cat. 8 sollte dieses Problem jedoch gelöst werden, da dieser Standard die AWG23 Klassifizierung voraussetzt, welche einen ausreichend hohen Leiterquerschnitt bringt14
14
67 Ohm/1000 Meter (Wikipedia (Hg.), American Wire Gauge, 2015)
und es zudem zukünftig einen dieser Leistung angemessenen neuen RJ45-Stecker geben soll. Aktuell verwenden unsere EBB-Komponenten den 802.3af Standard . Bei höheren Leistungen wird es zusätzlich erforderlich, einen PoE Standard zu verwenden, der dies erlaubt, beispielsweise 802.3at++15
15
802.3af hat eine maximale Leistungsabgabe von 15,4 W (Schnabel, 2015) , 802.3at++ von 90 W. (Allnet GmbH Computersysteme, 2015)
.In the future, it could also be interesting to supply and simultaneously control smaller consumers such as LED lamps via PoE. This saves you further cable installation effort and money. It should be noted here that no losses are too great due to the small cross-section of network cables (the decisive factor here is the AWG classification 13
13
"American Wire Gauge": Conductor cross-section identification (smaller number → larger cross section) (Wikipedia (ed.), American Wire Gauge, 2015)
of the cable) in order to maintain the economy. By Cat. However, this problem should be solved since this standard requires the AWG23 classification, which provides a sufficiently high conductor cross section 14
14
67 ohms / 1000 meters (Wikipedia (ed.), American Wire Gauge, 2015)
and, in the future, there should be a new RJ45 plug suitable for this performance. Currently our EBB components use the 802.3af standard , For higher performance it is additionally necessary to use a PoE standard that allows this, for example 802.3at ++ 15
15
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 PowerLAN16

16
PowerLAN ist eine Technik, das Netzwerksignal über die 230 V Hausverkabelung zu übertragen.
angebunden werden. WLAN halten wir für die Anbindung von frei stehenden Heizkörpern (keine Flächenheizungen) für sinnvoll, da so viele Kabelstrecken gespart werden. Auch ist hier die garantiert zuverlässige Anbindung weniger kritisch als beispielsweise bei Schaltern und Lampen. PowerLAN ist für uns die beste Lösung zur Verbindung von Großverbrauchern und auch Lampen, die (ohne große Verluste) nicht über PoE versorgt werden können.In a later step, we can also imagine that other components also via WLAN or PowerLAN 16
16
PowerLAN is a technique to transmit the network signal via the 230 V home wiring.
be connected. WLAN we consider for the connection of free-standing radiators (no surface heating) makes sense, since so many cable routes are saved. Also, the guaranteed reliable connection is less critical here than, for example, with switches and lamps. PowerLAN is for us the best solution for connecting large consumers and also lamps that can not be supplied via PoE (without great losses).

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]
  • Nuissl, 2013 [0005] Nuissl, 2013 [0005]
  • Billerbeck, 2013 [0005] Billerbeck, 2013 [0005]
  • Fasse, 2013 [0005] Barrel, 2013 [0005]
  • 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]

Claims (10)

Smart-Home-System auf Basis der Ethernet-Technologie.Smart home system based on Ethernet technology. Smart-Home-System nach Anspruch 1 gekennzeichnet durch die Verwendung eines Routers, welcher die IPv4-/IPv6- oder DNS-Namenvergebung übernimmt, der Verwendung von Netzwerkswitchen, welche die Geräte an das Netzwerk anbinden und eines Servers, welcher die Zentralverwaltung, Ansteuerungsaufgaben und Konfiguration des Systems ermöglicht.The smart home system according to claim 1 characterized by the use of a router that handles the IPv4 / IPv6 or DNS name forgiveness, the use of network switches connecting the devices to the network and a server that handles the central office, control tasks, and Configuration of the system allows. Smart-Home-System nach Anspruch 1 oder 2 gekennzeichnet durch die hardwareseitige Anbindung der meisten Geräte über Netzwerkkabel mit beidseitigem oder einseitigem Stecker, bevorzugt nach dem Standard RJ45 und damit dem Plug'n'Play-Prinzip.Smart home system according to claim 1 or 2 characterized by the hardware-side connection of most devices via network cable with two-sided or one-sided plug, preferably according to the standard RJ45 and thus the Plug'n'Play principle. Smart-Home-System nach Anspruch einem der vorhergehenden Ansprüche gekennzeichnet durch die Strom- und Datenversorgung einiger Buskomponenten über die PoE Technik durch die Nutzung von PoE-Switchen und/oder Injektoren.Smart home system according to claim one of the preceding claims characterized by the power and data supply of some bus components via the PoE technology through the use of PoE switches and / or injectors. Smart-Home-System nach einem der vorhergehenden Ansprüche gekennzeichnet durch die Anbindung weiterer Geräte an das System über PowerLAN oder eine kabelungebundene Technologie, bevorzugt über WLAN.Smart home system according to one of the preceding claims characterized by the connection of other devices to the system via PowerLAN or a wireless technology, preferably via WLAN. Smart-Home-System nach einem der vorhergehenden Ansprüche gekennzeichnet durch die Möglichkeit der hardware- und softwareseitigen Einbindung weiterer ethernetfähiger Geräte bevorzugt durch das Plug'n'Play Prinzip.Smart home system according to one of the preceding claims characterized by the possibility of hardware and software-side integration of other ethernetfähiger devices preferred by the Plug'n'Play principle. Smart-Home-System nach einem der vorhergehenden Ansprüche gekennzeichnet durch die Verwendung des http-Protokolls oder einem diesem vergleichbaren Protokoll zur Kommunikation innerhalb des Systems.Smart home system according to one of the preceding claims characterized by the use of the http protocol or a comparable protocol for communication within the system. Smart-Home-System nach einem der vorhergehenden Ansprüche gekennzeichnet durch die Verwendung des Servers anstelle des Routers zur Vergabe der IPv4, IPv6 oder DNS-Adresse.Smart home system according to one of the preceding claims characterized by the use of the server instead of the router to assign the IPv4, IPv6 or DNS address. Smart-Home-System nach einem der vorhergehenden Ansprüche gekennzeichnet durch die direkte Kommunikation der Geräte untereinander anstatt über einen Server.Smart home system according to one of the preceding claims characterized by the direct communication of the devices with each other instead of a server. Smart-Home-System nach einem der vorhergehenden Ansprüche gekennzeichnet durch Schnittstellen für Ansteuerungs- und Konfigurationsmöglichkeiten, die von Applikationen für Smartphones, Phablets, Tablets, Smartwatches oder vergleichbaren Geräten verwendet werden können und optional von außerhalb des lokalen Netzwerks erreichbar sind.Smart home system according to one of the preceding claims characterized by interfaces for control and configuration options that can be used by applications for smartphones, Phablets, tablets, smartwatches or similar devices and are optionally accessible from outside the local network.
DE202015002194.8U 2015-03-23 2015-03-23 Smart home system based on Ethernet technology Active DE202015002194U1 (en)

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DE202015002194.8U DE202015002194U1 (en) 2015-03-23 2015-03-23 Smart home system based on Ethernet technology

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DE202015002194.8U DE202015002194U1 (en) 2015-03-23 2015-03-23 Smart home system based on Ethernet technology

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