Slimme thuissystemen hebben een radioverbinding nodig voor het draadloos netwerken van apparaten. Er is echter niet één, maar veel verschillende radiostandaarden voor domotica. We leggen hier uit waarom dit zo is en wat dat betekent voor het ontwerp van de slimme woning.
ZigBee & Co.: Wat u moet weten over draadloze Smart Home-standaarden
- De draadloze verbinding in het slimme huis moet gegevens veilig en snel verzenden met een laag energieverbruik.
- WLAN biedt een hoge transmissiesnelheid, maar vereist veel energie, daarom is de draadloze standaard niet aangeslagen in slimme huizen.
- Op batterijen werkende sensoren die kleine hoeveelheden gegevens verzenden, gebruiken meestal zuinige protocollen zoals ZigBee, Z-Wave of EnOcean, die net als WLAN vrij toegankelijk zijn voor alle fabrikanten.
- Naast open radiostandaarden zijn er ook privé-standaarden zoals Homematic IP die eigendom zijn van een bedrijf. De apparaten zijn dan alleen compatibel binnen hun eigen smarthome-systeem of met systemen die mede door de fabrikant zijn ontwikkeld. Deze radiostandaarden worden ook wel "propriëtair" genoemd.
Waarom zijn radiostandaarden belangrijk?
Iedereen die wanhopig heeft geprobeerd om midden in het bos of op de snelweg op internet te surfen, weet hoe belangrijk stabiele radioverbindingen zijn. Hetzelfde geldt voor smarthome-apparaten die in huis storingsvrij informatie met elkaar moeten kunnen uitwisselen. Want net als smartphones communiceren smarthome-systemen op basis van radio via elektromagnetische golven.
Radiostandaarden zoals ZigBee, Z-Wave, WLAN of EnOcean zijn over het algemeen gebaseerd op de modulatie van radio en microgolven, die tot het laagfrequente deel van het elektromagnetische spectrum behoren. De golf is veranderd zodat deze informatie kan vervoeren (afbeeldingen, taal, muziek, tekst). In Duitsland geeft het Federale Netwerkagentschap frequenties uit voor radioverkeer. Veel protocollen op het gebied van smart home radio gebruiken ofwel de zogenaamde ISM-band (Industrial, Scientific and Medical Band) tussen 2,4 en 2,5 GHz of de SRD-band (Short Range Device) tussen 863 en 870 MHz.
De draadloze standaarden voor het slimme huis bereik tussen radiogolven en infrarood.
Om smarthome-apparaten met de smartphone of tablet te kunnen bedienen, moet de smarthome-radiofrequentie worden vertaald in een WLAN-signaal. Daarom hebben de meeste smarthome-systemen een radiobrug nodig (ook gateway of controlecentrum). Hij is thuis verbonden met de WLAN-router.
Waarin verschillen ZigBee, Z-Wave, WLAN & Co. van elkaar?
Draadloze verbindingen moeten gegevens veilig, snel en storingsvrij verzenden. De eisen veranderen echter afhankelijk van het toepassingsgebied. Met videoconferentiesystemen moeten ze bijvoorbeeld enorme hoeveelheden data transporteren. Temperatuur- of bewegingssensoren in slimme huizen sturen daarentegen alleen kleine datapakketten. Hier moet de draadloze standaard vooral zuinig werken, zodat de batterijen zo lang mogelijk meegaan.
Bandbreedte
Een radiostandaard gebruikt een bepaald frequentiebereik. De bandbreedte toont de afstand tussen de bovenste en onderste frequenties van dit bereik. De meeste draadloze routers gebruiken bijvoorbeeld een frequentiebereik van 2,4 tot 2,4835 GHz. De bandbreedte is in dit geval 83,5 MHz. Hoe groter de bandbreedte, hoe meer gegevens kunnen worden verzonden.
kanalen
Om interferentie te voorkomen, moet er een opening zijn tussen het ene kanaal en het volgende. Voor WLAN-netwerken in de 2,4 GHz-frequentieband zijn vier niet-overlappende kanalen beschikbaar met een kanaalbreedte van 20 MHz en een afstand van 5 MHz.
Overdrachtssnelheid
De overdrachtssnelheid is erg belangrijk bij draadloos internet. Om deze reden heeft WLAN zichzelf gevestigd als de draadloze standaard voor laptops, pc's en smartphones. Routers met de standaard Wifi 5 (802.11 ac) beheren tot 1.300 Mbit / s. Dat is genoeg om comfortabel series te streamen. De draadloze standaard van Z-Wave Smart Home komt in vergelijking met 9,6 Kbit / s. Dat is genoeg om commando's tussen schakelaars en sensoren te sturen.
Hoge overdrachtssnelheden zijn nodig voor videochats. WLAN is hier zeer geschikt als radiostandaard.
Bereikfabrikanten
specificeren vaak het bereik in de open lucht voor een draadloze verbinding. In gesloten ruimtes vertragen obstakels echter de transmissie van elektromagnetische golven. Met name lichte constructie-elementen van gipsplaat, wanden met stalen elementen en waterleidingen storen de radiotransmissie. WLAN heeft een theoretisch bereik van 300 meter - in de praktijk zakt het signaalniveau echter al na enkele meters. Ook de frequentie van het radiosignaal is bepalend: hoe hoger, hoe lager het bereik.
Beveiligingsstandaard
Draadloze overdracht is bijzonder vatbaar voor gegevensdiefstal. Om deze reden hebben alle draadloze standaarden in Smart Home Wireless een beveiligingsprotocol dat de gegevens versleutelt. Toch is geen enkele draadloze standaard 100 procent veilig tegen aanvallen van hackers. Lees ons artikel hierover: Hoe veilig is een slimme woning?
Waarom zou u niet meteen wifi gebruiken voor alle smarthome-apparaten?
95 procent van alle Duitsers heeft een internetverbinding, de meesten met een WLAN-router. Dus waarom zou u WLAN niet gebruiken als de standaard voor slimme thuissystemen? Hiervoor zijn meerdere redenen:
Hoog energieverbruik
In vergelijking met andere draadloze verbindingen heeft WLAN een hoge transmissiesnelheid. Dit betekent ook dat wifi-apparaten veel energie verbruiken. Dit is met name nadelig voor apparaten die op batterijen werken. De hoge bandbreedte en hoge snelheid zijn niet nodig voor kleine sensoren die alleen korte berichten verzenden.
Overlappingen
Vooral in appartementsgebouwen treedt storing op als te veel apparaten in aangrenzende WLAN-netwerken het 2,4 GHz-frequentiebereik gebruiken.
Beperkt bereik
Signaalinterferentie van andere apparaten die dezelfde frequentieband gebruiken, vermindert ook het bereik van de radioverbinding.
Wat is het verschil tussen open en gepatenteerde draadloze standaarden?
- Met open radiostandaarden zoals ZigBee en Bluetooth is de technologie gratis beschikbaar voor alle fabrikanten. Vaak ontwikkelen meerdere bedrijven de protocollen in een overkoepelende organisatie. Het voordeel is een hoge compatibiliteit, zelfs met verschillende smarthome-systemen. Homee is een goed voorbeeld van een volledig open smart home-systeem waarop alle apparaten die open draadloze standaarden gebruiken, kunnen worden aangesloten.
- Met eigen (gesloten) radiostandaarden zoals Homematic IP ontwikkelt een fabrikant zijn eigen protocol. Dit zorgt voor meer veiligheid tijdens de gegevensoverdracht. De smarthome-apparaten kunnen alleen worden aangesloten op apparaten van dezelfde fabrikant. Deze hindernis kan met de juiste compatibiliteit worden omzeild door gebruik te maken van "lijm-apps" zoals IFTTT of de Alexa-app.
- In het geval van open radiostandaarden is de code van het protocol open source. Dit betekent dat elke fabrikant wijzigingen kan aanbrengen. Apparaten met dezelfde radiostandaard zijn daarom niet per se compatibel met elkaar. Aangezien veel fabrikanten echter willen dat hun producten op zoveel mogelijk verschillende systemen kunnen worden aangesloten, is compatibiliteit waarschijnlijk.
Smart Home Radio-standaarden in vergelijking
|
Max. |
Het bereik- |
frequentie |
energie |
toepassing |
Fabrikant |
|
|---|---|---|---|---|---|---|
|
DRAADLOZE INTERNETTOEGANG |
1.000-1.300 |
50 m |
2,4-2,48 GHz |
hoog |
Draadloos |
Belkin WeMo DLink Tado Google huis Netatmo ring |
|
Bluetooth 5.0 |
1-3 Mbit / s |
10 mtr |
2,40-2,48 MHz |
laag |
Slimme apparaten voor thuisgebruik | |
|
ZigBee |
250 kbit / s |
10-15 m |
2,4 GHz |
laag |
gebouw |
Philips Hue Ikea Tradfri Osram Xiaomi Samsung Homee Smart Home |
|
Z-Wave |
9,6-40 Kbit / s |
30 m |
868 MHz |
laag |
gebouw |
Fibaro Honeywell Neo Samsung SmartThings Homee Devolo Merten |
|
EnOcean |
125 kbit / s |
30 m |
868 MHz |
heel laag |
Temperatuursensoren |
Siemens Mediola Homee Smart Home Somfy Wago |
|
Homematic |
9,6 kbit / s |
20-30 m |
868-869,52 MHz |
laag |
Energiebeheer |
HomeMatic Max! Qivicon / Magenta Innogy |
|
DectULE |
1,1 Mbit / s |
30-50 m |
1,89 - 1,90 MHz |
laag |
gebouw |
Magenta Smart Home AVM Gigaset |
Radiostandaarden: voor- en nadelen in één oogopslag
1. WLAN
Al in de jaren zeventig werden er pogingen ondernomen om radioverbindingen uit te vinden voor snelle gegevensoverdracht. In 1971 verbond het ALOHAnet-netwerk zeven computers op vier verschillende Hawaiiaanse eilanden met behulp van het Aloha-radioprotocol. Het IEEE 802.11-radioprotocol, dat tegenwoordig overal wordt gebruikt, bestaat al sinds 1997. Twee jaar later werd de WiFi Alliance opgericht met als doel WLAN-apparaten te certificeren en de technologie verder te ontwikkelen.
De slimme deurbel van Ring communiceert via wifi met een Alexa-apparaat.
functionaliteit
- De huidige wifi-netwerken zijn gebaseerd op de radiostandaarden IEEE-802.11n en 802.11ac (wifi 4 en wifi 5).
- De theoretische overdrachtssnelheden zijn 600 Mbit / s of 1500 Mbit / s. In de praktijk is de datasnelheid echter lager omdat veel routers niet meerdere datastromen parallel kunnen ontvangen.
- WLAN-routers gebruiken de 2,4 GHz-frequentieband met vier niet-overlappende kanalen, nieuwere modellen gebruiken ook de 5 GHz-frequentieband met 19 kanalen.
voordelen
- zeker
- hoge overdrachtssnelheid
nadeel
- energie intensief
- Frequente interferentie vanwege het hoge aantal gebruikers, vooral in de 2,4 GHz-band
- in het 5 GHz lagere bereik vanwege de hoge frequentie
Toepassingen
Ondanks zijn honger naar energie speelt de WLAN-radiostandaard een grote rol bij het opzetten van een smart home:
- in communicatie tussen Smart Home Hub en router
- voor apparaten zoals smart tv's en camera's die grote hoeveelheden data (video's) verzenden
Slimme thuissystemen met WLAN
- Belkin WeMo
- D-Link
- Tado
- Google huis
- Netatmo Smart Home
- Ring (slimme videodeurbellen)
2.Bluetooth Low Energy (BLE, 5.0)
In 1998 ontwikkelden Ericsson, Nokia, IBM, Toshiba en Intel de Bluetooth-standaard. In 1999 publiceerde de Bluetooth Special Interest Group (BT SIG) de specificaties voor het eerste Bluetooth-protocol. In de jaren die volgden werd Bluetooth een van de belangrijkste radiostandaarden voor draadloze overdracht tussen mobiele telefoons en pc's of voor Bluetooth-hoofdtelefoons. Vanaf versie 4.0 verbruikt hij beduidend minder energie, vandaar de naam Low Energy (Bluetooth LE).
Bluetooth is door het korte bereik minder geschikt voor in de slimme woning. De radiostandaard is meer geschikt om naar muziek te luisteren via een draadloze koptelefoon.
Functionaliteit
De draadloze Bluetooth-standaard maakt gebruik van bijvoorbeeld de draadloze ISM-band 2,402 tot 2,480 GHz.
- Het zenderapparaat (master) synchroniseert met het ontvangende apparaat (slave). Hiervoor moeten beide apparaten de verbinding autoriseren.
- Zender en ontvanger brengen een point-to-point verbinding tot stand in een zogenaamd piconetwerk. Elk apparaat heeft een 48-bits adres dat het identificeert.
- De zender verandert de frequentie binnen de frequentieband 1.600 keer per seconde (frequency hopping-proces). De ontvanger zoekt elke 2 seconden naar signalen van de zender totdat de verbinding tot stand is gebracht.
voordelen
- veel gebruikt, dus hoge compatibiliteit
- weinig energie
nadeel
- korte afstand
- slechte stabiliteit
Toepassingen
Op het gebied van domotica en beveiliging vertrouwen maar weinig fabrikanten op Bluetooth, maar het is een van de toonaangevende draadloze standaarden voor wearables en entertainmentelektronica. Handige toepassingen op het gebied van slimme woningen zijn onder meer elektronische deursloten of slimme garagedeuropeners.
3. ZigBee
In 2002 hebben verschillende bedrijven de ZigBee Alliance opgericht. De radiostandaard is bedoeld om datatransmissie mogelijk te maken in netwerken met lage datavolumes en een minimaal energieverbruik. In de jaren die volgden, vestigde ZigBee zich als de toonaangevende technologie in industriële automatisering, met name voor het aansturen van schakelaars en sensoren.
ZigBee is voorbestemd voor de slimme woning vanwege zijn lage storingsgevoeligheid. Philips Hue is onder meer gebaseerd op ZigBee als slimme lamp.
functionaliteit
- Net als Bluetooth gebruikt ZigBee de IEEE-standaard 802.15.4 en breidt het protocol uit met drie lagen.
- In een mesh-netwerk ontvangen de individuele smarthome-apparaten niet noodzakelijkerwijs alleen berichten van de centrale gateway. Elk apparaat wordt veel meer een netwerkknooppunt en kan informatie doorgeven. Zo communiceren lampen en temperatuursensoren die op de hub zijn aangesloten ook met elkaar.
- Als de hub uitvalt, krijgt de lamp alsnog het commando "Doorgaan met lamp" van de temperatuursensor. In grote appartementen en huizen met meerdere kamers werkt de verbinding ondanks de muren meestal probleemloos.
Toepassingen
Slimme apparaten voor in huis in huisautomatisering, zoals slimme verwarmingsbediening, raam- en deursensoren of verlichting, gebruiken ZigBee het meest.
voordelen
- laag energieverbruik
- lage storingsgevoeligheid
- hoge distributie, vandaar een grote keuze aan fabrikanten
nadeel
- geen
Slimme thuissystemen met ZigBee
- Philips Hue
- Ikea Tradfri
- Osram
- Xiaomi
- Samsung SmartThings
- Homee Smart Home
- Bosch
4. Z-Wave
In 1999 ontwikkelde het Deense bedrijf Zensys de Z-Wave-radiostandaard als een eigen technologie. In 2005 hebben verschillende fabrikanten de Z-Wave Alliance opgericht met leden als Huawei en Fibaro. Het technologiebedrijf "Silicon Labs" bezit nu de rechten voor de technologie. Eind 2019 maakte Silicon Labs bekend van Z-Wave een open draadloze standaard te willen maken.
Z-Wave is erg populair bij fabrikanten van slimme apparaten voor thuisgebruik. De slimme sensor van Fibaro meet beweging, temperatuur en licht en is gebaseerd op Z-Wave als draadloze standaard.
functionaliteit
- De gegevens worden verzonden in het frequentiebereik 868 MHz met een frequentieverschuiving van 20 kHz.
- Z-Wave-apparaten vormen een netwerk met een unieke ID. Elk apparaat binnen het netwerk heeft een ID die is gedefinieerd in de ingebouwde chip.
- Net als bij ZigBee communiceren de apparaten met elkaar in een mesh-netwerk dat vergelijkbaar is met mesh-repeaters. Het draadloze netwerk werkt soepeler naarmate er meer apparaten met elektriciteit zijn geïntegreerd in het slimme huis.
- De ontvanger moet elk bericht bevestigen.
voordelen
- Storingsarm dankzij het gebruik van de 868 MHz-frequentieband
- laag energieverbruik
- hoge distributie, vandaar een grote keuze aan fabrikanten
- Er kunnen maximaal 232 apparaten met elkaar worden verbonden
nadeel
- lage overdrachtssnelheid, maar voldoende voor kleine sensoren
Slimme thuissystemen met Z-Wave
- Fibaro
- Honeywell
- Neo
- Samsung SmartThings
- Homee Smart Home
- Devolo
- Merten
- Vivint Smart Home
5. EnOcean
In 2001 richtte Siemens EnOcean GmbH op met als doel een protocol voor draadloze communicatie in de industrie te ontwikkelen. De EnOcean Alliance, opgericht in 2008, omvat meer dan 400 bedrijven, waaronder Honeywell, IBM en Microsoft.
Enocean-apparaten genereren hun eigen elektriciteitsbehoefte met een simpele druk op de knop Homee's Smart Home is een manier om de draadloze standaard te gebruiken.
Hoe het werkt
De draadloze EnOcean-standaard maakt gebruik van het principe van energieopwekking. De sensoren hebben geen batterij nodig.
- Een energieomvormer wekt elektriciteit op door een beweging zoals het indrukken van een lichtschakelaar.
- Mini-zonnecellen worden aangedreven door elektriciteit uit bijvoorbeeld lichtbronnen.
- Peltier-elementen wekken elektriciteit op door temperatuurverschillen, bijvoorbeeld tussen de radiator en de omgeving. Een temperatuurverschil van twee graden is voldoende.
voordelen
- nauwelijks energieverbruik
nadeel
- alleen geschikt voor kleine sensoren en kleine hoeveelheden data
Toepassingen
De zeer energiezuinige radiostandaard wordt gebruikt door smarthome-apparaten die korte berichten of opdrachten verzenden. Dit zijn:
- Bewegingssensoren of bewegingsmelders
- Temperatuursensoren
- CO2-sensoren
Slimme thuissystemen met EnOcean
- Siemens
- Mediola
- Homee Smart Home
- Somfy
- Wago
- Eltako (beveiligingstechniek)
- NodOn (bewegingsdetector)
6. Homematic IP (BidCoS)
Achter het Homematic IP-merk staat de gepatenteerde radiostandaard BidCoS (Bidirectional Communication Standard). De uitvinder is het Duitse technologiebedrijf eQ-3, opgericht in 2007, dat zijn Homematic IP-standaard gebruikt voor zijn eigen smart home-systemen (Max!, Homematic), maar ook beschikbaar stelt aan zijn samenwerkingspartners Innogy en Qivicon. Qivicon is een groot smart home platform dat tevens de basis vormt voor bijvoorbeeld de Qivicon / Magenta SmartHome.
Homematic IP is een eigen radio, de apparaten werken door samenwerking maar ook met Magenta en Innogy.
functionaliteit
- De BidCoS is een bidirectioneel protocol. Dit betekent dat de ontvanger een bericht altijd moet bevestigen.
- De radiostandaard verzendt de gegevens met AES-authenticatie en 128-bits codering.
voordelen
- hoge beveiliging
nadeel
- niet compatibel met andere slimme thuissystemen (behalve voor samenwerkingspartners)
Slimme thuissystemen met Homematic IP / BidCoS
- HomeMatic
- Max!
- Qivicon / Magenta SmartHome
- Innogy
7. Dect ULE
De DECT-radiostandaard (voor digitale verbeterde draadloze communicatie) verspreidde zich al in de jaren negentig met de komst van draadloze telefoons. De Ultra Low Energy (ULE) variant van het DECT-protocol is geoptimaliseerd voor een laag energieverbruik.
Dect Ule-apparaten kunnen rechtstreeks via de Fritz! Box worden bediend. Bijvoorbeeld het slimme stopcontact van AVM.
functionaliteit
- DECT ULE staat niet voor één protocol, maar voor veel protocollen van verschillende fabrikanten in de 1.890-1.900 MHz-band.
- Om met elkaar te kunnen communiceren, hebben smarthome-apparaten die het DECT ULE-protocol gebruiken een gateway nodig als centrum voor inkomende en uitgaande berichten.
Toepassing
De radiostandaard wordt niet alleen gebruikt voor telefoons en routers, maar ook voor slimme lampen en sensoren.
voordelen
- Storingsarm dankzij een eigen frequentieband
nadeel
- relatief zelden gebruikt
Slimme thuissystemen met Dect ULE
- Magenta Smart Home (Telekom)
- AVM (Fritz! Box)
- Gigaset Elements Smart Home
Combinatie van verschillende standaarden
Open ontworpen slimme thuissystemen bieden de mogelijkheid om verschillende draadloze standaarden te combineren. Een breed scala aan smart home-standaarden is geïntegreerd in de controlecentra van systemen zoals Magenta of Homee.
"Zelfklevende apps" zoals IFTTT, iHaus, Apple HomeKit, Google Assistant of Amazon Alexa fungeren ook als een brug tussen smarthome-apparaten met verschillende draadloze standaarden. Informatie uit verschillende apps wordt in principe in een centrale app geëvalueerd. De D-Link-sensor zendt bijvoorbeeld een geluidssignaal wanneer de Arlo-sensor beweging detecteert. Voorwaarde is dat de afzonderlijke apparaten compatibel zijn met de geselecteerde lijm-app.
KNX-RF: breid het bussysteem uit met draadloze apparaten
Bij nieuwbouw of een daaropvolgende installatie van een smarthome in een oud pand kunnen eigenaren overwegen of ze de smarthome-besturing via kabelinstallatie willen implementeren in plaats van via radio. Ofwel de voedingskabel kan worden gebruikt als verbindingselement (powerline-systeem) of een apart bussysteem dat als tweede lijn naast de voedingslijn loopt (KNX-systeem). De KNX-bus maakt de integratie van smarthome-apparaten van verschillende fabrikanten mogelijk en kan worden gecombineerd met Powerline en Ethernet.
Voor het KNX-systeem is er nu ook een hybride oplossing die bestaat uit bedrade en radiogestuurde apparaten die via dezelfde gebruikersinterface kunnen worden aangestuurd. Dit is bijvoorbeeld handig om een bedrade smarthome uit te breiden met extra functies. De juiste radiostandaard heet KNX-RF. Met deze technologie kan ook een puur draadloze smart home worden gerealiseerd, zoals ook mogelijk is met de draadloze standaarden in bovenstaande vergelijking. Maar aangezien de verbinding en programmering relatief complex zijn, is KNX-RF meer gericht op KNX-specialisten en eigenaren die KNX en KNX-RF willen combineren.