Smart vernetzt mit softwarebasierten Funksteckdosen

Fraunhofer-Institut für Eingebettete Systeme und Kommunikationstechnik ESK

© Fraunhofer ESK

In einem Konsortium bestehend aus dem Fraunhofer ESK, dem Fraunhofer ITWM und der Firma embedded brains sind Steckdosen entwickelt worden, die durch IPv6-fähige Computer und Smartphones gesteuert werden. Die Steckdosen haben eine eigene IPv6-Adresse und sind drahtlos mit dem Internet verbunden. Verbraucher können ihre Geräte von überall aus steuern, z.B. die Waschmaschine erst dann anschalten, wenn der Strom billig ist.

Steckdosen mit dem Smartphone steuern

Bis jetzt waren Steckdosen eine lokale Angelegenheit: Man musste vor Ort oder zumindest in der Nähe sein, um den Stromdurchfluss zu messen oder sie zu aktivieren. Mit den Hexabus-Steckdosen aus dem BMBF-Projekt „mySmartGrid“ des Fraunhofer ITWM gewinnen die Anwender Flexibilität, denn die Wissenschaftler des Fraunhofer ESK haben die Aufsteck-Steckdosen mit IPv6 (Internet Protocol Version 6)-fähigem Funk vernetzt. So kann man über jedes IPv6-fähige Endgerät den aktuellen Stromverbrauch auslesen und die Steckdosen ein- und ausschalten.

Die Hexabus-Steckdosen erlauben über IPv6-fähige Geräte wie Smartphones das Anschalten der Waschmaschine bereits auf dem Weg nach Hause. Für das Hausautomatisierungssystem Hexabus, einem Bussystem bestehend aus einem handelsüblichen Router sowie einem USB-Stick und einer Funksteckdose, haben die Wissenschaftler das Betriebssystem für integrierte Mikrocontroller – Contiki – erweitert. Entstanden ist eine softwarebasierte Anwendung, die eine intelligente, ortsunabhängige und sichere Funksteuerung von an die Steckdosen angeschlossenen Haushaltsgeräten gewährleistet. Die Hardwareentwicklung und Serienfertigung der Funksteckdosen und USB-Sticks erfolgte beim Partner embedded brains GmbH.

Hexabus-Funksteckdosen mit IPv6-basierter Kommunikation

Nach der Erweiterung durch die ESK-Forscher nutzt Contiki das Kommunikationsprotokoll 6LoWPAN. Die Wissenschaftler haben sich für 6LoWPAN entschieden, da das offene und standardisierte Protokoll bereits von Haus aus über IP-Fähigkeit verfügt. Der Vorteil der IP-basierten Kommunikation ist ihre hohe Verbreitung. Dadurch können Standard-Geräte wie Smartphones, Tablets und PCs genutzt werden. Teure, zusätzliche Spezial-Hardware muss nicht mehr angeschafft werden. Zudem können die Funksteckdosen mit dem heimischen Router verbunden werden. So kann der Besitzer über das Internet auch von unterwegs seine Steckdosen auslesen und steuern.

Daten sicher übertragen

Um den Funkverkehr sicher zu gestalten, haben die ESK-Wissenschaftler Contiki eine Advanced Encryption Standard (AES)-128-Verschlüsselung hinzugefügt. Die lizenzfreie Verschlüsselung sorgt dafür, dass alle Daten gesichert übertragen werden. Damit wird der Gefahr des gläsernen Konsumenten Einhalt geboten, genauso wie potenziellen Angreifern, die sich sonst in das Hausautomatisierungssystem einhacken könnten.

Over-the-air Firmware-Update

Auch um ein komfortables Update der Software haben sich die Wissenschaftler gekümmert: Über einen drahtlosen Bootloader kann – nachdem der Nutzer an der Steckdose einen Knopf gedrückt hat – per Funk die Firmware aktualisiert werden. Im Gegensatz zu gängigen Systemen, bei denen die Geräte noch mit einem Kabel an ein Programmiergerät angeschlossen werden, ist dies ein großer Schritt in Richtung einfacher Bedienung.

868 MHz für weiträumiges Funken

Damit der Konsument auch über weite Strecken seine Haushaltsgeräte an- und abschalten kann, funken der USB-Stick und die Steckdose nach der Anpassung durch die Ingenieure im 868 MHz-Frequenzband, und nicht mehr im 2,4 GHz-Bereich. Mit dem in Europa lizenzfreien 868 MHz-Frequenzband erreicht der Konsument auch weiträumig verteilte Geräte, da die Übertragungseigenschaften dank der besseren Durchdringung von Wänden und der geringeren Dämpfung vorteilhafter ausfallen als beim 2,4 GHz-Band.

Steckdosen benennen und konfigurieren

Neu ist auch, dass die einzelnen Steckdosen im Browser mit Namen adressiert und nach den jeweils angeschlossenen Geräten, z. B. „waschmaschine.bad“, benannt werden können. Dafür haben die ESK-Wissenschaftler den Hexabus-Steckdosen das mDNS-Protokoll hinzugefügt. Konnte der Webserver vor der Modifikation nur Daten bereitstellen, so ist über die Webseite jetzt auch die Konfiguration der Steckdose möglich – und zwar plattformunabhängig.

Mit der Vernetzung von Stromverbrauch und drahtlosen IKT-Technologien ist eine intelligente Anwendung entstanden, die für einen sicheren, weiträumigen und ortsunabhängigen Zugriff auf Haushaltsgeräte sorgt. Die Forscher des Fraunhofer ESK haben dabei ihre Erfahrungen im Bereich der Vernetzungskomponenten und des IP-basierten Hausbussystems eingesetzt und erweitert, z. B. bei der Implementierung von Protokollstacks und der Anpassung des Betriebssystems Contiki.

Mit Multi-hop-Vernetzung in großen Arealen funken

Die IPv6-fähigen Funksteckdosen sind bereits einsetzbar. Bei den Hardware- und Software-Komponenten handelt es sich um Open-Source. Informationen und Quellen zum System sind unter www.mysmartgrid.de frei verfügbar. Da alle Aspekte offen gelegt sind, können von den Anwendern auch weitere Sensoren eingebaut werden. Ist das Startprojekt in erster Linie auf den Heimverbraucher zugeschnitten, könnten durch eine Multi-hop-Vernetzung künftig größere Areale abgedeckt werden. Nicht mehr der einzelne Haushaltskonsument, sondern ganze Büroanlagen oder Industrieflächen profitieren in diesem Zukunftsszenario von dem internetfähigen Heimautomatisierungssystem.

Das Projekt „mySmartGrid“ wurde vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) und vom Bundesland Rheinland-Pfalz gefördert.