Bei der Auswahl von Funkstandards für Gebäudeautomation und -steuerung gibt es mehrere Alternativen. Welche ist die beste für Ihre Anforderungen?

von Pete Smith, Leiter Vertrieb und Marketing bei iaconnects

Die beiden beliebtesten Funkstandards für die Gebäudeautomation sind Zigbee und EnOcean. Daneben gibt es noch Bluetooth, Bluetooth Low Energy (BLE) und Z-Wave. Zigbee wird in der Gebäudeautomation für eine Vielzahl von Anwendungsbereichen eingesetzt. Die Hauptvorteile ergeben sich aus der Nutzung der weltweiten 2,4-GHz-Frequenz, die Datenübertragungsrate, Reichweite und Latenzzeit innerhalb der erforderlichen Frequenz bietet. Zigbee ist kompatibel zu Mesh-Lösungen, so dass eine End-to-End-Kommunikation über eine Vielzahl von Schnittstellen erfolgen kann. Es verwendet herstellergebundene Anwendungen, und die neueste Version 3.0 soll die Funktionsfähigkeit von Geräten verschiedener Anbieter verbessern. Dies schließt auch die Unterstützung energieautarker Module durch Zigbee Green Power ein. Mit zahlreichen Komponentenlieferanten und einer Allianz von mehr als 300 Mitgliedsunternehmen ist es auf dem globalen Markt für Endverbraucherprodukte wie dem Philips Hue-System gut etabliert.

Bluetooth neigt zu Frequenzsprüngen und hat im Vergleich zu anderen IoT-Protokollen eine tendenziell geringere Reichweite. Es ist jedoch eines der bekanntesten Protokolle, da Hersteller von Autos, Smartphones, Tablets und Wearable-Technologien (z.B. Kopfhörer) Bluetooth in ihre Geräte integrieren. Das Standard-Bluetooth-Protokoll verwendet ebenfalls 2,4-GHz-Funkwellen, wobei die Datenpakete an einen von 79 Kanälen gesendet werden. Eine neuere Technologie namens Bluetooth Low Energy (BLE) eignet sich für IoT-Lösungen und bietet geringeren Stromverbrauch sowie höhere Flexibilität und Skalierbarkeit. BLE basiert auf dem Bluetooth 4.0-Standard und verfügt über 40 Kanäle mit einer Bandbreite von 2MHz. Diese gewährleisten eine Datenübertragung von bis zu 3Mb/s.

Z-Wave wird als IoT-Protokoll immer beliebter. Es handelt sich hierbei um eine drahtlose Hochfrequenz-Kommunikationstechnologie, die vor allem für IoT-Heimanwendungen zum Einsatz kommt. Da Z-Wave in seinem eigenen Frequenzbereich arbeitet, kommt es nur selten zu nennenswerten Interferenzproblemen. Allerdings ist die Frequenz der Z-Wave-Geräte ortsabhängig. Sie eignet sich vorzugsweise für Nachrüstungen im Privatbereich und nicht für kommerzielle Zwecke.

Eine überzeugende Alternative

Im Gegensatz zu Zigbee, Bluetooth, BLE und Z-Wave wurde das EnOcean-Funkprotokoll von Anfang an mit Blick auf energieautarke Geräte und Gebäudeautomation entwickelt.

In Europa nutzt EnOcean die 868,3MHz-Frequenz, die sich gut für die Übertragung kurzer Datenpakete mit einer Rate von 125 kbit/s eignet. EnOcean profitiert von extrem kurzen Latenzzeiten, die in der Praxis selbst bei zeitkritischen Geräten wie Schaltern nicht zu erkennen sind. Die Reichweite in Innenräumen ist mit rund 30 m deutlich größer als bei Zigbee. Darüber hinaus ist das EnOcean-Protokoll als ISO/IEC-Standard international anerkannt, so dass eine hohe Interoperabilität mit Geräten verschiedenster Anbieter aus der EnOcean Alliance – einer offenen Non-Profit-Organisation – mit mehr als 400 Mitgliedern, darunter viele aus dem Bereich der Gebäudeautomation, gewährleistet ist.

Innerhalb einer übergreifenden Infrastruktur können EnOcean-Geräte direkt untereinander kommunizieren. Zudem wird die Integration von EnOcean-Geräten in Regler der Gebäudeautomation (DDC-System) durch die Bereitstellung von EnOcean-Schnittstellen durch viele Hersteller erleichtert; alternativ stehen weitere Gateway-Lösungen (z. B. EnOcean-IP, EnOcean-KNX, EnOcean-DALI etc.) zur Verfügung. Verschiedenste Sensoren für die Gebäudeautomation sind von vielen Anbietern verfügbar.

Über die Heimautomation für Endverbraucher hinaus bietet EnOcean ein Ökosystem, das sich ideal für den professionellen, qualitativ hochwertigen und zuverlässigen Betrieb eignet, der zudem jahrzehntelang wartungsfrei ist. In den 20 Jahren seit der Standardisierung des Protokolls wurde es in Millionen von Gebäuden installiert und hält, was es verspricht: niedrige CO₂-Belastung und wenig Elektrosmog.

Anwendungsfälle stecken das Spielfeld ab

Die beiden etablierten Schlüssel-Ökosysteme sind objektiv vergleichbar, wenn man ihre Eignung im Hinblick auf die verschiedenen Anwendungsbereiche ebenso bewertet wie die Herausforderungen, die sich aus Aufbau, Betrieb und Wartung der notwendigen Infrastruktur ergeben.

Prof. Dr. Michael Krödel vom IGT (Institut für Gebäudetechnik) stellt in seiner wegweisenden Studie zu Automatisierungs- und Steuerungstechnologien fest, dass Funkstandards zur Einbindung von Sensoren in entsprechende Anwendungen immer wichtiger werden. Ausgangspunkt seiner Studie sind die Anforderungen an die Raum- und Gebäudeautomation auf der einen Seite und diejenigen an „Smart Buildings“ auf der anderen Seite. Prof. Krödel berücksichtigte acht Kriterien, um eine Gesamtnote von 0 bis 2 für die Eignung zu vergeben.

Auf dieser Basis erhielten Technologien, die auf ungeeigneten Frequenzbändern basieren (KO-Kriterium), die Note 0. EnOcean und Zigbee schafften die maximal mögliche Bewertung, da Datenübertragungsraten, Reichweite und Latenzzeiten weit im geforderten Bereich liegen.

Da Zigbee jedoch auf 2,4 GHz läuft, ist es anfällig für Störungen durch Wi-Fi-Netzwerke (die ebenfalls 2,4 GHz verwenden) und durch Mikrowellenherde. Darüber hinaus hegen akademische Studien wie die von Prof. Axel Sikora und Prof. Voicu F. Groza Bedenken über Zigbee in der Praxis und stellen fest: „Es gibt eindeutig ein Koexistenzproblem im 2,4-GHz-ISM-Band. … Besonders die Auswirkungen von IEEE 802.11 („Wi-Fi“)-Stationen mit hohem Tastverhältnis gegenüber IEEE802.15.4 („Zigbee“)-Stationen können äußerst kritisch sein, wenn die gleichen Trägerfrequenzen gewählt werden.“ (Quelle: https://computingonline.net/computing/article/view/318)

Darüber hinaus können in Zigbee-Netzwerken Paketfehlerraten (Ausfälle) von über 90 % auftreten, wenn sie sich in der Nähe eines Wi-Fi-Netzwerks auf demselben 2,4-GHz-Kanal befinden. Im Gegensatz dazu ist die EnOcean-Frequenz taktbegrenzt und praktisch frei von Störungen.

Standards für Herstellerabhängigkeit

Zigbee schneidet bei der Bewertung der Herstellerabhängigkeit schlechter ab, da das Protokoll nur teilweise standardisiert ist. Seine herstellerspezifische Implementierung und die geringe Multivendor-Interoperabilität stellen ebenfalls negative Bewertungspunkte dar. Erstens gibt es Dutzende verschiedener Zigbee-Versionen, zweitens verwenden viele Hersteller den Zigbee-Stack und modifizieren ihn leicht, so dass viele Lösungen nicht herstellerübergreifend interoperabel sind. So ist es oft nicht möglich, Lichtschalter oder Glühbirnen von Hersteller A durch die von Hersteller B zu ersetzen, auch wenn beide die gleiche Zigbee-Version verwenden.

EnOcean verfügt über ein standardisiertes Protokoll und eine hohe Bedienbarkeit, was es deutlich unabhängiger von Herstellern macht und die höchste Punktzahl einbringt

Infrastrukturen entsprechen Anforderungen

Beide Protokolle befinden sich im Mittelfeld, was die Leistungsfähigkeit ihrer Infrastruktur angeht. Bei Zigbee erfordert die Integration von Sensordaten eine eigene Infrastruktur, wenngleich die Mesh-Technologie zur Kostensenkung beitragen kann. EnOcean hingegen benötigt eine externe Backbone-Infrastruktur zur Einbindung von Sensordaten.

Die Integration von Sensordaten in Gebäudeautomationssteuerungen (DDC-Systeme) zeigt weitere Unterschiede zwischen den beiden Protokollen auf. Mit EnOcean lassen sich Sensordaten mit IoT-Infrastrukturlösungen wie MobiusFlow®, Gebäudeautomationsreglern (DDC-Systemen) entweder direkt oder über IP-basierte Netzwerke integrieren. Zigbee hingegen verfügt über keine äquivalente Option für eine direkte Verbindung, kann also nur über ein IP-Netzwerk integriert werden.

MobiusFlow® ist eine IoT-Edge-Plattform, die in den letzten 15 Jahren von IAconnects Technology Ltd (iaconnects) entwickelt wurde, um eine herstellerunabhängige Konnektivität des Internets der Dinge (IoT) mit der Cloud oder lokalen Computern zu ermöglichen. Es kann in der Cloud, in geschlossenen sicheren Netzwerken, in Wi-Fi-basierten Systemen arbeiten oder eine eigene Datenverbindung (3G/4G) nutzen, sofern es in Verbindung mit der kundenspezifischen Hardware von IA verwendet wird. Mehr über MobiusFlow® erfahren Sie hier.

Energy Harvesting – ein entscheidender Vorteil

Die konsequente Ausrichtung von EnOcean auf energieautarke Geräte bringt einen weiteren Vorteil gegenüber dem Wettbewerb im Bereich der Gebäudeautomation mit sich. Denn sämtliche EnOcean-Geräte erfüllen das entsprechende Kriterium, während andere Protokolle, einschließlich Zigbee, hauptsächlich auf Netz- oder Batteriestrom angewiesen sind. So benötigt etwa Zigbee zusätzliche Energie für Mesh-Netzwerke, bidirektionale Kommunikation und verschiedene Overheads. Das verschlechtert den ökologischen Fußabdruck und bringt zudem die Notwendigkeit mit sich, Leitungen zu verlegen oder Batterien zu warten. Teilweise ausgenommen hiervon ist Green Power Zigbee, das allerdings einen Großteil des Zigbee-Funktionsumfangs (Mesh etc.) nicht beinhaltet.

Ganz gleich, ob für einzelne Sensoren oder komplette Gebäudeautomationslösungen – beide Protokolle müssen sicher sein. Sowohl Zigbee als auch EnOcean eignen sich für die Datenverschlüsselung und sorgen damit für effektive Sicherheit im gesamten Gebäudenetzwerk.

Was die Marktverfügbarkeit angeht, so lassen sich mit Zigbee durchaus auch Gebäudeautomationslösungen realisieren. Im Gegensatz dazu bietet die EnOcean Alliance mit ihrer breiten Palette an Sensoren weit mehr Optionen in diesem Bereich. Bei der Bereitstellung von Mess- und Testgeräten und der dazugehörigen Dokumentation punkten sowohl EnOcean als auch Zigbee: Beides ist leicht verfügbar und einfach zu bedienen.

Das Gesamtergebnis lautet: „EnOcean eignet sich hervorragend für Anwendungen in der Gebäudeautomation“. Lediglich die erforderliche Backbone-Infrastruktur trübt die perfekte Bewertung. Der Einsatz von EnOcean-Sensoren in Kombination mit MobiusFlow® von iaconnects schafft leistungsstarke IoT-Lösung für intelligente Gebäude.