IoT | Smart Home - Smart Living

 

Ein intelligentes Haus, das autonom auf Umweltbedingungen reagiert, mit Sprache gesteuert werden kann und sogar zu den Bewohnern spricht? Das tönt nach einer Utopie? Nicht so für einen unserer Mitarbeiter. Sein Haus ist einerseits ein Paradies für Technikverliebte, andererseits wegweisend für Funktionen, die wohl bald aus jedem Haus nicht mehr wegzudenken sein werden.

Viele Steuerungen von verfügbaren Hausautomationen diverser Hersteller sind Insellösungen, können oft nur innerhalb einer Marke oder Technologie miteinander vernetzt werden.

Das Haus unseres Mitarbeiters kombiniert viele unterschiedliche Geräte, Sensoren, Steuerungen und Aktoren mittels AWS IoT Hub und selbst entwickelten Software Komponenten zu einem grösseren Ganzen.

Der Tag beginnt damit, dass das Haus mit Hilfe eines Bewegungsmelder auf Fusshöhe unter dem Bett erkennt, wann man aufsteht. Das Licht geht an - früh am Morgen natürlich nur leicht gedimmt, damit sich die Augen erst langsam an die Helligkeit gewöhnen können. Durch Orientierungslichter mit sanftem Licht wird man in das Badezimmer begleitet, wo die dimmbare LED Beleuchtung langsam immer heller wird. Sämtliche Lichter im Haus bestehen aus dimmbaren LED Leuchtmitteln und sind sogar mittels Sprache steuerbar.

Millimetergenaue Beschattung

Bei Tagesanbruch werden die Jalousien (Storen) automatisch geöffnet. Scheint an heissen Tagen die Sonne am Himmel, wird mittels GPS Koordinaten und jeweiliger Elevation und Azimuth der Sonne der genaue Einfallswinkel der Sonnenstrahlen berechnet und anhand dessen  fortlaufend der bestmögliche Winkel für die Lamellen jeder einzelnen Gebäudefassade nachgeführt. 

Der Winkel wird so genau berechnet, dass im Sommer zwar so viel Licht wie möglich, aber dennoch keine direkten Sonnenstrahlen eindringen, die unnötig den Innenraum aufwärmen.

Hat die Sonne die Dachfenster erreicht, werden die Marquisen zur Beschattung aktiviert - insofern der Raum keinen Energiebedarf meldet. Im Sommer wird die Funktion der Erdsonde umgekehrt und das Haus über die Bodenheizung zusätzlich abgekühlt. Wird es im Herbst draussen zunehmend kühler, passt sich das Beschattungs- und Belüftungskonzept automatisch an die Nutzung der Sonnenstrahlen als Wärmequelle zur Temperierung der Räume an.

Intelligent Heizen fängt mit intelligent Energiesparen an

Moderne, gut isolierte Häuser nach Minergie Standard mit Niedertemperatur-Bodenheizung, benötigen im Vergleich zu Altbauten nicht nur weniger Energie, sondern auch weniger Intelligenz in der Heizungs-Steuerung. Durch gute Isolation und die Trägheit der Niedertemperatur-Heizung, wäre die Auswirkung einer ausgeschalteten Bodenheizung erst nach Tagen fühlbar. So macht es kaum Sinn, kurzfristige Logiken zu programmieren, die Beispielsweise im Winter die Raumheizung ausschalten, sobald dort ein Fenster (ausgelöst durch Magnetschalter in den Fensterrähmen) geöffnet wird. Nebst der Heizung gibt es aber noch weitere Komponenten, die von smarten Funktionen profitieren können.

Smart wird das Haus durch eine übergreifende Logik, welche verschiedenste Komponenten untereinander verbindet. Die vorher traditionell -meist isoliert agierenden Systeme einzelner Komponenten werden hierbei zu einem Gesamtkonzept für Kühlung, Heizung, Beschattung, Belüftung und Beleuchtung kombiniert. Dieses ermöglicht es allen einzelnen Komponenten von sämtlichen Sensoren zu profitieren. So kann die Jalousie wissen, ob der Raum derzeit von der Wärme der Sonne profitieren könnte, oder ob dadurch Sonnenstrahlen auf einem momentan eingeschalteten Bildschirm ungewünscht wären. Auch die Lüftung profitiert von vielerlei Sensoren. Nebst Zuluft-Temperatur und Luftfeuchtigkeit wird durch einen Luftqualitäts-Sensor in der Zuluft die Lüftung automatisch reduziert wenn im Winter zu viel Kaminrauch aus der Nachbarschaft angezogen wird - oder im Sommer der Bauer auf dem Land die Felder düngt.

Mit Hilfe des AWS IoT Hub werden sämtliche Systeme untereinander verbunden und können auf Zustände und Ereignisse reagieren.

Sprachsteuerung mit Hilfe von Alexa und Siri

Viele Funktionen des Hauses können mit Hilfe von Amazon's Alexa und Apple's Siri gesteuert werden. Ein einfaches 'Hey Siri' oder ‘Alexa’ reicht, um den Assistenten ohne Knopfdruck zu aktivieren und ein Kommando an das Haus zu geben. Der gesprochene Satz wird analysiert und in eine digitale Instruktion übersetzt, welche wiederum dann durch den AWS IoT Hub an die Hausautomation übergeben und von dieser ausgeführt wird.

Ein Ausschnitt aus den umgesetzten Sprachsteuerungs-Möglichkeiten:

  • Lampen ein- und ausschalten sowie dimmen
  • Jalousien (Storen) können einzeln gesteuert werden und das Beschattungsprogramm beeinflusst werden
  • Dachfenster sowie deren Marquisen können geöffnet und geschlossen werden
  • Die Lüftung kann gesteuert werden - wenn man Beispielsweise 15 Minuten lang Stosslüften möchte
  • Der Fernseher kann per Sprache bedient werden und natürlich auch Radio und Musik
  • uvm ...
 

"Ein Paket wurde zugestellt"

Das Haus lässt nicht nur mit sich sprechen, sondern spricht - mit Hilfe einer TextToSpeech Engine Amazon Polly und kleinen Unterputz-Lautsprechern in den Räumen - auch mit den Bewohnern .

Einige Beispiele von Sprachdurchsagen des Hauses:

  • Post / Paket wurde zugestellt | Magnetsensoren am Briefkasten
  • Es klingelt an der Haustüre | SIP Türsprechstelle
  • Telefonanruf von “Firma/Person | VoIP Server
  • Die Wäschmaschine ist fertig | Stromsensor an der Waschmaschine
  • Das Garagentor wird geöffnet | Magnetsensor am Garagentor
  • Vorsicht das Garagentor ist immer noch offen | Erinnerung nach 15 Min. falls Schliess-Automatik deaktiviert
  • Neue E-Mail von “Absender” mit Betreff: ..” | Email-Server Event
  • Dachfenster werden geschlossen wegen Windalarm! | Windgeschwindigkeits-Sensor
  • Jalousien werden geöffnet wegen Hagelalarm | Wind- / Regensensoren / Wetteralarm
  • uvm...

Gesamtheitliche Vernetzung der Komponenten

Um die vielen unterschiedlichen Sensoren, Aktoren Bus Systeme miteinander zu verknüpfen, sind diese alle über MQTT mit einem lokalen IoT Hub verbunden und über eine Bridge mit dem AWS IoT Hub verlinkt. Die Logik Steuerung erfolgt sowohl lokal mit NodeJS als auch in der Cloud mit AWS Funktionen. Somit können Geräte und Ereignisse übergreifend verknüpft werden, von KNX Installations-Bus, über LoRa Sensoren, Magnetsensoren im Briefkasten bis zum Stromsensor an der Waschmaschine.

Damit können auch komplexe Bedingungen und Aktionen auf Basis von Events und Sensordaten realisiert werden, wie Beispielsweise folgende Event-Verknüpfung:

  • Wenn ein Telefonanruf eingeht, wird dies zentral an den IoT Hub gemeldet und geloggt
  • Eine AWS Lambda Funktion schlägt den Namen des Anrufers in privatem und öffentlichen Adressbuch nach
  • Der Name des Anrufers wird an AWS Polly TextToSpeech zur Durchsage im Haus übermittelt
  • Der Name des Anrufers wird an die TV Bildschirme zur On-Screen Anzeige übermittelt
  • TV und Radio werden automatisch lautlos gestellt
  • Eine optische Signalisation des Anrufs erfolgt zusätzlich über die LED Beleuchtung

 

Die Events und Daten der Sensoren werden zentral geloggt und können visualisiert werden - auf dem Smartphone wie auch auf den Bildschirmen der VoIP Telefonapparte. Diese Geräte ermöglichen zugleich Videotelefonie mit der SIP basierten Türsprechstelle.

Das ‘smartere’ SmartHome mit künstlicher Intelligenz

Aus den unmengen an geloggten Sensordaten wurde mittels AWS Machine Learning ein ML-Modell trainiert, mit dem das System permanent die Korrelationen der aktuellen Sensordaten überprüft und bei verdächtigen Abweichungen Alarm schlägt ohne für jeden erdenklichen Fall händisch Regeln erstellen zu müssen. Dadurch kann Beispielsweise erkannt werden, wenn ein Fenster zu lange offen steht, auch wenn kein Sensor am Fenster vorhanden ist, oder wenn eine nicht überwachte Komponente ausfällt und unerwartete Auswirkungen auf verknüpfte Systeme zur Folge hat.

Software Stack

Hardware

  • KNX Bus-System mit Ethernet Gateway
  • Mehrere Raspberry Pi
  • Arduino
  • Amazon Echo

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