Kommunikationsprotokoll Ein sicher vernetztes Smart Home mit Lemonbeat

Autor / Redakteur: Richard Oed * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Mit Lemonbeat soll das Smart Home sicher vernetzt werden. Während der Entwicklung des Standards wurde zudem großer Wert auf eine einfache Integration unterschiedlicher Geräte gelegt.

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Kommunikation: Mit der Plattform Lemonbeat wird ein offener und einfacher Standard für das Internet of Things geschaffen.
Kommunikation: Mit der Plattform Lemonbeat wird ein offener und einfacher Standard für das Internet of Things geschaffen.
(Bild: obs/RWE Effizienz)

In Bezug auf das Internet der Dinge wird oft über fehlende Standards geklagt, die eine Entwicklung bremsen. Und tatsächlich, sieht man genauer hin, so gibt es „das“ Internet der Dinge noch nicht. Momentan besteht es eher aus vielen einzelnen Systemen, die in sich zwar smart oder intelligent sind, aber nicht richtig miteinander kommunizieren können. Dafür fehlt es an standardisierten und interoperablen Kommunikationsprotokollen. Das wird einem spätestens dann bewusst, wenn man sich auf einer Fachmesse einen Schaltschrank für die Home-Automation genauer ansieht.

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Neben den üblichen Einbauten wie Zählern, Sicherungen und Schaltautomaten, findet man auch eine größere Anzahl an Baugruppen, deren einziger Zweck es ist, Protokolle zu übersetzen und Busse und Spannungspegel anzupassen. Eine Kommunikation des Fernsehers mit dem Kühlschrank: „Tolles Spiel, 5 total begeisterte Leute vor der Flimmerkiste, gleich ist Halbzeitpause: Mach das Bier richtig kalt!“, oder der Klimaanlage mit dem Stromzähler: „Den Jungs ist richtig heiß vor Aufregung! Kann ich herunter kühlen, oder wird das zu teuer?“, ist daher heute nur mit einigem Aufwand möglich, zumindest, wenn nicht alles aus einer Hand kommt.

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Die Vorteile von Lemonbeat im Überblick

Lemonbeat als Standard soll die Kommunikation im Smart Home vereinfachen: Vom Lichtschalter bis zu komplexen Maschinen und Anlagen. Das Ziel ist es, neue Geschäftsfelder vor allem für das B2B-Umfeld zu eröffnen. Unterstützt wird die Lemonbeat GmbH von Cassini Consulting neben der Unternehmensausgründung und dem Community-Aufbau über das W3C auch beim Recruiting von IT-Fachkräften. Die „Lemonbeat smart Device Language (LsDL) ist ein universelles Modell für Sprachprotokolle, um unterschiedliche Geräte zu vernetzen. Der XML-basierte Sprachstandard ist unabhängig von der Form der Datenübertragung und der Middleware. Aktuell steht Lemonbeat über vorkonfigurierte Chips und Software-Lizenzen für unterschiedliche Geräte zur Verfügung.

Dabei werden täglich neue Geräte und Anwendungen auf den Markt gebracht. Ein rasant wachsender Markt. Man geht mittlerweile davon aus, dass bis 2018 in Deutschland 2 Millionen Haushalte Smart-Home-Applikationen verwenden und weltweit bis zum Jahr 2020 ungefähr 25 Milliarden „Dinge“ an das Internet der Dinge angeschlossen sein werden. Eine Möglichkeit zur einfachen und protokollübergreifenden Vernetzung der bereits internetfähigen Baugruppen ist daher wünschenswert.

Für den Erfolg des Smart Home ist ein Standard unabdingbar

Dass dieser Zustand auf Dauer keine Lösung sein kann, ist bekannt und in vielen Firmen und Arbeitsgruppen wird auf eine Normung hingearbeitet. Ein interessanter Ansatz ist dabei Lemonbeat, ein ursprünglich von der RWE-Effizienz initiiertes und zusammen mit der Firma Seluxit implementiertes Protokoll, dessen Application Layer momentan als Draft in der Version 1.8 dem World Wide Web Consortium (W3C), welches sich mit der Standardisierung der Technologien des Internets beschäftigt, zur Prüfung und Kommentierung vorliegt und dessen Kern die „Lemonbeat smart Device Language“ (LsDL) darstellt. Durch die Einreichung als offener Standard ist diese Spezifikation frei für jeden Interessenten zugänglich.

Wie Lemonbeat entstanden ist

Entstanden ist Lemonbeat aus der durch mehrere hunderttausend gelieferten Geräte der Home-Automation gewonnenen Erfahrung der RWE, wobei die weitere Normierung und Unterstützung mittlerweile durch die eigenständige Lemonbeat GmbH weitergeführt wird. Ausgehend von der Überlegung, was tatsächlich für ein Kommunikationsprotokoll für die Home-Automation notwendig ist, wurde schnell klar, dass identische Anforderungen auch im Umfeld des IoT bestehen und diese ebenfalls von einem unkomplizierten und offenen System profitieren würden.

Während der Entwicklung des Standards wurde ein entsprechend großer Wert auf eine einfache Integration einer Vielzahl von Geräten unterschiedlichster Hersteller und sehr hohe Sicherheitsstandards gelegt, und zwar unabhängig davon, ob der Einsatz in der Industrie oder für Consumer erfolgt. Ziel war es, eine offene, universelle Sprache und ein offenes, universelles Protokoll für das Internet der Dinge zu entwickeln.

Inhaltlich werden dabei die bisher größten Hindernisse adressiert: Sicherheit, Robustheit, Wechselwirkungen mit anderen Techniken oder die Reichweite. Daraus resultierte ein sehr modulares System, das durch die Entwicklung der unabhängigen „Lemonbeat smart Devices Language“ für den Applikation Layer die Vermischung unterschiedlichster Techniken erlaubt, also auch einen Einsatz in Verbindung mit WLAN, Bluetooth oder Thread.

Geräte beschreiben sich und ihre Services in XML

Der Application Layer und LsDL setzen auf bereits bekannten und erprobten Normen wie XML (Extensible Markup Language), XSD (XML Schema Definition) und EXI (Efficient XML Interchange, ein Format für die binäre Repräsentation von XML Information Sets) der W3C auf. Die auf diese Weise eingebundenen Geräte beschreiben sich und ihre Services dabei selbst in XML und ermöglichen so serviceorientierte Interfaces. Die Sicherheit ist dabei auf der Layer-Ebene implementiert. Durch die Erweiterbarkeit ist das Gesamtsystem leicht (re-)konfigurier- und skalierbar. Neue Geräte und Dienste lassen sich ebenso leicht einbinden, wie bestehende auf den neuesten Stand zu bringen oder mit zusätzlicher Funktionalität auszustatten.

Durch die Verwendung des binären Formates EXI statt XML zur Übertragung der Daten wird eine Kompressionsrate von ungefähr 90 Prozent erreicht, wobei die Kompression verlustfrei erfolgt. Nicht zuletzt führt dies zu einer nicht unerheblichen Energieeinsparung, was längere Batterielaufzeiten ermöglicht.

Die Netzwerkfähigkeit wird durch die Verwendung der bekannten Protokolle TCP/IP (Transmission Control Protocol / Internet Protocol) und UDP/IP (User Datagram Protocol) erreicht. Beim Internetprotokoll ist neben der Version 4 (IPv4) auch die Version 6 (IPv6) voll implementiert und damit kann die Funktionalität im Netzwerk als zukunftssicher angesehen werden. Das Network Time Protocol (NTP) zur Zeitsynchro-nisation wird ebenso unterstützt. Die Netzwerkdienste sind Multicastfähig. Als Applikationslayer ist Lemonbeat mit allen IEEE Standards kompatibel, die den Einsatz von IPv6 erlauben, also beispielsweise IEEE 802.3 (Ethernet) oder IEEE 802.11 (Wi-Fi). Des Weiteren wird auf den jeweils zutreffenden Normen der IETF (Internet Engineering Task Force), wie etwa RFC 2080 oder RFC 5342, aufgebaut.

Die Kommunikation erfolgt im 868-MHz-Band

Der Physical Layer von Lemonbeat verwendet die Frequenzen im 868-MHz-Band von 863 bis 870 MHz, setzt allerdings nicht auf dem bekannten Wireless-M-Bus (wMBus) auf, der ebenfalls in diesem Frequenzband angesiedelt ist. Stattdessen wurde ein neuer Standard entwickelt, der einen MAC-Layer mit 128-Bit AES-Verschlüsselung verwendet. Dank des sicheren Schlüsselaustausches ist eine verbesserte Sicherheit garantiert.

Zusätzlich wird für die Übertragung ein Channel-Hopping über 32 Funkkanäle benutzt, was zu einer erhöhten Robustheit führt und gleichzeitig die Möglichkeit eröffnet, das 1-Prozent-Duty-Cycle-Limit zu umgehen. Die ebenfalls vorhandene Vorwärtsfehlerkorrektur (Forward Error Correction) verbessert die Zuverlässigkeit weiter. Batteriebetriebene Geräte profitieren von den Ultra-Low-Power-Modi, die durch neuentwickelte Wake-On-Radio-Methoden ermöglicht werden. Eine andere Besonderheit von Lemonbeat ist die Möglichkeit, dass der eigene RF-Layer durch andere, ebenfalls IP-basierende Übertragungsmöglichkeiten wie WiFi, Bluetooth oder Ethernet ersetzt oder ergänzt werden kann. Das gilt insbesondere auch für neue und zurzeit noch unbekannte Protokolle und Geräte. Inkompatibilitäten sollten damit der Vergangenheit angehören.

Unterschiedliche Anwendungen sind möglich

Der Einsatz von Lemonbeat ist in vielen Applikationen möglich. Angefangen bei relativ einfachen Schaltern, die mehrere Endgeräte steuern, über kalendergesteuerte Temperaturregelungen bis hin zu aufwendigen Lichtsteuerungen mit Bewegungs- und Helligkeitssensoren. Viele Hersteller haben dieses Protokoll und die zugehörige Smart Device Language (LsDL) bereits in ihren Produkten eingesetzt. Neben der durch den benutzten Frequenzbereich recht großen Reichweite von bis zu 1,7 km spielten in erster Linie die einfache Programmierung durch XML, das Sicherheitskonzept und die Zukunftssicherheit durch die Verwendung von IP-basierten Kommunikationsprotokollen eine wesentliche Rolle bei der Entscheidung.

Ein Beispiel für die erfolgreiche Implementation von Lemonbeat ist die IoT-Plattform von Seluxit. Dazu gehören das Gateway, ein einfaches Standardprodukt oder eine OEM-Version, und die Middleware, die auf Cloud-basierten Servern läuft. Die Hauptaufgabe des Gateways besteht darin, die von den verschiedenen Sensoren im Netzwerk über das Lemonbeat-Protokoll gelieferten Daten zusammen zu führen und zu vereinheitlichen, wobei die Sensoren ebenfalls untereinander, mit externen Geräten oder auch mit dem Benutzer kommunizieren können. Um das System auch bei einer unterbrochenen Internetverbindung lauffähig zu halten, ist die Middleware teilweise auf dem Gateway vorhanden.

Ein weiteres Einsatzbeispiel ist das Gardena-Smart-System zur vollautomatischen Gartenbewässerung und Rasenpflege aus der Ferne. Es besteht aus einem Gateway, einem automatischen Bewässerungssystem, einem Sensor zur Messung von Bodenfeuchte, Lichtstärke und Temperatur, einem Mähroboter und schließlich einer Smartphone-App. Alle Geräte kommunizieren untereinander über Lemonbeat, das vom Hersteller neben der einfachen Programmierbarkeit auch wegen der Möglichkeit eines Softwareupdates „Over the Air“ ausgewählt wurde. Durch die Modularität lassen sich später zusätzliche Sensoren oder Services leicht einbinden.

Eine einheitliche Kommunikation im Internet der Dinge

Mit der Etablierung des Lemonbeat-Protokolls und der zugehörigen Smart Device Language ist ein wesentlicher Schritt auf dem Weg zu einer einheitlichen Kommunikation im Internet der Dinge und hier auch vor allem für das Smart Home gemacht worden. Die offene Spezifikation, die Zukunftssicherheit durch freie Erweiterbarkeit, die Energieeffizienz und die Unabhängigkeit von Zwischenlayern oder Übertragungsprotokollen macht Lemonbeat als Standard wohl für viele Entwickler von vernetzten Geräten für das Internet der Dinge attraktiv. Die bisher erfolgten Implementationen weisen zumindest darauf hin.

Der Beitrag ist nach Unterlagen der Firmen Seluxit, Lemonbeat und RWE-Effizienz entstanden.

* Richard Oed arbeitet nach 24 Jahren in der Elektronik jetzt als freier Fachjournalist.

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