Konzeption eines universellen Kommunikationsprotokolls zur Realisierung von Anwendungen im ...

270 Pages·2014·51.07 MB·German

by  Christoph Söllner

Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik
Fachgebiet für Betriebssysteme (F13)
Konzeption eines universellen Kommunikationsprotokolls
zur Realisierung von Anwendungen im Smart Home
Wolfgang Christoph Hermann Söllner
21. November 2013

Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik

Fachgebiet für Betriebssysteme (F13), Fakultät für Informatik
Konzeption eines universellen Kommunikationsprotokolls
zur Realisierung von Anwendungen im Smart Home
Wolfgang Christoph Hermann Söllner
Vollständiger Abdruck der von der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik
der Technischen Universität München zur Erlangung des akademischen Grades eines
Doktor-Ingenieurs
genehmigten Dissertation.
Vorsitzender: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Eckehard Steinbach
Prüfer der Dissertation:
1. Univ.-Prof. Dr. rer. nat. habil. Uwe Baumgarten
2. Univ.-Prof. Dr.-Ing. Klaus Diepold
Die Dissertation wurde am 21. November 2013 bei der Technischen Universität München
eingereicht und durch die Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik
am 29. September 2014 angenommen.

Danksagung
Mit erfolgreicher Beendigung dieser Dissertation ist es an der Zeit, mich bei denjenigen zu
bedanken,diemichwährendmeinerkurzweiligenundlehrreichenJahreanderTechnischen
UniversitätMünchenbegleitethaben.NebenmeinenehemaligenKolleginnenundKollegen
an den Einrichtungen und Lehrstühlen der TUM, mit denen ich enger zusammenarbeiten
konnte, möchte ich besonders drei Personen hervorheben.
Herrn Dr. Finkbein verdanke ich zum einen eine Reihe von Kontakten innerhalb und
außerhalb der Hochschule, die mir während der Zeit der Dissertation zur Seite standen
und mir neben wertvollen Tips vor allem Motivation vermittelten. Zum anderen war mir
seine einvernehmende und aufmerksame Art zu diskutieren in unseren Gesprächen stets
eine große Hilfe und Anregung, die mir auch über meine Zeit an der TUM hinaus in
Erinnerung bleiben wird.
Danken möchte ich auch meinem Zweitgutachter, Herrn Prof. Diepold. Trotz seines
unermüdlichen Einsatzes für die Fakultät Elektro- und Informationstechnik und seiner
weiteren Verpflichtungen für die Hochschule nahm er sich die Zeit, sich mit dem Thema
dieser Dissertation zu auseinanderzusetzen und hat besonders in der Endphase durch
seine treffenden Anregungen und seine Unterstützung sehr dazu beigetragen, die Arbeit
zu einem erfolgreichen Abschluß zu führen.
Zuletzt möchte ich meinem Erstgutachter und Doktorvater, Herrn Prof. Baumgarten,
meinenbesondersgroßenDankausdrücken.NichtnurstandermiralsfachlicherGesprächs-
und kritischer Diskussionspartner stets helfend zur Seite, sondern sorgte auch durch sein
freundschaftliches und herzliches Auftreten und sein offenes Ohr für die Wünsche aller
Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter am Lehrstuhl für genau die positive Atmosphäre, in
der das Arbeiten richtig Freude bereitet. Nicht zuletzt wegen seines Engagements, auch
in der Lehre, blicke ich auf meine Zeit an der TUM äußerst wohlwollend und sehr gerne
zurück.

Abstract
Seit einiger Zeit schon ist aus regenerativen Quellen erzeugte elektrische Energie eine
Alternative zu Strom, der aus Kern- und fossilen Brennstoffen erzeugt wird. Mit zu den
größten Schwierigkeiten zählt hierbei das unstete Verhalten der Erzeugung, die großteils
von Umwelt- und Witterungsbedingungen abhängig ist. Um diesem Nachteil zu begegnen,
werden derzeit verschiedene Konzepte zur kurzfristigen und überbrückenden Speicherung
von elektrischer Energie entworfen und implementiert.
Da eine Speicherung aufgrund von Energietransport und -umwandlung stets verlustbe-
haftet stattfindet, beschäftigt sich die vorliegende Arbeit mit Möglichkeiten, elektrische
Energie unmittelbar nach Erzeugung zu verbrauchen und so zumindest diese Verluste
zu minimieren. Neben planbarem Grundlastbedarf von Großabnehmern bieten dabei
insbesondere die Privathaushalte mit tageszeitabhängigem, schwankenden Spitzenlastver-
brauchsprofil einen Forschungsansatz, um Energie über den Tag verteilt, dezentral und
auf Anfrage abzunehmen.
Es werden Fragestellungen betreffend der Schwierigkeiten und Hindernisse in einem
intelligent gesteuerten Haus im übergeordneten Bereich des Smart Grid untersucht.
Ziel ist, die Steuerung von elektrischen Verbrauchern möglichst aller Preisklassen und
unterschiedlichen Funktionsumfangs zentral innerhalb des Haushalts zu ermöglichen und
Letztere auf Wunsch des Benutzers über geeignete, zuverlässige und sichere Methoden
und Schnittstellen auch an externe Parteien delegieren zu können.
Neben organisatorischen Herausforderungen werden insbesondere technische Schwierigkei-
ten(unteranderemderzeitigerHeimsteuerungsprodukte)diskutiertundLösungsvorschläge
schrittweise erarbeitet. Großer Wert liegt dabei auf Verwendung offener Protokolle und
Standards,umeinebreiteundmöglichstreibungsloseIntegrationinbestehendeHeimnetze
und Konzepte zu ermöglichen.
Zur Demonstration wird das gesamte Konzept in eigens entwickelte Hard- und Software
umgesetzt und damit eine beispielhafte Systemlösung vorgestellt.

Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung 1
1.1 Künftige Energieerzeugung im Smart Grid . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.1 Regelung des Lastprofils . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.1.2 Netzseitiger Lastabwurf im Störfall . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2 Das Smart Home . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2.1 Basis-Komponenten im Smart Home . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2.2 Domänen elektrischer Verbraucher . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2.3 Smart Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2.4 Vernetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.2.5 Abgrenzung zur Gebäudeautomation . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.3 Interessensgruppen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.3.1 Energieerzeugungsunternehmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.3.2 Gerätehersteller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.3.3 Endkunden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.4 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.5 Ziele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.6 Aufbau. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2 Heimsteuerung im Überblick 19
2.1 Derzeitige Heimsteuerungsprodukte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.1.1 Generelles technisches Konzept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.1.2 Gängige Implementierungen und Produkte . . . . . . . . . . . . . 22
2.1.3 Nachteile und Schwierigkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.2 Standardisierte Anwendungsprotokolle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.2.1 Abstrakte Betrachtung eines Anwendungsprotokolls . . . . . . . . 35
2.2.2 Hypertext Transport Protocol ( ) und Derivate . . . . . . . . 38
HTTP
2.2.3 Extensible Markup Language Remote Procedure Call ( ) . 41
XMLRPC
2.2.4 SOAP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.2.5 Devices Profile for Web Services ( ) . . . . . . . . . . . . . . . 48
DPWS
2.2.6 Constrained Application Protocol ( ) . . . . . . . . . . . . . . 51
CoAP
2.2.7 Constrained ReSTful Environments ( ) Link Format . . . . . . 57
CoRE
2.2.8 Nachteile und Schwierigkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3 Anwendungsebene: Ein generisches Protokoll 69
3.1 Ziele und Anforderungen an das Anwendungsprotokoll . . . . . . . . . . . 69
3.2 Abgeleitete Anforderungen an den Nachrichtentransport . . . . . . . . . . 71
3.2.1 Physikalische Verbindung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
i
ii Inhaltsverzeichnis
3.2.2 Netzwerkprotokoll . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.3 Steuerung von Geräten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.3.1 Analyse der -Header auf Notwendigkeit . . . . . . . . . . . . 74
HTTP
3.3.2 Adressierung von Geräten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.3.3 Verfügbare Methoden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
3.3.4 Rückgabewerte über -Statuscodes . . . . . . . . . . . . . . . 80
HTTP
3.3.5 Fehlererkennung im Anwendungsprotokoll . . . . . . . . . . . . . . 82
3.4 Beschreibung von Diensten und Geräten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
3.4.1 Dienste und Metadaten in Smart Devices . . . . . . . . . . . . . . 86
3.4.2 Geräteauflistung („Discovery“) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
3.4.3 Geräteverknüpfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
3.4.4 Entfernen von Verknüpfungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
3.4.5 Gerätesteuerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
3.4.6 Modellierung ereignisorientierter Kommunikation . . . . . . . . . . 106
3.5 Integration in bestehende Heimnetze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
3.5.1 Medienkopplung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
3.5.2 Vermittlung und Transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
3.5.3 Anwendungsschicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
3.5.4 Integration für Fremdhersteller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
3.6 Externe Parteien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
3.6.1 Modellierung der Anwendungsschnittstelle von Smart Devices . . . 111
3.6.2 Verbindung mit Energieversorgungsunternehmen . . . . . . . . . . 115
3.6.3 Schlußbemerkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
4 Smart-Home: Exemplarische Umsetzung 121
4.1 Nachrichtenrouting: Netzwerksicht und Topologie . . . . . . . . . . . . . . 121
4.1.1 -Netzwerkkarte als Ethernet-Endpunkt . . . . . . . . . . . . . 123
USB
4.1.2 -Netzwerkkarte als Ethernet-Brücke . . . . . . . . . . . . . . . 124
USB
4.1.3 -Gateway mit virtueller serieller Schnittstelle . . . . . . . . . . 125
USB
4.1.4 Ethernetgerät als Ethernet-Endpunkt . . . . . . . . . . . . . . . . 126
4.1.5 Ethernetgerät als Ethernet-Brücke . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
4.1.6 Smart Device mit Ethernet-Verbindung . . . . . . . . . . . . . . . 127
4.2 Smart Home Internet-Gateway . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
4.2.1 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
4.2.2 Hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
4.2.3 Grundlegende Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
4.2.4 Daemon für serielle Schnittstellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
4.2.5 Medienwandlung der virtuellen seriellen Schnittstellen . . . . . . . 136
4.3 Konstruierte Smart Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
4.3.1 Vorbemerkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
4.3.2 LED-Controller (RS-232) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
4.3.3 Umweltsensor (2,4GHz Funk) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
4.3.4 USB-Netzwerkadapter (2,4GHz Funk) . . . . . . . . . . . . . . . . 145
4.3.5 LED-Controller (2,4GHz Funk) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
4.3.6 Generische Hardwareplattform für Smart Devices (2,4GHz Funk) . 148