Heimsicherheitsgeräte und das Maker IoT-Ökosystem
In dem Bestreben, unsere Häuser sicher zu machen, hat die Unterhaltungs-elektronikindustrie verschiedene Plattformen für die Sicherheit, Überwachung und Fernsteuerung von Häusern entwickelt. Jüngste Fortschritte im Internet der Dinge (IoT), MEMS-Sensoren (Micro-Electro-Mechanical Systems) und kostengünstige Mikrocontroller und Kameras haben zu erschwinglichen und erweiterbaren Geräten für die Heimsicherheit und -überwachung beigetragen. Die IoT-Schicht über den Geräten ermöglicht deren Fernüberwachung und -steuerung über das Internet und macht sie so nützlicher und besser zugänglich.
Verschiedene Sensormodule, Netzwerkmodule und Mikrocontroller sind für Bastler und Hersteller verfügbar, um ihr eigenes Heimüberwachungs- und IoT-Ökosystem aufzubauen. Dieser Blog erklärt die verschiedenen Sensoren, die Sensornetz-Topologie, die Steuerungsplattformen und verschiedene Maker-Tools, um solche Systeme zu Hause zu erstellen.
Sensoren und Mechanismen für die Innenraumüberwachung
Überwachungsgeräte haben selten kontrollierte Elemente und sind nur dazu gedacht, unerwartete Aktivitäten im Haus zu erkennen – wie ein Gasleck, ein Feuer, das Austrocknen der Pflanzen oder extrem hohe Windgeschwindigkeiten. Zu den häufigsten physikalischen Größen, die in einem Haus gemessen werden, gehören unter anderen Schall, Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Luftqualität, gefährliche Gase und Pflanzengesundheit (Bodentemperatur und Bodenfeuchtigkeit).
Zu den gebräuchlichen Sicherheitsüberwachungsgeräten gehören Bewegungsmelder und Einbruchalarme, während auf Gesichtserkennung und numerischer Tastatur basierende Haustüren und Schließfächer übliche Sicherheitssysteme sind. Das IoT ermöglicht die Konfiguration (Ändern von Passwörtern und permanentes Sperren) dieser Sicherheitsplattformen aus der Ferne und macht sie dadurch zuverlässiger und anpassungsfähiger.
In einem Automatisierungssystem können diese Sensoren auch die entsprechende Reaktion auslösen, wie z.B. die Bewässerung der Pflanzen bei zu geringer Feuchtigkeit oder den Anruf bei der Feuerwehr im Falle eines Brandes. Zwar gibt es für jeden dieser Sensor-Mechanismen einzelne kommerzielle Geräte, aber die Sensoren und Controller-Platinen sind kostengünstig und für Bastler und Maker leicht zugänglich, um ihre eigenen Plattformen zu bauen.
(Bildquelle: Originalbild erstellt vom Autor unter Verwendung von Screenshots von Digi-Key-Seiten)
Sensor-Knoten
Ein Sensorknoten ist ein eigenständiges Gerät, das irgendwo im System eine physikalische Größe mißt. Mehrere Sensorknoten werden miteinander verbunden, um ein ganzheitlicheres und nachhaltigeres Sensornetzwerk zu schaffen. Es ist die kleinste Einheit eines Sicherheits-/Überwachungs-IoT-Systems, das untereinander oder mit einem zentralen Knoten verbunden ist, idealerweise drahtlos.
Jeder Sensorknoten besteht aus einem physikalischen Sensor-/Wandlerelement, einem Mikrocontroller, einem drahtlosen Kommunikationsmechanismus – in der Regel Wi-Fi – und einer Stromquelle wie einer Batterie oder einem Wandladegerät. Jeder Sensorknoten ist idealerweise kostengünstig und stromsparend. Der Mikrocontroller ist in der Regel so programmiert, daß er Daten erfaßt und an den Aggregator überträgt sowie die eingehenden Daten von anderen Sensoren (je nach Topologie) anfügt, bevor er sie weiterleitet.
Sensorknoten (Bildquelle – Original)
Sensorknoten senden auch Metadaten, die Informationen über die Tageszeit, die Knotenidentität, den Standort und Statuselemente wie Batteriestand, Sensorverbindung und Verarbeitungsstatus enthalten. Diese Werte helfen bei der Lokalisierung von Informationen und dem Aufrufen von Steuerungsmaßnahmen je nach Standort und Bedarf.
Drahtloses Sensornetzwerk
Ein drahtloses Sensornetzwerk bezieht sich auf eine Gruppe von Sensorknoten, die unabhängig voneinander arbeiten, verschiedene physikalische Größen überwachen und deren Werte an einem bestimmten Aggregationsort lokal oder über das Internet protokollieren. Traditionell waren solche Netzwerke unidirektional und unterstützten nur den Datentransfer von Sensorknoten zum zentralen Speicher; neuere Automatisierungselemente haben jedoch eine bidirektionale Kommunikation eingeführt, bei der auch Steuerungsaktionen vom zentralen Knoten zu einem bestimmten Sensor- oder Aktorknoten initiiert werden können.
Sensornetzwerke oder Meshes haben unterschiedliche Topologien für die Datenübertragungswege. So können z.B. alle Knoten direkt mit dem Zentralknoten verbunden sein, und der Ausfall des Zentralknotens kann zu einem kompletten Systemzusammenbruch führen.
Die verschiedenen Sensornetz-Topologien, die unter verschiedenen Gesichtspunkten verwendet werden, sind:
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Punkt-zu-Punkt – Eine Topologie mit einem Sensorknoten und anderen zentralen/Aggregatorknoten.
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Linear – Jeder Knoten ist mit einem Nachfolger- und einem Vorgängerknoten verbunden und hat zwei Endpunkte.
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Bus – Alle Knoten sind mit einem zentralen Nachrichtenbus verbunden.
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Ring – Jeder Knoten ist mit zwei anderen verbunden und die Endknoten sind ebenfalls verbunden, um einen Zyklus zu bilden.
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Stern – Jeder Knoten ist mit einem zentralen Knoten, dem Hub, verbunden.
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Baum – Er verwaltet eine Hierarchie von Knoten, bei der jeder Elternknoten mit mehreren anderen Kinderknoten verbunden ist.
Verschiedene Sensorknoten-Topologien (Bildquelle – Original)
Ein Sensornetz ist ein Netzwerk, in dem Daten über mehrere Routen übertragen werden können, da jeder Knoten mehrere indirekte Verbindungen zu den anderen Teilen des Systems hat. Ein vollständig verbundenes Mesh ist ein Netzwerk, in dem jeder Knoten mit allen anderen Knoten verbunden ist, sodaß Daten von jedem Knoten zu einem anderen geroutet werden können. Dies ist ein robustes Netzwerk, das immun gegen Pfadausfälle ist.
Maschennetzvarianten (Bildquelle – Original)
Mikrocontroller-Boards für Sensorknoten
Kommerziell werden Sensorknoten mit kostengünstigen, aber robusten kommerziellen Mikrocontrollern von Texas Instruments oder STM entwickelt, wobei es mehrere erschwingliche Mikrocontroller-Boards zum Aufbau der Sensorknoten gibt. Einige wenige Mikrocontroller haben native Unterstützung für drahtlose Kommunikation (Onboard-Wi-Fi-Modul), während diejenigen ohne Unterstützung mit drahtlosen Kommunikationsboards erweitert werden.
Die gebräuchlichsten Arduino-Boards wie Uno, Mega und Nano haben keine integrierte Internet- oder drahtlose Kommunikation. Arduino Wi-Fi Shields und Ethernet Shields wurden traditionell für die Kommunikationsunterstützung verwendet. Andere drahtlose Transceiver-Module wie das NRF24L01 wurden auch schon früher verwendet. Arduino hat außerdem kürzlich eine Reihe von Entwicklungsboards mit integrierter drahtloser Kommunikationsunterstützung für die dedizierte IoT-Entwicklung wie das Arduino MKR 1000 eingeführt.
ESP32 und ESP8266 sind kleine Wi-Fi-Mikrocontroller-Chips mit einem kompletten TCP/IP-Stack. Verschiedene Entwicklungsboards wie das NodeMCU (mit ESP8266 onboard) und ESP32-DEVKIT (mit ESP32 onboard) sind im Handel erhältlich, die eine benutzerfreundliche Oberfläche und eine einfache Schnittstelle zu vielen Sensoren und Aktoren bieten.
ESP-Plattformen (Bildquelle – Screenshots von DigiKey-Produkten)
Cloud-Infrastruktur & Vernetzungs-Tools
Eine IoT-Schicht über dem Sensorknoten-Ökosystem benötigt mehrere Netzwerkelemente, um das Element der Fernüberwachung und -steuerung zu implementieren.
Zu den wesentlichen Elementen der IoT-Schicht gehören:
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Datenbank – Eine Datenbank ist eine Plattform für die strukturierte/unstrukturierte Speicherung von Daten zur Offline-Verarbeitung oder zum Abruf, die entweder lokal oder über die Cloud gespeichert wird. SQL und MongoDB sind gängige Datenbankplattformen, die Multisensordaten über einen längeren Zeitraum speichern können, die dann mit einem rechnerisch effizienten Aufwand abgerufen werden können.
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Benutzeroberfläche – In der Regel eine mobile App oder eine browserbasierte Oberfläche, über die Benutzer die verschiedenen Werte und deren Analyse überwachen können, Benachrichtigungen für Alarme oder Ereignisse erhalten und vieles mehr. Diese Schnittstelle kann Cloud-basiert sein für den Zugriff über das Internet oder kann auch eine Instanz haben, die im lokalen Ökosystem-Netzwerk läuft und keine Internetverbindung benötigt.
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Datenhandhabung – Datenverschlüsselung und sicherer Austausch unter Verwendung von Authentifizierungsdaten sind erforderlich, um ein sicheres und geschütztes Ökosystem zu implementieren.
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Cloud-Plattform – Cloud-Plattformen wie AWS IoT, IBM Watson IoT und Azure IoT sind verschiedene Cloud-basierte Plattformen, die Herstellern und Unternehmen eine Möglichkeit bieten, ihre Datenanalysen und Verarbeitungsberechnungen sicher und zuverlässig durchzuführen.
Fazit
Erschwingliche Entwicklungsplattformen und Sensoren zusammen mit kostenlosen IoT-Cloud-Plattformen haben eine Fülle von Möglichkeiten für Maker und Bastler eröffnet, um ein Ökosystem zur Überwachung und Steuerung von Heimsensoren zu schaffen und dabei die teure kommerzielle Hardware oder die Abonnementmodelle der großen kommerziellen Anbieter zu vermeiden.
Die ESP-Boards mit ihrer Unterstützung für fast alle Sensoren und Kommunikations-protokolle sind besonders zugängliche und einfach zu bedienende Plattformen zur Entwicklung eines solchen Ökosystems.
Erwähnte Produkte
ADAFRUIT INDUSTRIES LLC
1528-4285-ND
AIRLIFT SHIELD - ESP32 WIFI CO-P
SPARKFUN ELECTRONICS
1568-1184-ND
ARDUINO
1050-1039-ND
SPARKFUN ELECTRONICS
1568-1295-ND
ARDUINO
1659-1005-ND
ADAFRUIT INDUSTRIES LLC
1528-1438-ND
ESPRESSIF SYSTEMS
1965-1003-ND