Drahtlose Inbetriebnahme in Smart Homes

Bei der drahtlosen Inbetriebnahme müssen Sie an Unboxing, Konfiguration, Verbindung und Bereitstellung denken in einem intelligenten Zuhause.

Die Inbetriebnahme gehört zu den ersten Schritten im Lebenszyklus eines IoT-Geräts; Dies ist in den ersten Minuten erledigt, die Sie mit Ihrem neu gekauften Smart-Home-Gerät verbringen. Der erste Schritt ist das Auspacken des Geräts und der zweite das Koppeln mit Ihrem Heimnetzwerk. Dieser Paarungsschritt wird aus Verbrauchersicht oft sehr einfach gehalten.

Die schlimmste Benutzererfahrung wäre ein kompliziertes Pairing-Gerät. Kein Verbraucher möchte Kataloge lesen oder tief in die technischen Aspekte der Kopplung des Smart-Home-Produkts eintauchen. Alles, was sie wollen, ist, die Box zu öffnen, ein oder zwei Knöpfe zu drücken, zweimal oder dreimal zu wischen, und das Gerät funktioniert.

Abbildung 1:Smart Home Verbraucher erwarten eine einfache Inbetriebnahme. Quelle:Silicon Labs

Aber was während des Pairing-Prozesses tatsächlich passiert, hat ein erhebliches Gewicht für die Zuverlässigkeit des Gerätelebenszyklus. Das Pairing umfasst die Konfiguration des drahtlosen Geräts an seine Umgebung – für Parameter wie das Anpassen der Leistungsstufen und die Synchronisierung – und die Bereitstellung des Geräts.

Bei der Bereitstellung oder Authentifizierung wird die Geräteidentität bestätigt. Die Bereitstellung trägt entscheidend zum Schutz der Benutzer vor gefälschten Geräten bei – ganz zu schweigen davon, dass jedes Netzwerk über ein solides Bereitstellungsprotokoll verfügen muss, um sich vor Eindringlingen und Hackern zu schützen, die versuchen könnten, sich mit dem Netzwerk zu koppeln, um Zugang zu vertraulichen Informationen zu erhalten.

Wenn Sie an die Inbetriebnahme denken, müssen Sie daher an das Auspacken, Konfigurieren, Anschließen und Bereitstellen denken. Diese vier Schritte sollten sicher, nahtlos und schnell durchgeführt werden. Verbraucher suchen jedoch nach einem einfachen und intuitiven Prozess. Welche Technologien stehen heute zur Durchführung der drahtlosen Inbetriebnahme zur Verfügung und wie funktionieren sie?

Die intuitivste heute verfügbare Inbetriebnahmetechnologie ist die Nahfeldkommunikation (NFC).

Bereitstellung mit NFC

Einer meiner Ingenieurshelden sagte immer:„Mit den Grundlagen kann man so viel erreichen.“ Seine Weisheit gilt dafür, wie NFC einen einfachen Induktionsmechanismus verwendet, um eine Geräteidentität zu „scannen“. Nähert sich ein NFC-Lesegerät einem NFC-Tag, bilden die Induktoren beider Geräte einen gegenseitigen Induktionskanal, über den ein Informationsaustausch stattfindet (Abbildung 2).

Abbildung 2:NFC ist die am weitesten verbreitete Technologie für die drahtlose Inbetriebnahme im Smart Home. Quelle:Silicon Labs

Die Identität eines NFC-Tags kann durch Wischen mit einem NFC-Lesegerät bestätigt werden. Für einen Smart-Home-Konsumenten würde dies bedeuten, die neu gekaufte Glühbirne durch das Telefon zu ziehen, um ihre Identität zu bestätigen. Intuitiver geht es nicht. Menschen mögen das bestätigende Gefühl, das sie durch das Wischen von Gegenständen bekommen, wie es häufig bei Kreditkartentransaktionen zu sehen ist.

So intuitiv es auch ist, die NFC-Bereitstellung hat einen Nachteil:zusätzliche Kosten und Platzbedarf. NFC-Schaltungen verbrauchen nicht viel Fläche und sind relativ billige Komponenten. NFC-Schaltungen sollen jedoch während des gesamten Gerätelebenszyklus nur einmal verwendet werden und nur für eine Aufgabe:die Bereitstellung des Geräts. Selbst bei Kosten von nur 10 Cent erweisen sich NFC-Schaltungen als eine Belastung, die OEMs normalerweise nicht auffangen möchten.

Ein weiterer Nachteil ist die eingeschränkte Funktionalität von NFC. Die Inbetriebnahme ist ein mehrstufiger Vorgang und ein NFC kann die Bereitstellung gut handhaben; Dies beinhaltet jedoch nicht das Konfigurieren und Verbinden des Geräts mit dem Netzwerk. NFC-Tags sind passive Datenspeicher, die von einem NFC-Gerät gelesen und unter Umständen auch beschrieben werden können. Sie enthalten normalerweise kleine Datenmengen – Tausende von Bytes – und sind bei normaler Verwendung schreibgeschützt. Mit einer so kleinen Datenmenge kann man nicht viel mehr erreichen.

Darüber hinaus skalieren NFC-Tags bei größeren Knotenzahlen nicht sehr gut. Dies mag im Smart-Home-Szenario kein allzu großes Problem sein, aber eher eine Herausforderung in der Smart-Building-Umgebung, in der Installateure Tausende von Knoten gleichzeitig in Betrieb nehmen müssen. Das Wischen jedes Knotens mit einem Smartphone kann einige Tage dauern. Es würde auch einen großen Unterschied machen, Smart-Home-Produkte in Betrieb zu nehmen, die an schwer zugänglichen Stellen platziert sind, wie beispielsweise ein Wartungssensornetzwerk, das an einer Klimaanlage angebracht ist. Die Benutzer würden sich freuen, eine Möglichkeit zu sehen, solche Knoten aus der Ferne und sicher in Betrieb zu nehmen.

Abbildung 3:Mehrere drahtlose Technologien bieten Funktionen zur Ferninbetriebnahme für Smart Home-Einstellungen. Quelle:Silicon Labs

Technologien zur Ferninbetriebnahme

Gibt es dann eine Technologie, die remote und skalierbar ist und keine zusätzlichen Kosten verursacht? Obwohl die Remote-Inbetriebnahme noch in den Kinderschuhen steckt, gibt es eine Reihe von Technologien, die bereits existieren und sich in der Entwicklungsphase befinden. Dazu gehören Bluetooth-Authentifizierung und -Kopplung, Z-Wave Smart Start und Zigbee Direct. Die Gemeinsamkeit zwischen den dreien besteht darin, dass sie es Benutzern ermöglichen, Geräte ohne zusätzliche Kosten aus der Ferne in Betrieb zu nehmen, da sie alle dieselbe zugrunde liegende Funktechnologie verwenden, um ihre Endgeräte in Betrieb zu nehmen.

So können Hersteller von Smart Devices die Integration zusätzlicher Funkgeräte oder Schaltkreise vermeiden, nur um eine Ferninbetriebnahme zu ermöglichen. Technologien zur Ferninbetriebnahme können auch eine kontinuierliche Bestätigung der verwendeten Geräte ermöglichen. Da die Bereitstellung aus der Ferne erfolgt, kann sie während des Gerätelebenszyklus wiederholt werden, um seine Identität zu bestätigen und seinen Zustand zu überprüfen. Nicht zuletzt ermöglicht die Ferninbetriebnahme Skalierbarkeit. Mit Technologien zur Ferninbetriebnahme besteht eine potenzielle Zukunft, in der die Inbetriebnahme von Tausenden von Knoten weder Zeit noch Mühe erfordert.

Abbildung 4:Zigbee Direct, eine derzeit in Entwicklung befindliche Funktion, ermöglicht Benutzern die nahtlose Interaktion mit ihren Zigbee-Netzwerken über Smartphones, Tablets und andere Bluetooth-fähige Geräte. Das wiederum vereinfacht und rationalisiert den Inbetriebnahmeprozess. Quelle:Silicon Labs

Was also bieten diese Technologien? Lassen Sie uns einen der am häufigsten verwendeten Konnektivitätsmechanismen untersuchen:Bluetooth. Die einfachste Form der Bluetooth-Kopplung heißt Just Works und bietet den einfachsten Weg zum Koppeln von zwei Bluetooth-Geräten. Es bietet jedoch keine Möglichkeit, zu überprüfen, ob die Geräte Teil der Verbindung werden und das Netzwerk anfällig für Angriffe wird.

Man-in-the-Middle-Angriffe treten beispielsweise auf, wenn ein drittes Gerät – das bösartige Gerät – eines oder beide der beiden legitimen Geräte imitiert. Hier leitet das bösartige Gerät die Kommunikation zwischen den beiden anderen Geräten weiter und gibt den legitimen Geräten die Illusion, dass sie direkt miteinander verbunden sind, wenn ihre Verbindung kompromittiert wurde. Dieses Setup ermöglicht es dem bösartigen Gerät nicht nur, alle gesendeten Daten abzufangen, sondern auch falsche Daten in die Kommunikation einzuschleusen oder Daten zu entfernen, bevor sie ihren beabsichtigten Empfänger erreichen.

Um dieser Bedrohung entgegenzuwirken, kann die numerische Vergleichspaarung verwendet werden, um Just Works zu verbessern, aber es fügt am Ende einen weiteren Schritt hinzu und verfehlt den Zweck einer einfachen Bluetooth-Kopplung. Der Markt braucht einen automatischen und einfachen Prozess für die Ferninbetriebnahme, aber leider sind wir noch nicht am Ziel. Wir sehen kein Protokoll, das die Inbetriebnahme rationalisiert und zu einem Zero-Touch-Erlebnis führt. Wir sind jedoch kurz davor, dieses Problem zu lösen. Mit der richtigen Vision werden uns die heutigen Entwicklungen zum heiligen Gral der drahtlosen Inbetriebnahme führen.

—Asem Elshimi ist Produktmarketingmanager bei Silicon Labs.

>> Dieser Artikel wurde ursprünglich auf unserer Schwesterseite EDN veröffentlicht.