Gekommen, um zu bleiben: Standards braucht das intelligente Heim

Smart Home mit OSGi

Kai Hackbarth
Nachhaltige Smart-Home-Lösungen auf Basis von OSGi

© Shutterstock / microvector

Lösungen für das intelligente Heim gibt es schon seit einigen Jahren, sie haben sich jedoch aus verschiedenen Gründen nie in der breiten Masse etablieren können. Viele Lösungen waren entweder zu kostspielig oder nicht ausgereift. Die Industrie hat in den vergangenen Jahren hart daran gearbeitet, neue kostengünstigere Technologien zu entwickeln bzw. bestehende stetig zu verbessern, darunter etliche Kommunikationsprotokolle wie ZigBee, Z-Wave und EnOcean. Mit dem vor zwei Jahren beginnenden Hype rund um das „Internet der Dinge“ hat Smart Home eine deutlich größere Sichtbarkeit auch in der Öffentlichkeit erlangt.

Mittlerweile hat sich Smart Home als einer der Leitmärkte im Internet der Dinge durchgesetzt. Viele Studien belegen dies, wie die von Berg Insight und BITKOM. 17,4 Millionen installierte Smart-Home-Systeme soll es laut Berg Insight bis 2017 in Europa geben, bei einem zu erwartenden Umsatz von 2,6 Milliarden Euro. Der BITKOM-Arbeitskreis Connected Home hält es für möglich, dass es bis zu 1,5 Millionen Smart-Home-Haushalte bereits im Jahr 2020 in Deutschland geben wird. Die Übernahme von Nest durch Google und Apples Ankündigung von HomeKit, wie auch Investitionen diverser anderer Konzerne belegen, dass die Zeit für das intelligente Heim nun endlich gekommen ist. Es vergeht kaum eine Woche, in der man nicht von neuen Produktankündigungen oder neuen Projekten auf Crowdfunding-Plattformen wie Kickstarter und Indiegogo hört.

Nicht wenige dieser Crowdfunding-Projekte sind mittlerweile als kommerzielles Produkt erhältlich, dazu gehören u. a. die LED-Lampe von LIFX und Smart-Home-Systeme von SmartThings, Revolv und Canary. Einen Eindruck über die Komplexität dieses Ökosystems und  darüber hinaus kann man in der von Matt Turck und Sutian Dong erstellten IoT-Landschaft in Abbildung 1 gewinnen.

Abb. 1: IoT-Landschaft nach Matt Turck und Sutian Dong

Abb. 1: IoT-Landschaft nach Matt Turck und Sutian Dong

So positiv diese Entwicklung klingen mag, viele dieser Produkte sind leider proprietär, erfüllen häufig nur eine bestimmte Aufgabe oder sind in ihrer Funktionalität sehr eingeschränkt. Die Nutzung von Standards ist vielen Fällen auf bestimmte Kommunikationsprotokolle eingeschränkt. Und selbst diese Tatsache nutzt dem Anwender wenig, da Erweiterungsmöglichkeiten inklusive Softwareupdates, sofern sie überhaupt vorhanden sind, von einem Hersteller abhängig sind. Die Benutzerschnittstelle ist fast ausschließlich nur über eine bestimmte iOS- oder Android-App verfügbar. Im schlimmsten Fall findet die Anbindung der Geräte ohne ein zentrales Gateway statt, und der Benutzer muss auf viele verschiedene Apps zurückgreifen, um die unterschiedlichen Geräte bedienen zu können.

Viele Anbieter von Smart-Home-Systemen versuchen mittlerweile ein eigenes Ökosystem rund um ihre Produkte aufzubauen; unter anderem wegen der oben aufgeführten Einschränkungen gelingt dies natürlich nur den wenigsten Unternehmen. Der Erfolg solcher Lösungen hängt nicht ausschließlich von der Unternehmensgröße ab. Diverse Konzerne, darunter auch Google, haben in der Vergangenheit zum Teil mehrere Versuche gestartet und sind gescheitert.

Wichtige Vorüberlegungen

Viele kleine und mittelständische Unternehmen sowie Start-ups widmen sich nun auch vermehrt der Entwicklung von Smart-Home-Systemen oder -Equipment. Dies ist eine von der deutschen und europäischen Politik gewünschte Entwicklung. Aufgrund der zum Teil hohen Entwicklungskosten ist es gerade für diese Unternehmen von hoher Bedeutung, wichtige Vorüberlegungen zu treffen, bevor mit der eigentlichen Entwicklung begonnen wird.

In der Vergangenheit haben zahlreiche Unternehmen viel Zeit darauf verwendet, die „Killeranwendung“ für das Smart Home zu finden. Das war meines Erachtens von Beginn an die falsche Herangehensweise. Es hat Investitionen verhindert, weil die Suche nach der einen Killeranwendung ergebnislos blieb und kein funktionierendes Geschäftsmodell gefunden wurde. Für ein wirtschaftlich nachhaltiges Smart-Home-System ist es eigentlich unabdingbar, ein Ökosystem für Anwendungen zu kreieren, um das eine möglichst große Entwicklercommunity aufgebaut werden kann.

Der Dschungel an Standards und Technologien ist ein weiterer Grund, der es vielen Unternehmen erschwert, eigene Entwicklungen voranzutreiben. Gerade für die Anbindung von Geräten im Smart Home gibt es eine immer noch wachsende Vielfalt an Standards, dazu gehören Technologien wie Bluetooth, EnOcean, ZigBee und Z-Wave.

Im weiteren Verlauf wird erläutert, wie man mit den Richtlinien, die in der HGI Open Platform 2.0 definiert werden, und dem Einsatz der OSGi-Spezifikationen, Herr der Lage werden kann. Zunächst sollte natürlich noch angemerkt werden, dass das Smart Home nur der Anfang ist. Im Kontext des Internets der Dinge sind natürlich viele weitere Szenarien möglich, die ein Smart Home mit einbeziehen (z. B. Smart Cities), oder bei denen Entwicklungen aus dem Smart Home ggfs. mit einigen Anpassungen wiederverwendet werden können.

Die ProSyst Software GmbH setzt sich bereits seit vielen Jahren mit der Entwicklung von Smart-Home-Lösungen auseinander. Zahlreiche Unternehmen entwickeln ihre Lösungen auf Basis unserer Produkte. Einer der vermutlich wesentlichsten Gründe dafür ist die Tatsache, dass wir einen auf Standards basierten Ansatz bei der Entwicklung der Produkte haben. Im Folgenden gehen wir auf einige der wichtigsten Standards und deren Bedeutung ein.

HGI Open Platform 2.0

HGI (ehemals Home Gateway Initiative) ist ein Standardisierungsgremium, das von vielen Telekommunikationsunternehmen und Geräteherstellern (insbesondere Router und Home-Gateways) im Jahr 2004 gegründet wurde. Aufgrund der sinkenden Einnahmen bei Telefonie- und Internetdiensten setzen sich insbesondere viele Telekommunikationsunternehmen mit der Entwicklung von Smart-Home-Systemen auseinander. Einige Beispiele folgen im weiteren Verlauf des Artikels. HGI hat sich deswegen sehr früh mit diesem Thema auseinandergesetzt und definiert unter anderem Anforderungen an offene und modulare Softwarearchitekturen für das Smart Home. In dem öffentlich zugänglichen Dokument „HGI Open Platform 2.0“ werden diese Anforderungen definiert. Das Dokument beschreibt generische, plattformunabhängige Anforderungen zu Zuverlässigkeit, Sicherheit, Lifecycle-Management, Installation, Deinstallation, und Remote-Management. Darüber hinaus werden auch OSGi-spezifische Anforderungen definiert. Dies beinhaltet Anforderungen an das JRE, welcher OSGi-Spezifikation das eingesetzte Framework entsprechen muss, welche standardisierte OSGi-Services eingesetzt werden müssen und wie diese zu konfigurieren sind. Einmal jährlich finden dazu entsprechende Testevents statt, bei der zu den definierten Anforderungen Test Cases auf einem Home-Gateway oder Router durchlaufen werden müssen. In den vergangenen Jahren wurde neben OSGi noch keine weitere Plattform getestet.

Darüber hinaus arbeitet die HGI derzeit an einem Smart Device Template (SDT), das als Grundlage genutzt werden soll, um Geräteprofile industrieweit einheitlich zu beschreiben. Dies findet in Zusammenarbeit mit vielen weiteren Standardisierungsgremien statt, u. a. auch mit der OSGi Alliance.

Smart-Home-relevante OSGi-Spezifikationen

Die Prinzipien der OSGi-Technologie wurden in diesem und anderen Magazinen bereits sehr häufig beschrieben, daher fokussieren wir uns in diesem Teil auf die Arbeiten der Residential Expert Group, die sich auf Spezifikationen für Smart Home konzentriert. Die derzeit vermutlich wichtigste Spezifikation dürfte der so genannte „Device Abstraction Layer“ (RFC 196) sein, der mit der kommenden Spezifikation im Sommer veröffentlich wird. Der Device Abstraction Layer hat das Ziel, alle möglichen Geräte über eine standardisierte Schnittstelle innerhalb der OSGi-Umgebung zugänglich zu machen, unabhängig von den eingesetzten Kommunikationsprotokollen. Dies beinhaltet auch die Zugangskontrolle auf Basis von Nutzer- und Anwendungsrechten. Man profitiert darüber hinaus von der bereits bestehenden Flexibilität des OSGi-Sicherheitsmodells.

Der Device Abstraction Layer stellt auch Benachrichtigungsmechanismen zur Verfügung, mit deren Hilfe man den Status von Geräten, Datenmodell und Operationen überwachen kann. Er löst generelle Probleme, mit denen sich Entwickler von Smart-Home-Diensten auseinandersetzen müssen. Die Entwickler müssen nur noch gegen eine Schnittstelle programmieren und sich darüber hinaus nicht mehr mit den protokollspezifischen Problemen und Details auseinandersetzen. Zwischenlösungen, um diese Probleme zu umgehen, sind auch nicht mehr notwendig. Zudem wird verhindert, dass Entwickler eigene proprietäre Abstraktionsschichten bauen müssen. Der von der OSGi Alliance spezifizierte Device Abstraction Layer in Zusammenhang mit den Smart-Device-Template-basierten Geräteprofilen ist ein ganz essenzieller Bestandteil für die Entwicklung offener und wirtschaftlich nachhaltiger Smart-Home-Systeme.

Die kommende OSGi-Residential-Spezifikation beinhaltet noch viele weitere sehr nützliche Dienste. Dazu gehört eine standardisierte Schnittstelle zur automatischen Erkennung und Steuerung von EnOcean-Geräten (RFC 199). Ein weiteres, immer wiederkehrendes Problem ist die Erkennung von z. B. USB-Dongles zur Anbindung von Smart-Home-Geräten. Dies wurde mithilfe des „Serial Device Service“ (RFC 213) für eine einheitliche Anbindung serieller Schnittstellen und der „USB Information Device Category“ (RFC 202) zur Definition fehlender „Device Categories“ gelöst. Darüber hinaus hat die Residential Expert Group an einer Spezifikation zur Überwachung des Ressourcenverbrauchs (RFC 200) gearbeitet. Mithilfe des „Network Interface Information Service“ werden in der Java-Welt fehlende Funktionen zur Überwachung von Änderungen während der Laufzeit, z. B. bei der IP-Adresse, zur Verfügung gestellt.

Auf Standards basierte Referenzarchitektur

Eine auf Standards basierte Referenzarchitektur kann wie in Abbildung 2 aussehen. Die Abbildung ist natürlich sehr vereinfacht, beschreibt jedoch noch weitere wesentliche Komponenten, die aus unserer Sicht notwendig sind, um ein offenes und erweiterbares sowie für die Entwicklercommunity attraktives Smart-Home-Ökosystem aufzubauen. Im Mittelpunkt steht natürlich das Home-Gateway, das auf OSGi basiert und den Richtlinien der HGI Open Platform 2.0 folgt. Darüber hinaus sind auch weitere Komponenten notwendig, die dem Nutzer eine Interaktion mit dem Smart Home über TV, Tablet oder Smartphone ermöglichen.

Abb. 2: Standardsbasierte Referenzarchitektur

Abb. 2: Standardsbasierte Referenzarchitektur

Das Backend kann auch beliebig komplex sein. Insbesondere ein Remote-Management-System wird hier benötigt, damit neue Anwendungen installiert bzw. bestehende Anwendungen aktualisiert und deinstalliert werden können. Auch hier muss der Einsatz von industrieweiten Standards wie TR-069 (CPE WAN Management Protocol) und TR-157 (Component Object for CWMP) des Broadband-Forum beachtet werden. Das Remote Management übernimmt in der Regel noch viele weitere Funktionen, wie z. B. Datensynchronisierung, Unterstützung bei technischen Problemen etc. Das alleine reicht natürlich noch nicht. Eine Integration mit anderen Backend-Diensten, z. B. eine App-Store- und OSS/BSS-Infrastruktur, sind bei größeren Systemen notwendig. Darüber hinaus ist eine Entwicklungs- und Testumgebung essenziell, um eine möglichst große Entwicklercommunity aufzubauen.

Open Source vs. kommerzielle Software

Mir ist natürlich bewusst, dass viele Leser vermutlich aus der Open-Source-Welt kommen. Trotzdem halte ich eine Gegenüberstellung der beiden Varianten mit Bezug auf das OSGi Framework für wichtig. In der Vergangenheit haben nicht wenige unserer Kunden mit einer Open-Source-Implementierung begonnen. Im Laufe der Entwicklung sind diese Unternehmen aus vielen unterschiedlichen Gründen auf uns zugekommen, um unser mBS Smart Home zu lizensieren. Bei Open-Source-Implementierungen muss man keine Lizenzgebühren zahlen; das heißt jedoch nicht, dass der Einsatz kostenfrei ist. Sehr häufig müssen fehlende Funktionalitäten implementiert werden. Viele der Open-Source-OSGi-Implementierungen sind nicht für den Einsatz in Embedded-Systemen optimiert. Dazu kann es auch zu rechtlichen Problemen beim Einsatz von Open-Source-Implementierungen kommen, insbesondere wenn diese verschiedene Lizenzen einsetzen. Vielen unserer Kunden ist es wichtig, dass jemand die Verantwortung für Wartung und Weiterentwicklung übernimmt. Als ein Nutzer von Open Source hat man nur eingeschränkte Einflussmöglichkeiten auf die Weiterentwicklung in Open-Source-Projekten. Wenn man alle diese Punkte mit einbezieht, kann der Einsatz von Open-Source-Software am Ende teurer sein, als eine fertige Lösung zu lizensieren.

Diese Gegenüberstellung hat nicht zum Ziel, Open-Source-Implementierung als grundsätzlich schlecht und falsch zu verteufeln, man sollte sich jedoch ausreichend im Klaren darüber sein, bevor man sich für oder gegen Open Source bzw. kommerzielle Software entscheidet.

Erfolgreiche Beispiele

An erfolgreichen Beispielen für das Smart Home mangelt es bei OSGi nicht. Unternehmen wie Cisco, Devolo, Eaton, Miele und Schneider Electric setzen OSGi zum Teil schon seit vielen Jahren ein. Wir möchten uns hier jedoch auf zwei Beispiele von Telekommunikationsunternehmen konzentrieren.

Deutsche Telekom QIVICON

QIVICON wurde von der Deutschen Telekom initiiert, das mit einer wachsenden Zahl von Partnern zusammenarbeitet. Bei QIVICON handelt es sich um ein B2B-Angebot. Partner von QIVICON können auf bestehende Hard- und Softwareangebote zurückgreifen, um auf dieser Basis eigene Smart-Home-Produkte auf den Markt zu bringen. Dies beinhaltet ein Home Gateway mit dem OSGi Framework von ProSyst, ein SDK für die Entwicklercommunity, ein Portal mit Shop, ein hochkomplexes Backend sowie die Betreuung und Support. Zu den QIVICON-Partnern gehören Unternehmen wie EnBW, eQ-3, Miele, Samsung, Vattenfall. Die Smart-Home-Produkte der Deutschen Telekom wie auch von EnBW und Vattenfall setzen bereits auf die QIVICON-Plattform. Die QIVICON soll demnächst auch in weiteren Ländern vermarktet werden.

AT&T Digital Life

AT&T Digital Life ist ein sehr erfolgreiches Produkt in den Vereinigten Staaten. Seit Mai letzten Jahres steht es zur Verfügung. Im Gegensatz zu QIVICON wendet sich Digital Life direkt an Endkunden. Auch hier steht wieder ein auf OSGi basiertes Gateway im Mittelpunkt. AT&T bietet verschiedene Pakete an, etwa für Sicherheit und Energieverbrauch. Der Endkunde zahlt einmalig für das Equipment und eine monatliche Gebühr für den Service. Die Pakete haben jeweils einen unterschiedlichen Softwarestand und können beliebig kombiniert werden, damit für die Nutzung der verschiedenen Services nicht mehrere Home Gateways notwendig sind. AT&T bietet Digital Life auch anderen Telekommunikationsanbietern an. Telefonica führt derzeit in Spanien einen Feldtest auf Basis von Digital Life durch.

Zusammenfassung

Den meisten Lesern ist OSGi sicherlich bereits ein Begriff, wenn auch vermutlich in einem anderen Kontext. OSGi hat 1999 mit dem ursprünglichen Ziel begonnen, auf Java basierende Spezifikationen für das vernetzte Heim zu entwickeln. Seitdem hat OSGi in vielen anderen Bereichen hohe Akzeptanz erreicht. Auch wenn es bereits damals einige auf OSGi basierte Smart-Home-Lösungen gegeben hat – so richtig durchgesetzt hat sich OSGi eigentlich erst in den letzten zwei bis drei Jahren. Das liegt nicht notwendigerweise nur an der Technologie selbst, sondern auch an der Tatsache, dass der Markt für Smart Home sich jetzt erst richtig entwickelt. Trotz des weiten Entwicklungsstands und der Überlegenheit gegenüber anderen Technologien müssen natürlich in Zukunft noch einige Problemstellungen gelöst werden. In dem vom BMWi geförderten Projekt SmartLive arbeitet ProSyst-Software zusammen mit der Universität Siegen, devolo, the peak lab. und der Arbeitsgemeinschaft für sparsame Energie- und Wasserversorgung im VKU (ASEW) an einigen dieser Problemstellungen. Das Ziel des Projekts ist es, eine Umgebung für ein „Living Lab as a Service“ zu schaffen. Dies soll insbesondere kleinen und mittelständischen Unternehmen ermöglichen, Smart-Home-Anwendungen zu entwickeln, ohne dabei in eigene Living-Lab-Infrastruktur investieren zu müssen. Darüber hinaus setzt sich das Projekt auch mit ergonomischen Richtlinien für die Gestaltung von User Interfaces auseinander bzw. hat das Ziel, die Zusammenarbeit zwischen Entwicklern und Designagenturen zu vereinfachen.

Aufmacherbild: vector illustration concept of smart house via Shutterstock / Urheberrecht: microvector

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Geschrieben von
Kai Hackbarth

Kai Hackbarth arbeitet als Evangelist bei der ProSyst Software GmbH und ist darüber hinaus Co-Chair der OSGi Residential Expert Group.

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