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Die intelligente Wohnung als Baustein im Internet der Dinge

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Die intelligente Wohnung als
Baustein im Internet der Dinge:
Potenzialanalyse und Konzept
Zusammenfassung
Im SmartHome-Umfeld existieren zahlreiche Insellösungen,
etwa für das Energiemanagement. Die Domäne Ambient
Assisted Living gewinnt durch den demografischen Wandel
zusehends an Bedeutung. Des Weiteren gibt es am Markt
tragbare Sensorik, beispielsweise Armbänder zur Aktivitätsmessung. Es fehlen hingegen tragfähige Geschäftsmodelle.
Ursächlich sind zwei Faktoren: Erstens ist die Bedienung der
Systeme zu komplex, zweitens ist der wahrgenommene
Nutzen pro Inselsystem zu gering. Das dargestellte
Lösungskonzept beinhaltet Entwürfe für eine nutzerzentriert
entwickelte Oberfläche und zeigt Ideen zur Anbindung von
Subsystemen (Hausautomation, Energiemanagement,
Gesundheit, Kommunikationswerkzeuge). Die Webanwendung verbirgt die Komplexität der Subsysteme und bettet
sich unaufdringlich in die Lebenswelt des Menschen ein.
Hinführung
Der Begriff des Internets der Dinge (IoT) [1] kennzeichnet
einen Verbund interagierender Objekte. Es ist naheliegend,
die Wohnung selbst als ein solches Objekt dieses Verbunds
zu begreifen. Ebenso bilden die Objekte innerhalb der Wohnung wiederum einen Verbund, der den Alltag des Bewohners
erleichtert. Bestenfalls unterstützt die intelligente Wohnung
den Bewohner unmerklich und effizient. Im häuslichen
Umfeld werden mit dem SmartHome-Begriff vorwiegend die
Bereiche Hausautomation, Energie- und Gesundheitsmanagement assoziiert. Angrenzend sind die Bereiche tragbare
Sensortechnik, beispielsweise Armbänder zur Aktivitätsmessung, und Servicerobotik, repräsentiert durch Mäh- oder
Saugroboter, zu nennen.
Es wird klar, dass die Wohnung als Baustein im IoT sowohl
mit Komponenten im Wohnungsinneren, als auch mit
Objekten oder Webdiensten außerhalb der Wohnung
kommunizieren sollte (Abb. 1.1). Eine derart ausgestattete
Softwareanwendung kann als Serviceplattform [2] bezeichnet
werden. Die Gestaltung der Serviceplattform-Schnittstelle ist
eine ethische, moralische und rechtliche Herausforderung.
Grundsätzlich ist die Plattform um ein für alle Beteiligten
tragfähiges Geschäftsmodell zu ergänzen, damit ein nachhaltig erfolgreiches Produkt entsteht.
Es ist davon auszugehen, dass der wahrgenommene Nutzen
maximiert wird, wenn alle genannten Bedürfnisse und Erwartungen kombiniert werden. Dies bedeutet, dass bestehende
Insellösungen der Bereiche Hausautomation sowie Energieund Gesundheitsmanagement, über eine einzige, passend
gestaltete Benutzerschnittstelle ansprechbar gemacht werden.
Webservices beschreiben die von ihnen angebotenen
Funktionen. Sie bieten demnach eine Schnittstelle für externe
Softwareentwickler und deren Anwendungen. Wird dieser
Ansatz weiter gedacht, findet Kommunikation zwischen zwei
Webservices statt. Es handelt sich um die MaschineMaschine-Kommunikation zweier Objekte, die einen
Zusatznutzen generieren möchten. Dies wird gemeinhin als
Kernidee des Internets der Dinge verstanden. Wird dieser
Ansatz um eine zusätzliche semantische Komponente erweitert, entspricht dies dem Industrie-4.0-Gedanken [7]. Hier
sind sich die Maschinen im Klaren darüber, über welche
Fähigkeiten sie verfügen und welche Ressourcen sie zur
Abarbeitung bestimmter Funktionen benötigen. Falls es
möglich ist, werden solche Objekte oder Maschinen um
Selbstmanagementfähigkeiten erweitert.
Die beabsichtigte Fusion der Daten aus den Bereichen
Gebäudeautomation, Energie- und Gesundheitsmanagement
impliziert besondere Herausforderungen: Produkte, die
Gesundheitsdaten verwenden, kommen gegebenenfalls mit
dem Medizin-Produkte-Gesetz (MPG) in Berührung. Für
MPG-zulassungspflichtige Anwendungen entstehen deutlich
höhere Kosten als für konventionelle Produkte. Des Weiteren
werden die Zulassungsanforderungen auf das gesamte
Produkt ausgeweitet, auch auf gesundheitsferne
Anwendungsbestandteile. Die Verbrauchermeinung zur
möglichen Datenfusion variiert stark: insbesondere der Zugriff
auf die medizinischen Daten ist häufig ein Ausschlusskriterium für eine Investition in eine Serviceplattform. Andererseits ist für Nutzer, die bereits ähnliche Webanwendungen als
Insellösungen nutzen, das zusätzliche Risiko oft tolerierbar.
Serviceplattformhersteller verfügen somit weder über
Rechtssicherheit, noch über eine vorhersagbare Akzeptanzquote. Es ist somit unabdingbar, eine Serviceplattform
nutzerzentriert zu entwickeln, um dynamisch auf Nutzererwartungen reagieren zu können und eine flexible
Zusammenstellung des Sensor- und Aktorbedarfs, am besten
in Anlehnung an verbreitete Krankheitsbilder, vorzusehen.
Es konnte gezeigt werden, dass die Verbraucher ganzheitliche SmartHome-Systeme in den kommenden Jahren
vermehrt wahrnehmen werden. Es liegt nahe, dass
anschließend Fragestellungen zur Systemerweiterung
relevant werden, die nur herstellerübergreifend zu
beantworten sind, aber bereits jetzt bedacht werden müssen.
Bei Fragen zur Systemerweiterung spielen neben der
Interoperabilität auch die Möglichkeit der Fernwartung sowie
der Selbstinstallation eine Rolle. Werden diese Faktoren
berücksichtigt, ist zu erwarten, dass der wahrgenommene
Nutzen für eine Investition ausreicht und die beim Gebrauch
gemachten Erfahrungen zur Akzeptanz der Lösung führen.
Abb. 1.1: Repräsentation einer intelligenten Wohnung als
Serviceplattform im Internet der Dinge. Webdienste externer
Anbieter werden über eine Schnittstelle angesprochen. Der
Zugriff auf Sensor- und Aktorkomponenten erfolgt unter
Zuhilfenahme einer Middleware. Die Serviceplattform verfügt
darüber hinaus über eine Mensch-Maschine-Schnittstelle.
Potenzialanalyse domänenübergreifender SmartHome-Lösungen
Grundsätzlich existieren folgende Rahmenbedingungen:
* Diverse Insellösungen sind im SmartHome verfügbar.
* Systemanbieter beklagen das Fehlen eines Marktes.
* Bewohner wünschen sich nutzbare und günstige Systeme.
* Der wahrgenommene Nutzen ist je Insellösung zu gering.
* Ältere möchten lange in der eigenen Wohnung leben [3].
* Bis 2020 werden 1 Million Haushalte vernetzt sein [4].
* Der demografische Wandel führt zu steigenden Kosten.
* Der Ambient Assisted Living (AAL)-Markt hat Potenzial [5].
* 74 Prozent der Energie wird für Wärme verbraucht [6].
* Intelligente Heizkörperthermostate sparen bis zu 30 Prozent.
* Bewegungs- und Ernährungsmonitoring ist hilfreich.
* Funkkomponenten verbessern die Nachrüstbarkeit.
* Elektronische Gesundheitakte (eGA) bietet Rechtssicherheit.
* Zahlreiche Webservices sind im IoT präsent.
* Apple und Google drängen in das häusliche Umfeld.
Präsentationsschicht existieren die Schichten der Geschäftslogik und der Datenhaltung in einer Webanwendung. Der
Demonstrator nutzt hierfür das Model-View-ControllerArchitekturmuster (MVC). MVC trennt die Nutzerschnittstelle
von der Geschäftslogik und der Datenhaltung. Es wird
dadurch möglich, flexibel erweiterbare und leicht wartbare
Software zu kreieren. Für den MVC-Einsatz existieren je
Programmiersprache spezifische Rahmenwerke (Abb. 2.1).
Abb. 2.1: Software-Architektur der Serviceplattform. Das
Model-View-Controller-Muster wird durch das Zend Framework realisiert. Twitter Bootstrap erlaubt responsives Design.
Je nach Endgerät eines Nutzers wird die passende HTML5Oberfläche ausgeliefert. Für maschinelle Zugriffe existiert
eine JSON-Schnittstelle, die JSON-Dateien werden von der
Zend Framework View-Komponente erzeugt.
Weitere Bestandteile des Lösungskonzepts sind:
* MPG-Problematik wird durch eGA-Integration addressiert.
* Ernährungsmonitoring erfolgt durch Jawbone-Integration.
* Bewegungsmonitoring erfolgt durch Withings-Integration.
* Nutzerzentrierter Entwicklungsprozess [8] wird umgesetzt.
* Agile Vorgehensmodelle, hier Scrum [9], werden eingesetzt.
* System wird generisch über eine Konfigurationsdatei erstellt.
Eine Kernherausforderung besteht in der Kreation eines
flankierenden Geschäftsmodells für diese Plattform. Das
Geschäftsmodell kann hier nur angedeutet werden und dient
lediglich als Startpunkt. Als Visualisierungsmethode wird der
Business Model Canvas (BMC) [10] eingesetzt. Der BMC
betrachtet 9 Blöcke, die 2 Bereichen zugeordnet werden: die
Seite der Wertschöpfung und die Seite der Effizienz. Die
Blöcke der Wertschöpfungsseite sind das Werteangebot, die
Vertriebswege, die Kundenbeziehungen und die Einnahmequellen. Auf der Effizienzseite finden sich die Schlüsselressourcen, die Schlüsselaktivitäten, die Partnerschaften und
die Kostenstrukturen. Die Geschäftsidee des geschilderten
Konzepts soll unter Zuhilfenahme des BMC visualisiert
werden (Abb. 2.4).
Lösungskonzept einer
SmartHome-Serviceplattform
Das Ziel eines Lösungskonzepts für eine intelligente
Wohnung oder Serviceplattform kann nur darin bestehen, die
bei der Potenzialanalyse aufgezeigten Bereiche zu
adressieren und in Form eines Demonstrators der Zielgruppe
zur weiteren Evaluation anzubieten. Über mehrere Iterationen
ist der Demonstrator durch nutzerzentrierte Entwicklung in
einen vielversprechenden Prototypen zu überführen, welcher
im Nachgang von einem Firma zur Marktreife gebracht
werden kann.
Es empfiehlt sich eine intelligente Wohnung als
Webanwendung im IoT zu realisieren. Die Mensch-MaschineSchnittstelle basiert auf HTML5, einem vielversprechenden
und sich aktuell etablierenden Webseitenstandard. Für die
Oberfläche wird ein Rahmenwerk eingesetzt, hier Twitter
Bootstrap in der Version 3.x. Twitter Bootstrap erlaubt
responsives Design, es wird dadurch möglich, die einmal
entwickelte Oberfläche auf allen Endgeräten zu nutzen. Es ist
folglich machbar, dass der Nutzer ein für ihn gewohntes
Endgerät einsetzen kann. Anforderungen an die Barrierearmut
können durch eine Erweiterung des Twitter Bootstrap
Frameworks adressiert werden. Insbesondere im AAL-Umfeld
ist die Tauglichkeit der Serviceplattform für Menschen mit
Einschränkungen unabdingbar. Neben der
Abb. 2.4: Der Business Model Canvas für die Serviceplattform, die als Open-Source-Software am E|Home-Center,
dem bayerischen Technologiezentrum für privates Wohnen,
konzeptioniert und prototypisch entwickelt wird.
Literatur
[1] Kopetz H.: Real-Time Systems: Design Principles for Distributed Embedded Applications. New York: Springer, 2011, S. 308
[2] Bauer J., Kettschau, A.; Franke, J.: Optimierung der Datenvisualisierung von AAL-Serviceplattformen durch Usability-Tests. In:
7. Deutscher AAL-Kongress, Berlin, Tagungsbeiträge. Berlin: VDE Verlag Gmbh, 2014
[3] BAGSO: Ergebnisse einer Befragung „Wohnen im Alter". 2005, S. 67, 14.11.2014,
<http://www.bagso.de/fileadmin/Aktuell/WohnenimAlterEndbericht.pdf>
[4] Wagner, G. et al.: Vor dem Boom – Marktaussichten für Smart Home: Fokusgruppe Connected Home des Nationalen IT-Gipfels,
Bitkom Deloitte (2014), S. 10
[5] Berndt, E., et al.: Marktpotenziale, Entwicklungschancen, Gesellschaftliche, gesundheitliche und ökonomische Effekte der zukünftigen
Nutzung von AAL-Technologien, Schlussbericht des vom BMBF geförderten ITA-Projekts FKZ 16|1575. http://publica.fraunhofer.de/
[6] Umweltbundesamt: Energieeffizienzdaten für den Klimaschutz, Umweltbundesamt Pressestelle, 2012, S. 15
[7] Promotorengruppe Kommunikation der Forschungsunion Wirtschaft – Wissenschaft: Umsetzungsempfehlungen für das Zukunftsprojekt
Industrie 4.0: Abschlussbericht des Arbeitskreises Industrie 4.0. 2013, S. 17
[8] DIN EN ISO 9241-210: Ergonomie der Mensch-System-Interaktion - Teil 210: Prozess zur Gestaltung gebrauchstauglicher interaktiver Systeme
[9] Wintersteiger, A.: Scrum: Schnelleinstieg. 2. Auflage. Frankfurt am Main: entwickler.press. 2013
[10] Osterwalder, A., Pigneur, Y.: Business Model Generation. New Jersey: John Wiley & Sons. 2010
Kontakt: Jochen Bauer · E|Home-Center, Bayerisches Technologiezentrum für privates Wohnen, Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung und
Produktionssystematik, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, Fürther Straße 246, 90429 Nürnberg · E-Mail: jochen.bauer@faps.fau.de
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