Mit zunehmendem Alter verbringen die Menschen mehr Zeit in ihren Wohnungen. Die Pflege zu Hause erfolgt entweder durch die eigene Familie, mobile Dienste oder im Rahmen der 24-Stunden-Betreuung. Der Fachkräftemangel in der Pflege macht jedoch ein Umdenken nötig.
Für Personen ab 60 Jahren ist ein angenehmes Wohnumfeld für die Bewertung der Lebenssituation von besonderer Bedeutung. Welche Technologien können sie im Alltag unterstützen? Welche Innovationen gibt es im Bereich Smart Home? Welche Bedenken haben Senioren angesichts der technischen Möglichkeiten?
Sandro Wallner prüft die Potenziale sowie die Vor- und Nachteile von Smart Home in Hinblick auf ein umgebungsunterstütztes Wohnen im Alter. Er geht darauf ein, ob die Zielgruppe die existierenden Assistenzsysteme bereits annehmen und wie es Anbietern gelingt, die Akzeptanz smarter Geräte zu erhöhen.
Aus dem Inhalt:
- Ambient Assisted Living;
- Selbstbestimmtes Wohnen;
- Datenschutz;
- Internet der Dinge;
- Sprachsteuerung;
- Assistenzroboter
Inhaltsverzeichnis
Gleichheitsgrundsatz
Danksagung
Kurzfassung
Abstract
Abbildungsverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis
1 Einleitung
1.1 Problemstellung
1.2 Forschungsfrage und Zielsetzung
1.3 Aufbau der Arbeit
1.4 Wichtige Begriffe
2 Aktuelle Anwendungen
2.1 Roboter
2.2 Präsenzmelder
2.3 Digitale Sprachassistenten
2.4 Die Bedenken – Risiken und Nebenwirkungen
3 Identifikationstechnologie
3.1 RFID-Technologie
3.2 NFC-Technologie
4 Sensortechnologie
4.1 Präsenzmelder
4.2 Luftfeuchtigkeitssensor
5 Sprachverarbeitung
5.1 Was in einem Sprachsignal steckt
5.2 Technologien der Sprachverarbeitung
6 Warum der Marktdurchbruch bisher ausgeblieben ist
6.1 Anschaffungskosten
6.2 Datenschutz
6.3 Fehlende Akzeptanz bei der älteren Generation
7 Ausblick
7.1 Potentiale
7.2 Mögliche zukünftige Entwicklungen
8 Fazit
Literaturverzeichnis
Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek:
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Impressum:
Copyright © Science Factory 2020
Ein Imprint der GRIN Publishing GmbH, München
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Covergestaltung: GRIN Publishing GmbH
Gleichheitsgrundsatz
Um den Lesefluss nicht durch eine ständige Nennung beider Geschlechter zu stören, wird in dieser Arbeit ausschließlich die männliche Form verwendet. Dies impliziert aber immer auch die weibliche Form.
Danksagung
An dieser Stelle möchte ich meinem Betreuer DI Harald Strommer danken, der mich richtungsweisend und mit viel Engagement während meiner Arbeit begleitet und mit hilfreichen Anregungen, konstruktiver Kritik sowie raschen Rückmeldungen auf meine E-Mails unterstützt hat.
Ebenfalls bedanken möchte ich mich bei FH-Prof. MMag. Dagmar Archan für das Korrekturlesen meiner englischen Kurzfassung.
Kurzfassung
Der Anteil der Bevölkerung über 60 Jahren steigt immer schneller und ein Großteil der pflegebedürftigen Menschen in Österreich wünscht sich eine Betreuung in ihren Eigenheimen. Aufgrund des drohenden Pflegekräftemangels und des fehlenden staatlichen Budgets für Pflegeförderungen, brauchen wir jedoch dringend innovative unterstützende Technologien, um den Ansprüchen unserer älteren Generation an ein würdevolles und selbstbestimmtes Altern gerecht werden zu können. Das Ziel dieser Arbeit ist es, das Potential von Smart Home in Hinblick auf ein umgebungsunterstütztes Wohnen im Alter zu ermitteln und mögliche zukünftige Entwicklungen abzuleiten. Dazu wurden zuerst die aktuellen Anwendungen und deren technologischen Grundlagen erläutert und dann die Potentiale sowie die wesentlichen Gründe für den bislang ausgebliebenen Marktdurchbruch erforscht. Auf dieser Grundlage konnten Rückschlüsse auf mögliche zukünftige Entwicklungen gezogen werden. Die vorliegende Bachelorarbeit unterstreicht, dass smarte Assistenzfunktionen das Potential haben, pflegebedürftigen Menschen ein selbstbestimmtes Wohnen zu ermöglich. Ob und wann das volle Marktpotential ausgeschöpft werden kann, hängt vor allem von den politischen Rahmenbedingungen und der Akzeptanz in der Zielgruppe ab. Die Anbieter müssen die Entwicklung von modularen und erweiterbaren Systemen forcieren, die untereinander auswechselbar und in bereits bestehende Infrastruktur integrierbar sind.
Abstract
The percentage of the population over 60 years of age is increasing steadily and most of the people in Austria who need care would like to receive nursing care in their own homes. Due to the impending shortage of nursing staff and the lack of a federal budget for care subsidies, however, innovative supporting technologies are urgently needed in order to meet the older generation´s demands with regard to dignified and self-determined ageing. The aim of this thesis is to identify the potential of Ambient Assisted Living systems and to derive possible future developments. First the current applications and their technological basics were explored and then the potentials, as well as the main reasons for the lack of market breakthrough were researched. Based on this, conclusions could be drawn on possible future developments. Results show that smart assistance functions have the potential to enable people in need of care to live independently. If and when the full market potential can be exploited depends above all on the political framework and the acceptance of the target group. Providers must foster the development of modular and expandable systems that are interchangeable and can be integrated into an existing infrastructure.
Abbildungsverzeichnis
Abb. 1: Bezugsrahmen der Arbeit
Abb. 2: Assistenzroboter Lio mit seinen Funktionen
Abb. 3: Essroboter iEAT
Abb. 4: Anzahl der weltweit verfügbaren Alexa-Skills in Abhängigkeit vom betrachteten Zeitpunkt
Abb. 5: Komponenten eines RFID-Systems
Abb. 6: Energieversorgung durch induktive Kopplung
Abb. 7: Energieversorgung durch elektromagnetische Kopplung
Abb. 8: Darstellung der zeitlichen Abläufe beim Vollduplex (FDX)- und Halbduplexverfahren (HDX)
Abb. 9: Prinzip des pyroelektrischen Effektes
Abb. 10: Grundlegender Aufbau Pyroelektrischer Sensoren
Abb. 11: Prinzipieller Aufbau eines kapazitiven Feuchtesensors
Abb. 12: Die relevanten Einflussgrößen auf das schlussendlich vorhandene Sprachsignal,
Abb. 13: Neu-Zusammensetzung von Lautelementen bei der Sprachsynthese
Abb. 14: Blockdiagramm eines Dialogsystems nach Kompe
Abb. 15: Anteil jener, die grundsätzlich nicht für smarte Zusatzdienste zahlen würden (untergliedert in Alterssegmente).
Abkürzungsverzeichnis
AAL Ambient Assisted Living
BVDW Bundesverband Digitale Wirtschaft
CTS Concept-to-Speech
DSGVO Datenschutz-Grundverordnung
FDX Full Duplex
HDX Half Duplex
IoT Internet of Things
IR Infrarot
IT Informationstechnik
MIT Massachusetts Institute of Technology
NFC Near Field Communication
PIR Passiv-Infrarot
RFID Radio Frequency Identification
TTS Text-to-Speech
UHF Ultra-High-Frequency
WLAN Wireless Local Area Network
1 Einleitung
1.1 Problemstellung
Der Anteil der Bevölkerung über 60 Jahren steigt immer schneller. Laut Wolfgang Amann, dem Geschäftsführer des Instituts für Immobilien, Bauen und Wohnen (IIBW), waren in den 1950er-Jahren rund eine Million Menschen älter als 60 Jahre. Bis 2013 hat sich diese Zahl bereits verdoppelt. Herr Amann glaubt, dass es 2038 sogar dreimal so viel sein werden.1
Der FORBA Forschungsbericht 1/2017 zeigt, dass in Österreich mehr als 80 Prozent der Pflegebedürftigen in ihren eigenen vier Wänden betreut werden. Umfragen zeigen immer wieder, dass sich die meisten Menschen das auch wünschen. Mit zunehmendem Alter verbringen die Menschen mehr Zeit in ihren Wohnungen. Die Zufriedenheit der Wohnsituation ist für die Bewertung der Lebenssituation von Personen ab 60 Jahren von besonderer Bedeutung.2 Die Pflege zu Hause erfolgt entweder durch die eigene Familie, mobile Dienste oder im Rahmen der 24-Stunden-Betreuung. In niedrigen Pflegestufen (z.B. Pflegestufe 3) werden die staatlichen Förderungen, ohne innovative unterstützende Technologien, jedoch nicht ausreichen, um die tatsächlichen Kosten für die Pflege und die medizinischen Maßnahmen zu decken.3
Neben den Pflegekosten spielt auch der drohende akute Mangel an Pflegekräften in Österreich eine entscheidende Rolle. Und zwar sowohl für jene, die zu Hause gepflegt werden, als auch für jene in Pflegeheimen. Die Nachfrage an Pflegekräften wird aber nicht nur wegen der zunehmenden Lebenserwartung der Menschen steigen, sondern auch aufgrund der Tatsache, dass durch die Alterung der Gesellschaft potenzielle informelle Pflegepersonen in der Angehörigenpflege wegfallen werden.4
Altersbedingte Einschränkungen, wie z.B. Einbußen der Hör- und Sehfähigkeit, der Beweglichkeit, körperliche Erkrankungen oder geistige Beeinträchtigungen, erfordern jedoch weiterhin eine entsprechende Unterstützung der älteren Menschen, um ihren Ansprüchen an ein angenehmes Wohnumfeld gerecht werden zu können.5
1.2 Forschungsfrage und Zielsetzung
Die forschungsleitende Fragestellung dieser Arbeit lautet wie folgt:
Welche innovativen Technologien im Bereich Smart Home gibt es, die ein selbstbestimmtes Wohnen im Alter unterstützen?
Das Ziel dieser Arbeit ist es, das Potential sowie die Vor- und Nachteile von Smart Home in Hinblick auf ein umgebungsunterstütztes Wohnen im Alter zu ermitteln und mögliche zukünftige Entwicklungen abzuleiten.
1.3 Aufbau der Arbeit
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 1: Bezugsrahmen der Arbeit, Quelle: Eigene Darstellung.
1.4 Wichtige Begriffe
Nachfolgend werden wichtige Begriffe dieser Arbeit näher erläutert. Die vorzeitigen Erkenntnisse über deren Bedeutung und Zusammenhänge sollen einen besseren Lesefluss gewährleisten.
1.4.1 Internet der Dinge (IoT)
Die Ursprünge des Internet der Dinge (Englisch: Internet of Things, Kurzform: IoT) gehen auf das Massachusetts Institute of Technology (MIT) zurück. Das dortige Auto-ID Center arbeitete ab dem Jahr 1999 auf dem Gebiet der vernetzten Radio Frequency Identification (RFID)- und der Sensortechnologie.6
Diese entwickelten Identifikations- und Sensortechnologien sind wichtige Grundlagen für den Datenaustausch zwischen Maschinen. IoT ist ein Sammelbegriff für Technologien, die die Kommunikation smarter Geräte untereinander ermöglichen. Die beteiligten Geräte unterhalten sich in der Regel mikroprozessgesteuert über ein digitales Netz.7
1.4.2 Smart Home
Ein sehr bekanntes Anwendungsfeld des IoT ist das Smart Home. Damit ist die Vernetzung eines Wohngebäudes gemeint, welche es ermöglicht, vielfältige Funktionen zentral (z.B. über ein Computerprogramm) zu steuern und das Gebäude zu automatisieren. Zu den in ein Smart Home integrierbaren Funktionen zählen beispielsweise die Lichtsteuerung, die Überwachung des Gebäudes über Kameras, die Betätigung einer Alarmanlage, das Öffnen und Schließen von Fenstern bzw. Rollläden und die Heizungsregulierung. Grundsätzlich soll das Leben der Bewohner in einem Smart Home so angenehm und einfach wie möglich gestaltet sein.8
1.4.3 Ambient Assisted Living (AAL)
Ambient Assisted Living (Deutsch: umgebungsunterstütztes Leben) ist eine Komponente des Smart Home und bietet insbesondere für ältere Menschen die Chance, möglichst lange in den eigenen vier Wänden wohnen zu können.9 Dazu kommen altersgerechte Assistenzsysteme zum Einsatz, die den Alltag sicherer und angenehmer gestalten und dabei helfen sollen, auch im fortgeschrittenen Alter ein selbstständiges, selbstbestimmtes und sozial integriertes Leben führen zu können. AAL umfasst mehrere Themenbereiche, u.a. Mobilität, Kommunikation, soziale Interaktion, Netzwerke und Autonomie. Die Möglichkeiten der technischen Umsetzung sind ebenfalls sehr breit gestreut und reichen von einfachen baulichen Maßnahmen bis hin zu komplexen technischen Systemen (z.B. Sturzmeldesysteme). Im Idealfall werden mehrere Maßnahmen miteinander verbunden und an die jeweiligen spezifischen Bedürfnisse und Lebensweisen der betroffenen Personen angepasst. Die Verwendung von AAL- Technologien bietet sich vor allem in jenen Fällen an, in denen stationäre Aufnahmen durch deren Einsatz vermieden werden können.10
2 Aktuelle Anwendungen
Neben dem barrierefreien Bau oder Umbau von Häusern und Wohnungen können auch IoT-Technologien ein selbstbestimmtes Wohnen im Alter ermöglichen. Eine Sensorik zur Überwachung der Wohnräume bietet zusätzlich zu mehr Sicherheit und einer schnelleren Hilfe im Notfall auch einen entsprechenden Komfort, da sie nicht aktiv bedient werden muss. Für die Entlastung von schweren körperlichen Tätigkeiten der pflegenden Personen spielen Roboter eine immer wichtiger werdende Rolle. In Japan beispielsweise sind bereits Roboter im Einsatz, die Menschen aus dem Bett in den Rollstuhl verlagern können.11
2.1 Roboter
Roboter können viele verschiedene Aufgaben übernehmen, die ein selbstbestimmtes Wohnen im Alter unterstützen. Aufgrund des rasanten technologischen Fortschrittes hat sich der mögliche Anwendungsbereich noch einmal deutlich ausgedehnt. Ihre aktuellen Anwendungen sind in Form, Funktion und technologischer Komplexität sehr vielfältig.12
Hinsichtlich ihres primären Einsatzzweckes lassen sich Roboter in sozial-interagierende Roboter, Assistenzroboter zur physischen Alltagsunterstützung und mobilitätsunterstützende Roboter einteilen.13
2.1.1 Sozial-interagierende Roboter
Sozial interagierende Roboter bilden während der Ausführung von Diensten Verhaltensweisen nach, die an der zwischenmenschlichen Kommunikation orientiert sind. Ein solcher Roboter würde z.B. die zu pflegende Person nicht nur heben und umlagern, sondern auch mitfühlend nachfragen, ob sie nun bequem liegt. Diese zusätzliche Interaktion muss aber nicht unbedingt in natürlicher Sprache erfolgen. Manchmal macht es durchaus Sinn, wenn dies ausschließlich über soziale und emotionale Hinweise geschieht, indem die Roboter beispielsweise auf Berührungen und Geräusche der Nutzer reagieren.14
Ein bekanntes Anwendungsbeispiel ist die Kuschelrobbe Paro, die nun schon seit mehreren Jahren in der Betreuung von Demenzpatienten eingesetzt wird. Paro verkörpert eine junge Sattelrobbe, die die depressive Stimmung der Patienten aufhellen, oder überhaupt erst einen Zugang zu ihnen aufbauen soll. Unter dem Fell sind Sensoren eingebaut, die sowohl Helligkeit und Geräusche als auch Berührungen erkennen und die Kuschelrobbe dann passend darauf reagieren lassen. Wird sie angesprochen, dann antwortet sie mit Bewegungen und Tönen. Wird Paro gekrault, dann gibt sie ein wohliges Brummen von sich und bei Schlägen antwortet sie mit Protest. Ein solch sozial interagierender Roboter als Kuscheltier fördert in der Mehrzahl der Anwendungsfälle das Wohlbefinden der Patienten und erzeugt bei ihnen einen Kuscheleffekt. Professionelle Pfleger können diese persönliche Zuneigung nicht bieten, da sie zeitlich sehr eingeschränkt sind und bei Bedarf auf ruhigstellende Medikamente zurückgreifen müssen.15
2.1.2 Assistenzroboter
Bei Assistenzrobotern, welche physische Alltagsunterstützung bieten, werden typischerweise Navigationsfähigkeiten mit anspruchsvollen Manipulationstätigkeiten kombiniert. Besonders im Fokus stehen hier multifunktionale Haushaltsassistenten, die die älteren Menschen bei unterschiedlichen Aufgaben flexibel unterstützen können.16
Seit 8. Juli 2019 wird in einem Pflegeheim in Berlin der mobile Assistenzroboter Lio eingesetzt.17 Lio besitzt einen funktionalen Arm, kann mit Menschen kommunizieren und Pflegepersonen bei ihren Aufgaben unterstützen. Er eignet sich sowohl für den Einsatz in Pflegeheimen als auch für zu Hause. Der persönliche Assistenzroboter kann u.a. Gegenstände aufheben, Türen und Schränke öffnen, mit Personen sprechen, unterhalten, informieren, Berührungen wahrnehmen und darauf reagieren, zu Bewegungsübungen anleiten und motivieren, an bevorstehende Termine erinnern und regelmäßig Getränke anbieten. Er ist außerdem sehr bedienerfreundlich und kann mit verschiedenen Geräten verbunden werden (z.B. smarten Geräten und Wearables).18
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 2: Assistenzroboter Lio mit seinen Funktionen, Quelle: F&P PersonalRobotics (2017), Onlinequelle [24.09.2019].
Der Essroboter iEAT ist eine Esshilfe für Menschen mit Bewegungsstörungen, Koordinationsschwierig- keiten und verminderter Muskelkraft. Bei Menschen mit Bewegungsstörungen sorgt ein Dämpfungs-mechanismus dafür, dass unkontrollierte Bewegungen im Arm und/oder in der Hand aufgefangen werden. In dieser Ausführung bietet der Essarm Widerstand, sodass die betroffene Person die Essbewegung kontrolliert durchführen kann. Bei Menschen mit verminderter Muskelkraft und Koordinationsschwierigkeiten geht kaum Widerstand vom Essarm aus und die Zielgruppe benötigt deutlich weniger Kraftaufwand.
Die Bewegung des Essarmes wird vom iEAT Roboter in einem halb- oder vollautomatischen Modus ausgeführt und die Tellerdrehung erfolgt automatisch. Damit können auch Personen mit beschränkten Bewegungsressourcen selbstständig Nahrung zu sich nehmen.19
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 3: Essroboter iEAT, Quelle: Institut der deutschen Wirtschaft Köln (2019), Onlinequelle [25.09.2019].
2.1.3 Mobilitätsunterstützende Roboter
Erkrankungen, altersbedingte Gehschwierigkeiten und Koordinationsstörungen schränken die Mobilität älterer Menschen massiv ein und behindern somit ihre Selbstständigkeit im Alltag. Vielversprechende Lösungskonzepte zu diesem Problem bieten Ergänzungen herkömmlicher Gehhilfen (Rollatoren, Rollstühle) durch autonome Funktionen. Autonome Gehhilfen und intelligente Rollstühle haben trotz aussichtsreicher Marktchancen den kommerziellen Durchbruch noch nicht geschafft. Einige robotische Exoskelette sind zwar bereits im Handel erhältlich, jedoch ohne einen bemerkenswerten Markterfolg verzeichnen zu können. Gründe dafür sind die hohen Anschaffungskosten (ca. 20.000 – 100.000 Euro, je nach Hersteller und Modell), eine begrenzte Batteriekapazität und das hohe Gewicht (bis zu 40kg), welches ein selbstständiges An- und Ablegen des Exoskelettes für pflegebedürftige Menschen praktisch unmöglich macht.20
Der ReWalk von ReWalk Robotics ist ein robotisches Exoskelett, welches im Handel erhältlich und in Europa zugelassen ist.21 Dabei handelt es sich um ein akkubetriebenes System mit Motoren an den Hüft- und Kniegelenken. Über geringfügige Verlagerungen des Körperschwerpunktes können die Bewegungen des ReWalk kontrolliert werden. Eine Vorwärtsbeugung des Oberkörpers wird vom System wahrgenommen und löst dann den ersten Schritt aus. Wiederholte Verlagerungen des Körpergewichts führen dann zu einer Reihe von Schritten, die den normalen Bewegungsablauf der Beine nachahmen.22
2.2 Präsenzmelder
Präsenzmelder aktivieren bei der Registrierung von Bewegung einen Mechanismus (z.B. das Einschalten von Licht). Sie reagieren auf die kleinsten Bewegungen und messen gleichzeitig permanent die Helligkeit im Raum. Dadurch können Präsenzmelder beispielsweise das Licht ausschalten, wenn sich niemand mehr im Raum befindet oder genügend Helligkeit vorhanden ist (z.B. durch eintretende Mittagssonne). Ein bewegungsabhängiges Steuern von Heizungen und Klimaanlagen ist ebenfalls möglich.23
Der Unterschied zwischen Bewegungsmeldern und Präsenzmeldern liegt in der Empfindlichkeit der Sensoren. Präsenzmelder sind viel feiner und hochauflösender. Während Bewegungsmelder nur auf deutliche Bewegungsänderungen reagieren, schalten gute Präsenzmelder bereits bei kleinsten Bewegungen. Ein dauerhaftes Auslösen des Sensors bei einer Person, die still sitzt und nur kleine Armbewegungen durchführt, kann demzufolge nur mit einem Präsenzmelder gewährleistet werden.24
Bei Präsenzmeldern von Gira kann zusätzlich zur automatischen Beleuchtung auch eine Sicherheitsfunktion hinzugeschalten werden. Ist diese aktiv und wird in der Wohnung über einen längeren Zeitraum (z.B. tagsüber bei Anwesenheit) keine Bewegung registriert, dann wird automatisch eine Kontaktperson via SMS darüber benachrichtigt. Diese checkt telefonisch oder durch Hinfahren, ob noch alles in Ordnung ist.25
Präsenzmelder können durch eine Koppelung mit modernen Geräten in das Smart Home eingebunden werden. Dadurch wird es möglich, verschiedene Szenarien zu programmieren oder intelligente Geräteprozesse mittels Sensoren zu schalten. Bei Präsenzerfassung im Raum kann beispielsweise neben dem Dimmen des Lichtes auch gleichzeitig und automatisch die Erhöhung der Zimmertemperatur und das Abspielen einer gewünschten Musik erfolgen. Verlässt die Person den Raum, wird der Prozess nach einer Weile automatisch wieder zurückgesetzt.26
2.3 Digitale Sprachassistenten
Digitale Sprachassistenten gehören zu den größten Smart Home Trends und können aufgrund ihrer einfachen Bedienung immer mehr Menschen für sich begeistern. Sprachgesteuerte Systeme und Komponenten unterstützen uns im Alltag und können für Unterhaltung sorgen. Bei digitalen Sprachassistenten handelt es sich um eine Software, die gesprochene Worte analysiert, in den richtigen Kontext einordnet und darauf reagiert. Sie sind meist in Smartphones oder Smart Speaker integriert. Über diese können sie verbal Fragen beantworten und vernetzte smarte Geräte ansteuern. Viele Aufgaben, die uns lästig sind, können so auf Zuruf von den vernetzten Geräten übernommen werden: Rasen mähen, Staubsaugen, Waschmaschine einschalten, Kaffee kochen, Autobatterie laden etc. Sogar ein elektrisches Türschloss kann mittels Sprachassistenten abgeschlossen werden.27
Seit der Markteinführung der Amazon-Sprachassistentin Alexa (bzw. der damit verbundenen Endgerätereihe Echo) im Jahre 2015 ist das Verbraucherbewusstsein für Amazon Echo signifikant gestiegen.
Die eigene Handelsplattform als starker Vertriebskanal kam Amazon dabei sehr zugute. Ende 2017 stammten rund 75% aller weltweit verkauften Heim-Sprachassistenten von Amazon. Den Rest des Marktes teilten sich u.a. Google Home, Microsoft Cortana und Apple HomePod untereinander auf.28
2.3.1 Alexa
Alexa ist eine Sprachassistentin von Amazon, die Kunden auf unterschiedliche Art und Weise unterstützen kann. Sie kann sich Sachen merken, an dringend zu erledigende Aufgaben erinnern, Informationen einholen, für Unterhaltung sorgen und kompatible Geräte steuern. Letztere Funktion ist auch der Türöffner für das Smart Home. Die künstliche Intelligenz Alexa ist nicht im Lautsprecher verbaut oder gespeichert, sondern befindet sich in der Amazon Cloud. Dort steigt mit der wachsenden Community auch ständig das Wissen des Systems. Alexa ist sozusagen ein Gehirn in der Cloud. Die in den Geräten verbauten Lautsprecher fungieren sinngemäß als Münder und Ohren. Sie dienen zur Aufnahme von Fragen und Anweisungen sowie der Wiedergabe von Antworten. Gleichzeitig sind die intelligenten Lautsprecher das Bindeglied zwischen Alexa und Alexa-kompatiblen Geräten. Der Informationsaustausch zwischen ihnen erfolgt über WLAN oder Bluetooth. Installation und individuelle Anpassung der Programme können über eine App am Smartphone, Tablet oder PC vorgenommen werden. Mit der App können alle angebundenen Geräte im Smart Home gemanagt werden und in Abläufe und Zeitpläne eingesehen werden, die jederzeit einfach und schnell geändert werden können.29
Die verfügbaren Amazon Alexa Anwendungen haben sich in den letzten Jahren rasant vermehrt. Im Jänner 2016 gab es weltweit erst 130 davon, im Dezember 2018 bereits 80.000. Diese sogenannten „Skills" sind das Pendant zur App, werden in der Regel von Drittanbietern programmiert (z.B. von Herstellern vernetzter Heimgeräte) und dann von Amazon in ihren Katalog aufgenommen.30
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 4: Anzahl der weltweit verfügbaren Alexa-Skills in Abhängigkeit vom betrachteten Zeitpunkt, Quelle: Bundesverband Digitale Wirtschaft (2019), S. 7 (leicht modifiziert).
2.3.2 Siri
Siri ist eine Sprachassistentin von Apple, die ursprünglich dafür gedacht war, ihren Nutzern kleine Aufgaben, wie zum Beispiel das Erinnern an Termine, das Ansagen des Wetters oder Recherchen nach Informationen zu Restaurants in der Nähe, abzunehmen. Mittlerweile ist die digitale Sprachassistentin auch fähig, die Steuerung eines Smart Homes zu managen. Dies ist allerdings nur für Produkte möglich, die mit dem Apple HomeKit kompatibel sind. Dabei handelt es sich um Geräte mit einem Apple-eigenen Programmiergerüst, bei denen die Hardware von anderen Herstellern bereitgestellt wird. Gesteuert werden dieser Geräte mit einem Apple Smartphone. Die steuerbaren smarten Komponenten sind die für ein Smart Home typischen Produkte: Lampen, Thermostate, Überwachungskameras, Bewegungsmelder, Smart Locks und vieles mehr.31
2.3.3 Cortana
Cortana ist eine Sprachassistentin von Microsoft, deren Software für die Betriebssysteme Windows Phone 8.1, Windows 10 und Android verfügbar ist. Neben nützlichen Funktionen am PC, Laptop oder Smartphone (u.a. eine Sprachsteuerung zum Diktieren von Nachrichten) plant Microsoft eine Vernetzung von Cortana mit möglichst vielen smarten Komponenten, und zwar über Windows 10. Momentan sind die Fähigkeiten der digitalen Sprachassistentin in Bezug auf Smart Home jedoch sehr begrenzt und entsprechende Anwendungen haben sich noch nicht am Markt etablieren können. Die Tatsache, dass bereits viele Geräte über ein Windows 10 Betriebssystem mit vorinstallierter Cortana Sprachsteuerung verfügen, deutet jedoch auf eine wirtschaftlich erfolgreiche Zukunft im Bereich von Smart Home hin.32
2.4 Die Bedenken – Risiken und Nebenwirkungen
Jede Medaille hat zwei Seiten, so auch jene des IoT. Neben all den großartigen Möglichkeiten, die sich dank des Internets in den letzten Jahren und Jahrzehnten ergeben haben, lauern auch Gefahren, die nicht außer Acht gelassen werden dürfen. Die Politik ist gefordert, entsprechende Rahmenbedingungen zu schaffen, um Wirtschaft, Technik und Ethik miteinander in Einklang zu bringen.
Aufgrund der stark vernetzten Welt ergeben sich einige Risiken und Nebenwirkungen. Andelfinger/Hänisch beschreiben u.a. folgende:33
2.4.1 Verlust von typisch menschlichen Fähigkeiten
Das Internet hat es uns ermöglicht, rund um den Globus auf Informationen zuzugreifen und diese fast an jedem Ort und zu jeder Zeit zu nutzen. Wir können mittlerweile das gesamte Wissen der Welt mit dem Smartphone abrufen. Dieser völlig veränderte Umgang mit Wissen hat jedoch auch deutliche Verhaltensänderungen der Menschen zur Folge. Wer sehr schnell und einfach alles Wissenswerte googelt, bei dem droht die Gefahr, dass die typisch menschlichen Fähigkeiten des Denkens und miteinander in Beziehung setzen verloren gehen. Bei IoT geht dies sogar noch einen Schritt weiter, indem die Menschen in vielen Fällen bei der Informationsbeschaffung nicht einmal mehr selbst aktiv sein müssen, da sich die Maschinen untereinander austauschen. Die Daten werden von Sensoren geliefert, von Computern ausgewertet und zu neuen Informationen zusammengestellt. Die Maschinen treffen dann die Entscheidungen und der Mensch nimmt einfach nur noch zur Kenntnis, handelt fremdgesteuert und gibt alle Verantwortung ab.
2.4.2 IT-Sicherheitsrisiken
Bei IoT-Anwendungen dürfen natürlich auch die IT-Sicherheitsrisiken nicht unberücksichtigt bleiben. Gerade aufgrund der Enthüllungen rund um die Aktivitäten unterschiedlicher Geheimdienste und der Gefahr durch Hacker, müssen sich die Nutzer darüber bewusst sein, dass IoT eine erhebliche Verletzlichkeit mit sich bringt. So besteht z.B. die Gefahr, dass Hacker virtuell in ein Smart Home eindringen, die Steuerung des Gebäudes übernehmen und Sabotage betreiben oder Sicherheitseinrichtungen außer Kraft setzen. In manchen Fällen sind Angriffe sogar so einfach auszuführen, dass dies auch für Laien möglich ist. So konnte beispielsweise eine Journalistin 2013 in einem Versuch während einer Sicherheitskonferenz in Las Vegas acht Häuser ausfindig machen, die mit Smart Home Technik ausgerüstet waren und Daten über die Bewohner abgreifen.
Privatanwender sollten nach einer gewissen Zeit Updates durchführen, um Sicherheitslücken zu reparieren. Viele scheuen jedoch die Mühe, ihre Software regelmäßig zu aktualisieren oder ihnen ist es einfach nicht bewusst, wie wichtig dies allein schon aus Sicherheitsgründen ist. Hersteller großer Betriebssysteme (Windows, macOS, Android, Ubuntu etc.) haben daher automatische Updatefunktionen implementiert.
Im Falle eines Komplettausfalls von Internet-Technologien bestehen Sicherheitsrisiken für ganze Staaten oder Regionen. Natürlich gibt es auch für solche Fälle Vorkehrungen und es wäre falsch, aus diesen und den zuvor erwähnten Gründen auf die vielen Vorteile des IoT zu verzichten. Wer sich dafür entscheidet, der wird auf sehr viele Dienstleistungen verzichten müssen. Vielmehr sollte sich jeder Einzelne der Gefahren, die diese Technologie mit sich bringt, bewusst sein, sich ausreichend informieren und den bestmöglichen Schutz vorsehen.
3 Identifikationstechnologie
Wie bereits in Kapitel 1.4.1 erwähnt, gehen die Ursprünge des IoT auf das Jahr 1999 zurück. Ab diesem Zeitpunkt arbeitete eine Forschergruppe des Massachusetts Institute of Technology (MIT) auf dem Gebiet der vernetzten Identifikations- und Sensortechnologie. Diese beiden Technologien sind wichtige Grundlagen für die Kommunikation smarter Geräte untereinander und werden daher in Kapitel 3 und 4 genauer behandelt.34
3.1 RFID-Technologie
Die öffentliche Thematisierung der Radiofrequenz-Identifikation (RFID)-Transpondertechnik durch das Auto-ID Center des MIT ab 1999 haben zu einer steigenden Beachtung und als Folge darauf zu einer zunehmenden Erweiterung des Anwendungsfeldes dieser Technologie geführt. RFID ist eine automatische Identifikationstechnologie. Die Information (typischerweise eine Seriennummer) wird auf einem Transponder gespeichert. Dieser Transponder besitzt einen Mikrochip und dient als elektronischer Datenspeicher. Die Information kann mittels drahtloser Kommunikation von einem Lesegerät ausgelesen werden. Rein theoretisch sind Reichweiten bis zu 1 km (abhängig vom genutzten Frequenzband) möglich. Bei großen Reichweiten steigt allerdings auch die Anzahl der möglichen Störfaktoren. Umwelteinflüsse wie z.B. Wasser oder Metall müssen beseitigt werden, da sie ansonsten die Kommunikation verhindern oder abfälschen. Auf die praktisch erzielbare Reichweite wird später, in Kapitel 3.1.2.2, noch genauer eingegangen. RFID ermöglicht eine vollautomatische und gleichzeitige Erkennung mehrerer RFID-Transponder. Dabei muss keine Sichtverbindung zwischen Lesegerät und RFID-Transponder gegeben sein. Dadurch können die Transponder in Objekte eingebettet werden und der Einsatz unter extremen Bedingungen (z.B. Schmutz oder Hitze) ist ebenfalls möglich. Bei RFID-Transpondern mit Datenspeicher können darüber hinaus die Informationen auch während des Einsatzes verändert werden.35
Das Ziel der folgenden Unterkapitel ist es, einen Überblick über die RFID-Technik zu liefern und die Funktionsweisen der verschiedenen RFID-Systeme aufzuzeigen.
3.1.1 Komponenten eines RFID-Systems
Ein typisches RFID-System besteht aus drei Komponenten:36
- Lesegerät
- RFID-Transponder
- Rechner
Das Lesegerät beinhaltet typischerweise ein Hochfrequenzmodul (Sender und Empfänger), eine Kontrolleinheit und eine Kopplungseinheit (Antenne) zum Transponder. Je nach Ausführung und eingesetzter Technologie ist es als reines Lesegerät oder als Schreib-/Lesegerät erhältlich. Viele Lesegeräte sind mit zusätzlichen Schnittstellen (USB, LAN, RS 232 etc.) ausgestattet, um die erhaltenen Daten an einen Rechner weiterzuleiten.
Die Anwendungssoftware am Rechner kommuniziert mit dem Lesegerät. Sie schickt Kommandos und Daten an das Lesegerät und erhält als Antwort Daten von diesem zurück. Typische Kommandos sind beispielsweise das Beschreiben von RFID-Transpondern mit Daten oder das Auslesen von Identifikationsnummern der RFID-Transponder. Das Lesegerät kodiert die von der Applikation ausgesandten Befehle und Daten und moduliert sie auf ein magnetisches bzw. elektromagnetisches Wechselfeld. Alle im Lesebereich befindlichen RFID-Transponder empfangen diese und schicken ihre jeweiligen Antwortdaten an das Lesegerät zurück.37
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 5: Komponenten eines RFID-Systems, Quelle: Fleisch/Mattern (2005), S. 71.
Der eigentliche Datenträger eines RFID-Systems ist der Transponder. Der Begriff “Transponder“ ist ein Kunstwort und wurde aus “transmit“ (= übertragen) und „“response“ (= Antwort) geschaffen. Die Bezeichnung ist äußerst treffend gewählt, da diese Bauteile auf Anfrage per Funk ihre gespeicherten Informationen zurückfunken. Ein Transponder besteht grundsätzlich aus einer Kopplungseinheit, einem Kondensator und einem elektronischen Mikrochip, der als Speicher dient. Der Kondensator dient zur vorübergehenden Energiespeicherung und ist häufig in den Mikrochip integriert. In den meisten Fällen besitzen die Transponder keine eigene Spannungsversorgung (Batterie) und bekommen die zum Betrieb benötigte Energie, ebenso wie Takt und Daten, kontaktlos durch die Kopplungseinheit übertragen. Die Kopplungseinheit ist eine Antenne, die in Form einer Spule oder eines Dipols in einen Träger eingebettet ist. Wenn sich der Träger in einem elektromagnetischen Feld befindet, dann wird dem Mikrochip Strom induziert. Dies wiederum führt dazu, dass die integrierte Elektronik aktiv wird und antwortet. Der Transponder kann nur innerhalb des Ansprechbereiches vom Lesegerät aktiviert werden, außerhalb verhält er sich vollkommen passiv.38
3.1.2 Funktionsweise
Zur Beschreibung der Funktionsweise eines RFID-Systems wird in dieser Arbeit eine Klassifizierung in die folgenden grundlegenden technischen Eigenschaften vorgenommen:
- Energieversorgung und Speicherstruktur der RFID-Transponder
- Sendefrequenz des Lesegeräts, Reichweite und Kopplung
- Datenübertragung zwischen Lesegerät und RFID-Transponder
- Eingesetztes Vielfachzugriffsverfahren
3.1.2.1 Energieversorgung
Die RFID-Transponder benötigen die Energie zum Betreiben ihres Mikrochips und zum Senden von Daten an das Lesegerät. Es wird zwischen passiven, semi-aktiven und aktiven RFID-Transpondern unterschieden. Passive RFID-Transponder benutzen ausschließlich Energie des Feldes, das vom Lesegerät erzeugt wird. Semi-aktive RFID-Transponder versorgen ihren Mikrochip mittels interner Batterie und benutzen zum Senden der Daten die Energie des Feldes des Lesegerätes. Aktive RFID-Transponder benutzen für beide Zwecke ihre interne Batterie.39
3.1.2.2 Sendefrequenz, Reichweite und Kopplung
Der Betrieb von RFID-Systemen erfolgt auf unterschiedlichsten Frequenzen, von Langwelle 135 kHz bis in den Mikrowellenbereich bei 5,8 GHz. Die physikalische Kopplung des Lesegerätes und des Transponders wird durch elektrische, magnetische oder elektromagnetische Felder ermöglicht. Die praktisch erzielbare Reichweite der Systeme variiert von wenigen mm bis hin zu ca. 15 m und ist von der gewählten Frequenz und der Kopplung abhängig.40
Bei sehr kleinen Reichweiten von 0 cm bis 1 cm (Close Coupling) werden sowohl elektrische, als auch magnetische Felder zur Kopplung (kapazitive bzw. induktive Kopplung) verwendet. Aufgrund der geringen Reichweite muss der Transponder in das Lesegerät eingesteckt werden bzw. eine genaue Position definiert werden, um die Datenübertragung zu gewährleisten. Durch die enge Kopplung können dem Transponder größere Energiemengen bereitgestellt werden, die proportional zur Frequenz ansteigen.41
Bei fast allen RFID-Systemen mit einer Reichweite von bis zu etwa 1 m (Remote Coupling) kommt eine induktive Kopplung zur Anwendung, nur bei einigen wenigen Systemen wird hier auf eine kapazitive Kopplung zurückgegriffen.42 Bei der induktiven Kopplung erfolgt die Energieübertragung durch ein Magnetfeld, ähnlich wie bei einem Transformator. Von der Spule des Lesegerätes wird ein magnetisches Wechselfeld mit der Sendefrequenz erzeugt. Dieses induziert in der Spule des RFID-Transponders eine Wechselspannung, die im Transponder gleichgerichtet wird und bei passiven Transpondern zur Energieversorgung des Mikrochips dient. Auf dem Schaltkreis des RFID-Transponders befindet sich typischerweise ein Schwingkreis. Die Frequenz dieses Schwingkreises ist grundsätzlich auf die Sendefrequenz des Lesegerätes eingestellt und induziert bei Resonanz eine deutlich verstärkte Spannung, was wiederum eine erhöhte Lesereichweite zur Folge hat. Die im RFID-Transponder induzierte Spannung hängt u.a. von der Sendefrequenz und der Anzahl der Windungen in der Spule des Transponders ab. Daraus folgt, dass bei einer niedrigeren Frequenz mehr Windungen benötigt werden, um bei gleicher Feldstärke die erforderliche Spannung im Transponder gewährleisten zu können.43
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 6: Energieversorgung durch induktive Kopplung, Quelle: Lampe/Flörkemeier/Haller (2005), Onlinequelle [29.10.2019].
Bei Reichweiten deutlich über 1 m (Long Range Coupling) erfolgt die Kopplung mittels elektromagnetischer Wellen im UHF (868 MHz in Europa) – und im Mikrowellenbereich (2,5 GHz und 5,8 GHz).44 Die von der Antenne des Lesegeräts erzeugte elektromagnetische Welle breitet sich im Raum aus und erzeugt in der Antenne des RFID-Transponders eine Wechselspannung, die dann im Transponder gleichgerichtet wird. Entscheidend für die maximale Reichweite ist die Sendeleistung des Lesegerätes. Da diese jedoch durch Zulassungsvorschriften beschränkt ist und die Energie im Fernfeld umgekehrt proportional zum Quadrat der Entfernung von der Antenne abnimmt, sind der maximalen Reichweite Grenzen gesetzt.45
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 7: Energieversorgung durch elektromagnetische Kopplung, Quelle: Lampe/Flörkemeier/Haller (2005), Onlinequelle [29.10.2019].
3.1.2.3 Datenübertragung
Passive und semi-aktive Transponder benötigen das Feld des Lesegerätes zur Datenübertragung. Zum Transfer der Daten kann entweder das Feld des Lesegeräts beeinflusst werden, oder es wird kurzzeitig Energie aus dem Feld des Lesegerätes im Transponder zwischengespeichert. Dabei können die Daten sowohl vom Lesegerät zum Transponder, als auch von diesem zurück an das Lesegerät übertragen werden. In der Praxis kommen hauptsächlich das Vollduplex- und das Halbduplexverfahren zur Anwendung.46 Beide Verfahren nutzen die Beeinflussung des vom Lesegerät erzeugten Feldes zum Datentransfer.47
[...]
1 Vgl. Pressberger (2019), Onlinequelle [21.09.2019].
2 Vgl. Eiffe u.a. (2019), S. 79.
3 Vgl. Versicherungen.at (2018), Onlinequelle [21.09.2019].
4 Vgl. ORF.at (2019), Onlinequelle [21.09.2019].
5 Vgl. Gesundheitsportal (2017), Onlinequelle [21.09.2019].
6 Vgl. Evans (2011), S. 2.
7 Vgl. Neumann (2016), Onlinequelle [24.10.2019].
8 Vgl. Andelfinger/Hänisch (2015), S. 32 f.
9 Vgl. Andelfinger/Hänisch (2015), S. 35.
10 Vgl. Bundesministerium für Arbeit, Soziales, Gesundheit und Konsumentenschutz (2019), Onlinequelle [24.10.2019].
11 Vgl. Andelfinger/Hänisch (2015), S. 50 ff.
12 Vgl. Kehl (2018), S. 59 f.
13 Vgl. Kehl (2018), S. 13 f.
14 Vgl. Bendel (2018), S. 65.
15 Vgl. Jehle (2014), Onlinequelle [24.09.2019].
16 Vgl. Kehl (2018), S. 13.
17 Vgl. Möller (2019), Onlinequelle [24.09.2019].
18 Vgl. F&P PersonalRobotics (2017), Onlinequelle [24.09.2019].
19 Vgl. Institut der deutschen Wirtschaft Köln (2019), Onlinequelle [25.09.2019].
20 Vgl. Kehl (2018), S. 79 ff.
21 Vgl. Kehl (2018), S. 84 f.
22 Vgl. ReWalk Robotics (2019), Onlinequelle [25.09.2019].
23 Vgl. Stagl (2019), Onlinequelle [30.09.2019].
24 Vgl. Albrecht Elektrotechnik und -Anlagen GmbH (2019), Onlinequelle [05.10.2019].
25 Vgl. G-Pulse (2019), Onlinequelle [30.09.2019].
26 Vgl. Albrecht Elektrotechnik und -Anlagen GmbH (2019), Onlinequelle [05.10.2019].
27 Vgl. Wendel (2019), Onlinequelle [06.10.2019].
28 Vgl. Bundesverband Digitale Wirtschaft (2019), S. 4.
29 Vgl. Wulf (2018), Onlinequelle [06.10.2019].
30 Vgl. Bundesverband Digitale Wirtschaft (2019), S. 6 f.
31 Vgl. Wendel (2017), Onlinequelle [09.10.2019].
32 Vgl. Wendel (2019), Onlinequelle [10.10.2019].
33 Vgl. Andelfinger/Hänisch (2015), S. 23 ff.
34 Vgl. Kapitel 1.4.1.
35 Vgl. Fleisch/Mattern (2005), S. 69 f; RFID -Grundlagen.de (2019a), Onlinequelle [27.10.2019].
36 Vgl. Vgl. Finkenzeller (2015), S. 11.
37 Vgl. Fleisch/Mattern (2005), S. 70.
38 Vgl. Finkenzeller (2015), S. 11 f; RFID -Grundlagen.de (2019b), Onlinequelle [27.10.2019].
39 Vgl. Fleisch/Mattern (2005), S. 73.
40 Vgl. Finkenzeller (2015), S. 24.
41 Vgl. RFID -Grundlagen.de (2019a), Onlinequelle [29.10.2019].
42 Vgl. Finkenzeller (2015), S. 24.
43 Vgl. Fleisch/Mattern (2005), S. 74 f.
44 Vgl. Finkenzeller (2015), S. 25.
45 Vgl. Fleisch/Mattern (2005), S. 75 f.
46 Vgl. RFID -Grundlagen.de (2019c), Onlinequelle [30.10.2019].
47 Vgl. Finkenzeller (2015), S. 25 ff.
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- Sandro Wallner (Author), 2020, Mit dem Smart Home auch im Alter selbstbestimmt wohnen. Welches Potenzial bieten smarte Assistenzfunktionen im Alltag?, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/584878
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