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Testen, ob Smart-Home-Geräte miteinander sprechen

| Autor/ Redakteur: Volker Adamske und Günter Martin* / Ines Stotz

Mit Smart Testing können Hersteller sicherstellen, dass Smart-Home-Geräte miteinander harmonieren und die gleiche Sprache sprechen.

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Für den Verbraucher kommt es auf die Interoperabilität der Smart-Home-Geräte an, aus Herstellersicht ist das Zusammenwachsen der Technologien und die übergreifende Zusammenarbeit entscheidend.
Für den Verbraucher kommt es auf die Interoperabilität der Smart-Home-Geräte an, aus Herstellersicht ist das Zusammenwachsen der Technologien und die übergreifende Zusammenarbeit entscheidend.
(Bild: ©AndSus – stock.adobe.com)

Der Markt bietet inzwischen zahlreiche Produkte von der intelligenten Einzellösung bis hin zu ganzheitlichen Systemen, mit denen sich Gebäude komplett vernetzen lassen. Besonders letztere punkten aus Verbrauchersicht mit einer einfachen Installation und Bedienung, einer hohen Flexibilität und der Möglichkeit, das System bei Bedarf problemlos und am besten herstellerübergreifend aufrüsten zu können.

Die Herausforderung aus Herstellersicht dabei: Die smarten Services werden erst durch das Zusammenspiel von Apps oder Bedienpanels, Gateways und cloudbasierten Diensten ermöglicht und unterliegen permanenten Veränderungsprozessen. Nicht nur neue Komponenten werden hinzugefügt, auch vorhandene laufend aktualisiert. An jeder Stelle des Ecosystems kann eine Änderung zu Störungen im Gesamtsystem führen. Probleme und Fehler im Zusammenspiel der Komponenten müssen identifiziert werden, bevor Verbraucher sie wahrnehmen können.

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Einfachheit, Sicherheit und Interoperabilität [1], also die Fähigkeit von Geräten, Systemen oder Anwendungen, Information auszutauschen und die ausgetauschte Information zu verwenden, als Muss von Smart-Home-Anwendungen, gewinnen umso mehr an Bedeutung, weil das Zusammenwachsen von Technologien und die übergreifende Zusammenarbeit zwischen Produktherstellern als entscheidende Schlüsselfaktoren im Smart-Home-Wettbewerb [2] gelten und daher zunehmen.

Bei der stetig steigenden Komplexität der Systeme, verursacht durch immer mehr miteinander verbundene Geräte und Schnittstellen, ermöglicht Smart Testing die Qualität von smarten Systemen über die gesamte Produktlebensdauer sicherzustellen. Dabei werden verschiedene Testszenarien für verbundene Geräte und Systeme kontinuierlich und automatisiert ausgeführt und ausgewertet. Das heißt, alle beteiligten Systeme und Komponenten – von den Geräten mit ihren Sensoren und Aktuatoren über Gateways und Devices, Apps und Websites, Backend-Systemen und Übertragungsprotokolle – werden gemeinsam betrachtet und überprüft.

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Smart-Testing-Plattform – die 4 Bausteine:

Baustein 1: Integration und Automatisierung

Die Plattform bietet alle notwendigen Funktionen zum Automatisieren von Testfällen. Möglich wird dies mit einer eigens dafür entwickelten Sprache, die sicherstellt, Testfälle, Testdaten und Konfigurationen unabhängig voneinander zu verwalten. Zusätzlich lassen sich weitere notwendige Technologien in das System integrieren und einfach nutzen. Dazu gehören Web und Apptest-Frameworks, zum Beispiel Appium, Selendroid, Selenium, Applikationsprotokolle wie HTTP, JMS, LDAP, SQL, CoAP, MQTT oder ADB, Datenformate wie XML, JSON, CSV sowie Transportprotokolle wie IP, ZigBee oder Telnet.

Mit diesem Baustein werden Softwarefunktionen für die Verifikation von Nutzer und Businessprozessen implementiert. Dazu zählen Algorithmen zur Bild- und Tonerkennung oder eine inhaltliche Überprüfung von Daten im Rahmen der Testdurchführung. Ziel ist es herauszufinden, ob das getestete oder ein angebundenes System die richtigen Daten für diesen automatisierten Prozess liefert.

Baustein 2: Elektronik-Steuerung und -Messung

Dieser Baustein ermöglicht das Interagieren mit den smarten Geräten wie ein Anwender. Tasten können automatisiert bedient werden, um Pairing-Prozesse durchzuführen oder Einstellungen vorzunehmen. Es lassen sich zur Überprüfung eines Tests auch Displays von smarten Geräten auslesen und an den Automaten übermitteln. Damit Sensoren im Rahmen einer Testdurchführung aktiviert werden, sind auch Umgebungszustände veränderbar. So lässt sich beispielsweise Strom schalten, Lichtquellen kontrollieren oder Rauch für Rauchmelder produzieren. Zusätzlich können auch Sensoren, die für die Observation von smarten Geräten integriert sind, ausgelesen werden. Möglich ist dies beispielsweise für Lichtsensoren zum Messen von Aktionen wie Farbwechsel, Dimmen, Moods von intelligenten Leuchtmitteln.

Baustein 3: Smart Devices-Automatisierungsmodule

Dabei handelt es sich um einen standardisierten Ansatz für Design und Produktion der Smart Device-Module, die alle Funktionen zum Bedienen, Umgebungszustände und Messen umfassen. CAE-Methoden ermöglichen die gesamte Automatisierungsstruktur auf dem Computer als Modelle zu planen und zu testen. Basierend auf den Modellen werden die Komponenten im Anschluss aus Standardteilen, 3D-Druck oder anderen Fertigungsmethoden zusammengefügt. Ausschlaggebend für diese Vorgehensweise sind die Skalierbarkeit sowie eine kostengünstige und einfach anzuwendende Produktion.

Baustein 4: Reporting und Analytics

Kern ist ein in die Automatisierung integriertes Test-Reporting und Test-Management. Alle Informationen zur Testdurchführung wie Ergebnisse, Testdaten, Konfigurationen und Beweise werden automatisiert gesammelt und ausgewertet. Darüber hinaus ist eine Open Big Data-Anwendung zum Sammeln, Verarbeiten, Speichern und Analysieren aller Arten von Daten integriert. Hier werden weitere Infrastrukturdaten, die Einfluss auf das Verhalten des getesteten Systems haben können, analysiert. Die Plattform kann somit Anforderungen im Bereich Datenanalyse und künstliche Intelligenz zur Unterstützung aller Arten von Anwendungsfällen für Operationen und Support abdecken.

So funktioniert smartes Testen in der Praxis

Am Beispiel der offenen und herstellerübergreifenden Qivicon Smart-Home-Plattform der Deutschen Telekom wird deutlich, was mit Smart Testing gemeint ist und wie es in der Praxis funktioniert.

Konkret umfasst die Kompatibilitätsliste bei diesem Testing mehrere hundert Geräte verschiedener Hersteller, die auf der Plattform unterstützt werden. Eine Reihe davon wird unter der Telekom-Marke angeboten. Diese werden kontinuierlich im Verbund getestet. Das Konzept dazu hat TÜV Rheinland entwickelt und umgesetzt.

Dafür wurde ein Smart Home entsprechend den realen Bedingungen aufgebaut. Einziger Unterschied: Die Geräte sind nicht in einem Haus installiert, sondern in einem rund zwei Meter hohen Rack wie Bild 3 zeigt. Das Rack besteht aus sechs Ebenen, die auf dem Gateway und in der Magenta „SmartHome“ App jeweils als ein Raum des Smart Homes definiert sind. Zusammen entsprechen sie einem smarten Haus mit sechs Räumen.

Smart Home im Rack: Jede Ebene entspricht einem Raum in einem smarten Haus.
Smart Home im Rack: Jede Ebene entspricht einem Raum in einem smarten Haus.
(Bild: Dominik Asbach)

Für jedes Smart Home-Gerät, beispielsweise ein Raum-Thermostat, wurde ein „Aufnahmemodul“ individuell entwickelt und mit 3D-Druck hergestellt. In dem Aufnahmemodul wird das Thermostat zusammen mit elektromechanischen Komponenten, die den Regler des Thermostats bewegen und die Temperatur einstellen können, sicher platziert. Zusätzlich wird das Display des Thermostats elektronisch abgelesen. Die Test-Elektronik wird über einen Raspberry PI gesteuert, der wiederum vom zentralen Testrechner gesteuert wird. Das Thermostat selbst ist so verbunden, wie es auch in einem Smart Home verbunden wäre.

Ein anderes Aufnahmemodul enthält beispielsweise einen Rauchmelder, der programmgesteuert „beraucht“ wird, oder einen einfachen Tür-/ Fenster-Sensor wie in Bild 4 dargestellt. Mit Hilfe der Zahnradschiene oben im Bild wird der magnetische Sensor aktiviert und deaktiviert. Auch das Pairing erfolgt automatisiert: durch einen Servo-Arm, der den Pairing Button unten im Bild 4 drückt.

Aufnahmemodul für einen Tür-/ Fenster-Sensor. Das Modul enthält den Sensor selbst und die Elektromechanik zu dessen programmgesteuerter Bedienung.
Aufnahmemodul für einen Tür-/ Fenster-Sensor. Das Modul enthält den Sensor selbst und die Elektromechanik zu dessen programmgesteuerter Bedienung.
(Bild: Dominik Asbach)

Um bei batteriebetriebenen Geräten das Verhalten in Abhängigkeit von der Batteriespannung prüfen zu können, sind die Batterien durch Dummies ersetzt. Sie können programmgesteuert eine Spannung anlegen. Die Geräte lassen sich so mit voller Batteriespannung als auch mit niederer Spannung (Low Battery) betreiben Es hat sich gezeigt, dass Tests im Grenzbereich der Batteriespannung besonders informativ sind: Denn hier steigt die Fehleranfälligkeit.

Testfälle: vorprogrammierte Nutzungsprozesse

Während in einem „normalen“ Smart Home ein Sensor höchstens mehrmals täglich anspricht, laufen im Test-System permanent vorprogrammierte Nutzungsprozesse (Testfälle) ab. Dazu zählen:

  • Pairing und Unpairing;
  • Konfigurieren von Alarmsituation, das Auslösen über ausgewählte Aktoren und Verifizieren der Alarmmeldung in der Smart Home App;
  • Einstellen von Temperaturen auf der Smart Home App und Verifizieren der Displayanzeige auf dem Thermostat;
  • Aktivieren des Rauchmelderalarms durch Erzeugen von Rauch und verifizieren der Alarmmeldung in Smart Home App;
  • Öffnen und Schließen von Tür-/ Fenster-Sensoren und Verifizieren der Anzeigen in Smart Home App.

Die Programmierung der Testfälle erfolgt mit gut verständlichem intaQt-Code der Firma QiTASC. Dafür wurden gemeinsam mit TÜV Rheinland passende Sprach-Erweiterungen entwickelt. Bild 5 zeigt einen Beispielcode: Auf einem Android Smartphone werden mit einer Smart Home App automatisiert alle Schritte zur Einrichtung eines Einbruchalarms durchgeführt. Es wird geprüft, ob der Alarm beim Öffnen des Fensterkontakts ausgelöst wird.

Beispielcode zum Einrichten und Auslösen eines Tür-/Fenster-Sensors mit Verifizieren des Alarms aus dem Smartphone.Foto:
Beispielcode zum Einrichten und Auslösen eines Tür-/Fenster-Sensors mit Verifizieren des Alarms aus dem Smartphone.Foto:
(Bild: TÜV Rheinland)

Testfälle in der Datenbank

Die Testfälle laufen kontinuierlich und schreiben ihre Reports in eine Datenbank, die mit passenden Tools ausgelesen werden. So lassen sich zum Beispiel Fehlerstatistiken erstellen, und es kann bis in die genauen Details jedes einzelnen Fehlers hinein-gedrillt werden. Es gibt zudem detaillierte Analyse-Dashboards, mit dem sich Fehler im Kontext mit der zum Fehlerzeitpunkt vorhandenen Umgebung (z. B. Netzbelastung, Response-Zeiten) betrachten lassen. Besonders die Kontext-Information ist für Entwickler nützlich.

Letzte Stufe zum Testen von Use Cases

Smart Testing kann also von Smart-Home- Ecosystem-Herstellern und -Anbietern als letzte Stufe zum Testen von Use Cases eingesetzt werden. Dabei werden Testkataloge für Nutzer und Businessprozesse automatisiert und in einer realen Betriebsumgebung durchgeführt. Ziel ist es, Probleme zu identifizieren, die in den im Entwicklungsprozess so nicht zu finden waren, da auch oft erst in der Ende-zu-Ende-Umgebung alle Systeme zur Verfügung stehen. Dafür wird oft nur wenig Zeit vorgesehen. Deshalb hilft hier Automatisierung, eine vollständige Testabdeckung zu erreichen.

Smart Testing hilft darüber hinaus im Rahmen von DevOps, bei denen Systeme in kurzen Zyklen weiterentwickelt werden und Änderungen schnell in den Betrieb gelangen. Ein in den Entwicklungsprozess integriertes und permanentes Testen der Softwarestände mit festgelegten Regressions-Testkatalogen ist bei solchen Konstellationen besonders empfehlenswert und sollte und am besten nicht auf Einzel-Systemebene, sondern im Gesamtverbund stattfinden.

System unter Test
System unter Test
(Bild: TÜV Rheinland)

[1] www.digitaleurope.org[2] Kotschi Consulting „Global Smart Home Experts Monitor 2018 – Phase B“

* Volker Adamske, Lead Consultant und Günter Martin, Chief Technology Officer; TÜV Rheinland

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