SmartHome Hacks E-Book

Peter A. Henning

• Herausgeber: O'Reilly
• Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
• Serie: Edition Make:
• Sprache: Deutsch
• Veröffentlichungsjahr: 2016

Seitenzahl: 437

Beschreibung

Machen Sie aus Ihrem Haus oder Ihrer Wohnung ein SmartHome! Dieses Buch zeigt den Weg, wie Sie mit Hausautomationssystemen individuelle bedarfsgerechte Lösungen entwickeln. Ob es nun darum geht, fertige SmartHome-Anlagen mit neuen Anwendungen aufzupeppen, neue Sensoren an diese Anlagen anzukoppeln oder gar das SmartHome komplett neu zu planen – hier gibt es Einblicke in die Unterschiede und Vorteile verschiedener Konzepte. Die Anleitungen des Buchs wenden sich dabei auch an Leser ohne tiefgehende Kenntnisse in Elektronik und Netzwerktechnik. In verständlicher Sprache zeigt Peter A. Henning das breite Spektrum der Möglichkeiten eines SmartHome, führt in den Umgang mit Aktoren und Sensoren ein und verbindet diese zu innovativen Vorschlägen. Fertige Lösungen für das SmartHome sind oft sehr teuer, bauen häufig auf nicht ausbaubaren Techniken auf oder decken eben nicht ganz den eigenen Bedarf. SmartHome Hacks hingegen stellt einfache Lösungen vor, die für wenig Geld beispielsweise auf einem Arduino oder einem Raspberry Pi realisiert werden können. Peter A. Henning erläutert in über 60 Hacks, wie Sie mithilfe kleiner Programme oder preiswerter Elektronikbauteile selbst zu einem automatisierten Heim erster Klasse kommen. Dabei zeigt eine Einordnung in vier "Schärfegrade", wie anspruchsvoll die Ausführung eines jeden Hacks ist. Dem Heimautomationsprojekt FHEM, dem "Schweizer Taschenmesser" unter den SmartHome-Systemen, ist ein besonderer Schwerpunkt gewidmet. Darüber hinaus aber geht das Buch auch auf die Standards enOcean, KNX, Z-Wave und ZigBee ein. Ausführlicher werden das HomeMatic-System und die 1-Wire-Technologie diskutiert.

Leseprobe

SmartHome Hacks

Hausautomatisierung selber machen

Peter A. Henning

Peter A. Henning

Lektorat: Gabriel Neumann

Korrektorat: Friederike Daenecke

Satz: III-satz, www.drei-satz.de

Herstellung: Susanne Bröckelmann

Umschlaggestaltung: Michael Oreal

Fotonachweis Chili-Schote: istockfoto.com, Maksym Narodenko, stockfoto ID 17940210

Druck und Bindung: Stürtz GmbH, Würzburg

Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek

Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der

Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar.

ISBN:

Print  978-3-96009-012-0

PDF  978-3-96010-036-2

ePub  978-3-96010-037-9

mobi  978-3-96010-038-6

1. Auflage 2016

Dieses Buch erscheint in Kooperation mit O’Reilly Media, Inc. unter dem Imprint »O’REILLY«. O’REILLY ist ein Markenzeichen und eine eingetragene Marke von O’Reilly Media, Inc. und wird mit Einwilligung des Eigentümers verwendet.

Copyright © 2016 dpunkt.verlag GmbH

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69123 Heidelberg

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Inhalt

1    READ ME FIRST !

Ein Beispiel

Welches System?

Warnung vor Gefahren

Anleitung für Anarchisten

Vom WAF

Wolkig mit Aussicht auf Verwirrung

Technische Details

Sensoren und Aktoren

Einheiten und Maße

Links und Ergänzungen

2    Hacks zur Lichtsteuerung

Hack: Lichtschalter dorthin verlegen, wo man sie braucht

Detaillierte Planung

Einfache Realisierung

Hack: Licht mit Bedingungen schalten

Lichtsteuerung priorisieren

Zwei Leuchten schalten

Lichtszenarien am Morgen und am Abend

Hack: Licht soll auf die Bewegung von Menschen reagieren

Lichtsteuerung mit FHEM

Hack: Farbtemperatur bei LEDs

Farbtemperatur quantitativ

LED in der Praxis

Hack: Farbtemperatur einstellen

Hack: Temperatur in Farbe umsetzen

3    Hacks zur Verbrauchsmessung

Hack: Energieverbrauch aus Betriebszeiten bestimmen

Stromfluss detektieren

Umrechnung in den Energieverbrauch

Hack: Stromverbrauch am Zähler messen

Messung an der Ferraris-Drehscheibe

Messung an der Leuchtdiode

Messung am Zählwerk

Hack: Gas- und Wasserverbrauch messen

Hack: Verbrauch am Zähler mit S0-Ausgang messen

S0-Zähler mit einem Raspberry Pi

S0-Zähler mit dem 1-Wire-System

Hack: Daten loggen und visualisieren

Logging

Visualisierung

Schönere Bilder

4    Hacks zur Messung von Umweltdaten

Hack: Funksensoren für Temperatur und Feuchte

Hack: 1-Wire-Sensoren für die Temperatur

Hack: 1-Wire-Feuchtemessung

Hack: 1-Wire-Multisensor

Luftdruckmessung

Helligkeitsmessung

Gaskonzentration messen

Hack: Digitale Sensoren auswerten

Temperatur- und Feuchtesensoren DHT11 und DHT22

Sensoren und Module mit I2C- und SPI-Interface

Hack: Analoge und digitale Sensoren mit anderen Systemen auswerten

Hack: Weitere Umweltdaten messen

Hack: Datenlogger

Hack: Daten archivieren

Hack: Behaglichkeitsmessungen

Behaglichkeitsmessung in FHEM

Hack: Vermeidung von Schimmel

Hack: Kalibrierung von Sensoren

Kalibrierung von Thermometern

Kalibrierung von Hygrometern

Kalibrierung von Gassensoren

5    Hacks für die Heizung

Hack: Wunschtemperatur in jedem Raum

Hack: Heizbedarf ermitteln und nutzen

Heizbedarf aus Ventilstellungen ermitteln

Hack: Heizkurve optimieren und missbrauchen

Hack: Partybetrieb, Ferienprogramm und Spartasten nutzen

Hack: Tür-Fenster-Kontakte anbinden

Hack: Heizungsanlage ins SmartHome integrieren

eBus-Adapter für Heizungsanlagen von Vaillant, Weishaupt und Wolf

Optolink-Adapter für Heizungsanlagen von Viessmann

Hack: Zirkulationspumpe wie und wann einschalten?

Hack: Zirkulationspumpe durch ein Fertiggerät steuern

Hack: Zirkulationspumpe mit einem selbst gebauten Interface steuern

Hack: Zirkulationspumpe durch einen Zustandsautomaten steuern

Hack: Solarthermischen Energieertrag messen

Hack: Visualisierung der Heizungsanlage

6    Hacks für ein sicheres Heim und Grundstück

Hack: Abschreckung durch Lichteffekte

Hack: Fenster- und Türenzustand erkennen

Fenster mit 1-Wire-Chips überwachen

Hack: Sichere Garage mit iButtons

Hack: Hoftür mit Panikschloss und iButtons

Hack: Bewegung melden und Video-Überwachung

Was hat sich verändert ?

Einbindung in FHEM

Hack: Feuchtigkeit melden

Hack: Gas melden

Hack: Rauch und Feuer melden

Hack: Warnungs- und Alarmsignalisierung

Hack: Alarmanlage mit FHEM

Sensoren der Alarmanlage

Aktoren der Alarmanlage

7    Hacks zur Fernbedienung und Fernanzeige

Hack: Universalfernbedienung im SmartHome

Hack: Infrarotfernbedienung mit dem Computer

Hack: Anwesenheitserkennung via Smartphone

Geozone rund um das SmartHome

Anwesenheitserkennung im Haus – auch ohne Smartphone?

Hack: Textanzeige auf einem LCD

Hack: Digitaler Bilderrahmen als Anzeige

Hack: SmartHome-Daten in Bilder umwandeln

Daten – woher?

Hack: Tablet als Anzeige und Bediengerät

Anzeige von Bildern

Steuerung über das Tablet

Weitere Tablet-Funktionen steuern

Hack: Eigene Widgets programmieren

Lineare Säule als Widget

Thermometer als Widget

8    Hacks für Musik und Medien

Hack: Sprachausgabe im SmartHome

Sprache auf einem Raspberry Pi ausgeben

Hack: Spracherkennung im SmartHome

Hack: Multiroom-Audiosystem

Musik komprimieren – oder nicht?

Hack: Smart-TV im SmartHome

Eigene Apps für den Smart-TV

Hack: Smart-TV selbst bauen

9    Hacks für Kalender und Zeiten

Hack: An wiederkehrende Aufgaben erinnern

Erzeugung von Kalenderdateien

Auswertung von Kalenderdateien

Hack: Feiertage automatisch erkennen

Hack: Smarter Wecker mit FHEM

10  Hacks für das Wetter

Hack: Daten der Wettervorhersage holen

Hack: Stundengenaue Wetterprognose

Hack: Eigene Wetterdaten im Netz zur Verfügung stellen

11  Hacks für Pflanzen und Tiere

Hack: Bodenfeuchte messen

Hack: Bewässerungsanlage steuern

Sicherheit der Bewässerung

Hack: Die Katze automatisieren

Hack: Den Hund automatisieren

Hack: Das Aquarium automatisieren

12  Systemkritik

Hack: Funksysteme für das SmartHome

InterTechno

FS20

Z-Wave

EnOcean

ZigBee

Weitere Netze

Hack: Ankopplung von Funksystemen

Transceiver für Funksysteme

Sende- und Empfangstechnik für Funksysteme

Antennen für das SmartHome optimieren

Hack: HomeMatic-System

Peering und Pairing

Protokoll

HomeMatic-Komponenten

Hack: Kabelgebundene Systeme für das SmartHome

KNX

Bus-Systeme

Hack: 1-Wire-System

1-Wire-Busmaster

1-Wire-Verkabelung

1-Wire-Komponenten

13  Smarte Server für das SmartHome

Hack: FHEM auf FritzBox und NAS

FHEM auf der FritzBox

FHEM auf der NAS

Hack: Raspberry Pi und Co

Raspberry Pi

Weitere Mikrocomputer

Hack: Speicherkartenzugriffe optimieren

Hack: USB-Ports unter Linux fest zuordnen

Hack: Watchdog-Timer nutzen

Weitere Konfigurationsmöglichkeiten des Watchdog-Timers

Index

1 READ ME FIRST !

Derzeit kommt fast wöchentlich ein neues System für das SmartHome auf den Markt, und nicht einmal Experten können den Überblick über diesen Zoo behalten. Die Namen der verwendeten Protokolle sind ebenso klangvoll wie undurchsichtig: HomeMatic IP, Z-Wave, EnOcean, Bluetooth Low Energy. Dem Einsteiger stellen sich deshalb viele Fragen: Was ist zukunftssicher, was ist preiswert, was sieht gut aus?

Die Antworten sind natürlich in hohem Maße davon abhängig, was man erreichen möchte. Was man erreichen kann, habe ich in diesem Buch mit einer Vielzahl von Beispielen dokumentiert. Einsteiger werden sich anhand dieser Beispiele gut über die Möglichkeiten informieren und (vielleicht) für ein System entscheiden können.

Für die eigene Umsetzung der meisten Beispiele benötigt man dann schon ein gewisses Verständnis von Programmierung oder Elektronik – oder sogar beides. Auch diejenigen, die schon ein SmartHome-System nutzen, sollen Anregungen bekommen, etwa durch

• Ideen zur Programmierung,

• neue Sensordaten und Messgrößen und

• neue Steuermöglichkeiten und Aktoren für ihre Installation.

Eben, wie der Titel schon sagt, Hacks. Beispielsweise kann man einen hier im Buch vorgestellten Wasserdetektor an den Schaltoder Tasteneingang eines beliebigen SmartHome-Systems anschließen; und ein Interface für die Steuerung einer Warmwasser-Zirkulationspumpe kann durch den Schaltausgang eines beliebigen SmartHome-Systems bedient werden.

Da kein SmartHome-System alle Möglichkeiten abdecken kann, bilden genau solche Ergänzungen den Unterschied zwischen einem zusammengekauften Satz von Fertiggeräten und dem echten »SmartHome«. Diese Anbindung verschiedenster Sensoren, Aktoren und Geräte an eine gemeinsame Logik macht das Home aber nicht nur smart – sondern kann ein Haus zu einem Bestandteil des Internet of Things (IOT), des weltweiten Internet der Dinge machen. Das mag Geschmackssache sein – aber ich finde es cool, wenn ich von New York aus meine Gartenbewässerung anstellen kann, weil daheim gerade eine Hitzewelle herrscht.

Eine solche »digitale Ökologie« habe ich schon vor 15 Jahren in meinem »Taschenbuch Multimedia« vorhergesagt: Das IOT wird die fünfte Generation (5G) in der Digitalisierung der Welt sein. Netze der vierten Generation stellen uns heute schon größenordnungsmäßig eine Milliarde Knoten bereit: 2015 waren 1 Milliarde Computer im Domain Name Service (DNS) registriert, und 2014 gab es rund 2,6 Milliarden Nutzer fester Internetzugänge sowie 1,25 Milliarden verkaufte Smartphones. Ein 5G-Netz aber bedeutet, dass wir es vielleicht bald mit 500 Milliarden digitalen Endgeräten zu tun bekommen, die miteinander kommunizieren können. Das ist die Zukunft.

Ein Beispiel

Schauen wir uns doch einfach mal an, was man so alles machen kann. Abbildung 1–1 zeigt eine Heizungsanlage mit moderner Gastherme und solarer Unterstützung für die Warmwasserbereitung.

Welches System?

Die oben gestellten Fragen nach Zukunftssicherheit, Preiswürdigkeit und gutem Design werde ich in diesem Buch (fast) nicht beantworten. Die Antworten wären erstens zu schnell veraltet, und zweitens mit Sicherheit nicht für jeden Anwender in gleichem Maße sinnvoll. In Kapitel 12 gebe ich deshalb eine Kurzübersicht über einige wichtige SmartHome-Systeme.

In den ersten elf Kapiteln ist es unser Ziel, solche Systeme zu erweitern, sie miteinander und mit der nichtdigitalen Umwelt zu verknüpfen. Eine solche Verknüpfung erfordert immer, die Systeme in eine gemeinsame Anwendungslogik einzubinden, denn es macht wenig Sinn, wenn der Bewegungsmelder der Firma X nicht mit Schaltbedingungen an die Leuchte des Herstellers Y angepasst werden kann.

Abbildung 1–1SmartHome im Keller – mit Raspberry Pi, diversen Temperatursensoren (1-Wire DS18B20), einer Steuerung der Zirkulationspumpe und einem eBus-Interface zur Heizung (siehe Kapitel 5) und Sicherheitssensoren für Gas, Wasser und den Zustand der Kondensatpumpe (siehe Kapitel 6). Abbildung 5–14 zeigt noch eine schematische Sicht auf diese Anlage.

Von besonderer Bedeutung ist deshalb Software, die sich solche übergreifende Funktionalität auf die Fahnen geschrieben hat. Diese Software werden wir im Folgenden als SmartHome-Server bezeichnen, oder als SmartHome-Zentrale, wenn damit auch der Computer gemeint ist, auf dem sie läuft. In Kapitel 13 stelle ich verschiedene Computer für diesen Zweck vor.

In Tabelle 1–1 nenne ich fünf SmartHome-Server, ohne dass diese Liste Anspruch auf Vollständigkeit erhebt: FHEM, OpenHAB und Domoticz als Open Source-Software, IP Symcon und Loxone als kommerzielle Systeme.

Tabelle 1–1SmartHome-Systemsoftware im Vergleich

Diese SmartHome-Server unterscheiden sich stark in der Optik und Usability, auch können sie mit unterschiedlichen Frontends zur Bedienung und Visualisierung ausgestattet werden. Diese Vielfalt und die Unterschiede zwischen den Systemen sollen in diesem Buch nicht beschrieben oder bewertet werden – zu stark spielen dabei persönliche Vorlieben eine Rolle. Von der Bedienbarkeit der jeweiligen Frontends sollte man sich besser selbst einen Eindruck verschaffen.

Natürlich will ich nicht verschweigen, dass ich selbst eine Smart-Home-Systemsoftware bevorzuge – die Open Source-Software FHEM. Diese Bevorzugung hat einen ganz einfachen Grund: FHEM kann durch eine Vielzahl von Modulen und Interfaces mit nahezu allen anderen SmartHome-Systemen interagieren. Es ist einfach programmierbar, und eine im Wesentlichen deutsche Nutzergemeinschaft von etwa 20.000 Usern entwickelt das System immer weiter. Die herausragend leichte Erweiterbarkeit von FHEM erlaubt auch das schnelle Ausprobieren neuer Lösungen ohne langwierige Entwicklungen. Wenn ich also in diesem Buch von der allgemeinen Abdeckung beliebiger SmartHome-Server abweiche – dann werden wir die Einbindung der vorgetragenen Ideen in FHEM diskutieren.

Aus der Beschreibung von FHEM:

FHEM ist ein in Perl geschriebener, GPL lizensierter Server für die Heimautomatisierung. Man kann mit FHEM häufig auftretende Aufgaben automatisieren, wie z.Bsp. Leuchten / Rollladen / Heizung / usw. schalten, oder Ereignisse wie Temperatur / Feuchtigkeit / Stromverbrauch protokollieren und visualisieren.

(...)

Das Programm läuft als Server, man kann es über Webbrowser, dedizierte Smartphone Apps oder telnet bedienen, TCP Schnittstellen für JSON und XML existieren ebenfalls.

(...)

Um es zu verwenden benötigt man einen 24/7 Rechner (NAS, Raspberry Pi, PC, MacMini, etc) mit einem Perl Interpreter und angeschlossene Hardware-Komponenten wie CUL, FHZ1300PC etc. für einen Zugang zu den Aktoren und Sensoren.

FHEM verdanken wir den Ideen und dem Engagement von Rudolf König, der auch heute noch eine wesentliche Rolle bei der Weiterentwicklung spielt – und dem ich hiermit für seine Arbeit danken möchte. Dieses Buch ist aber auch keine Anleitung für FHEM, denn dafür gibt es eine sehr gute Einsteigerdokumentation unter http://fhem.de/Heimautomatisierung-mit-fhem.pdf.

Warnung vor Gefahren

Aus gutem Grund gibt es in Europa (und natürlich ganz besonders in Deutschland) eine Vielzahl von gesetzlichen Regelungen für das Errichten und Betreiben elektrischer Anlagen. Wer diese Anlagen nämlich ohne erforderliche Fachkenntnisse errichtet oder verändert, kann nicht nur sein eigenes Leben, sondern auch das aller anderen Nutzer der Anlage gefährden.

• Die »Zweite Durchführungsverordnung zum Energiewirtschaftsgesetz« aus dem Jahr 1987 legt fest, dass bei der Errichtung und Unterhaltung von Anlagen zur Erzeugung, Fortleitung und Abgabe von Elektrizität die »allgemein anerkannten Regeln der Technik« zu beachten sind. Nach herrschender Rechtsauffassung ist der Errichter und Betreiber für die Einhaltung dieser Regeln selbst verantwortlich. Wer sich dabei nach den DINVDE-Bestimmungen richtet, liegt auf der sicheren Seite. Die für die Elektroinstallation wichtigsten Regeln sind in der DIN VDE 0100 »Bestimmungen für das Errichten von Starkstromanlagen mit Nennspannungen bis 1000 V« niedergelegt.

• In der »Verordnung über Allgemeine Bedingungen für den Netzanschluss und dessen Nutzung für die Elektrizitätsversorgung in Niederspannung« (NAV) aus dem Jahr 2006 ist ferner festgelegt, dass elektrische Anlagen nur durch einen eingetragenen Elektroinstallateur errichtet, erweitert, verändert und unterhalten werden dürfen.

• Schließlich gibt es auch noch die Vorschriften des VdS (früher »Verband deutscher Sachversicherer«, heute »VdS Schadenverhütungs GmbH«, mehr dazu in Kapitel 6), deren Beachtung unter Umständen nötig ist, um den Versicherungsschutz für Objekte zu erhalten.

Das bedeutet, dass eigentlich auch zum Austausch eines defekten Lichtschalters ein Eintrag in die Handwerksrolle nötig ist. Dementsprechend rate ich zu Beginn dieses Buches ganz eindringlich:

Lassen Sie Arbeiten an elektrischen Anlagen, die an das Stromnetz angeschlossen sind und mit Netzspannung arbeiten, nur von eingetragenen Elektroinstallateuren ausführen!

Die Realität sieht natürlich ein wenig anders aus. Einerseits gibt es heute elektrische Anlagen auch im Niedervoltbereich, mit denen man Leib und Leben gefährden kann. Beispielsweise ist die Energiedichte eines normalen Laptop- oder Smartphone-Akkus so groß, dass eine Beschädigung zu einem Brand oder gar zu einer Explosion führen kann (nicht ausprobieren!).

Andererseits kann mir niemand erzählen, dass die Vielzahl von Lichtschaltern und anderen elektrischen Bauteilen, die an einem normalen Samstag im Baumarkt XY verkauft werden, von eingetragenen Elektroinstallateuren eingebaut und angeschlossen wird. Pikanterweise beteiligen sich die Energieversorgungsunternehmen selbst an diesem verlogenen Spiel. Kauft man beispielsweise einen Funkschalter aus der Serie RWE SmartHome, so wird eine ausführliche Einbauanleitung für Laien mitgeliefert – die natürlich aber die oben genannte Warnung enthält.

Mit anderen Worten: Gegen diese gesetzlichen Regelungen wird laufend verstoßen, wir haben also unter unseren Mitbürgern im Baumarkt offenbar eine große Zahl von nicht ganz gesetzestreuen Menschen. Neben dem – vollkommen berechtigten – Zweck des Schutzes von Leib und Leben anderer Nutzer haben diese gesetzlichen Regelungen daher vor allem einen Sinn: Verantwortung zu verschieben, beispielsweise zu verhindern, dass irgendjemand, der sein Haus durch einen selbst eingebauten Schalter abgefackelt hat, hinterher dafür Geld von der Versicherung bekommt.

Darum folgt jetzt der zweite wichtige Hinweis zu diesem Buch: Es enthält neben nützlichen Tipps auch echte Hacks, also Anleitungen zur Veränderung technischer Anlagen ohne entsprechende Autorisierung. Führen Sie diese nur aus, wenn Sie bereit sind, den Pfad der Tugend zumindest ein klein wenig zu verlassen. Und bedenken Sie:

Was immer Sie tun: Sie tragen die Verantwortung dafür.

Ach ja: Da vielfach heute von politischen Kräften der Schutz vor allen Risiken gepredigt wird, könnte eine extrem wohlmeinende Bundesregierung (oder EU-Kommission) schon bald auf den Gedanken kommen, den Verkauf von Lichtschaltern in Baumärkten zu verbieten.

Dann werde ich auswandern.

Anleitung für Anarchisten

Wenn Sie also – mit einem leichten und durchaus angenehmen Gruseln, weil Sie das eigentlich nicht dürfen – den Schraubenzieher ansetzen, um einen Lichtschalter auszutauschen oder ähnliche Arbeiten durchzuführen, beachten Sie unbedingt die folgenden fünf Sicherheitsregeln:

Freischalten: Schalten Sie immer die Sicherung ab, bevor Sie an spannungsführenden Teilen arbeiten.

Gegen Wiedereinschalten sichern: Kennzeichnen Sie die abgeschaltete Sicherung eindeutig, und sorgen Sie dafür, dass niemand sie »aus Versehen« wieder einschaltet, während Sie gerade die Hand am Draht haben.

Spannungsfreiheit feststellen: Prüfen Sie unbedingt (z.B. mit einem Phasenprüfer, von dem Sie genau wissen, dass er funktioniert), ob Ihr unmittelbarer Arbeitsbereich wirklich spannungsfrei ist.

Erden und kurzschließen: Sorgen Sie als zusätzlichen Schutz dafür, dass Ihr unmittelbarer Arbeitsbereich mit einem Schutzleiter (Erder) verbunden ist.

Benachbarte spannungsführende Bereiche abdecken.

Arbeiten Sie immer mit geeigneten Werkzeugen, beispielsweise mit Schraubenziehern, die eine isolierte Klinge haben.

Tipp

Das Anziehen – auch dünnster – Kunststoffhandschuhe ist ein nützlicher Schutz vor Stromschlägen.

Vom WAF

Natürlich wendet sich dieses Buch an Frauen und Männer. Nur wenig würde mich mehr freuen, als zu hören, dass eine Frau nach dem Lesen dieses Buches zum Schraubenzieher greift und ihre Lichtschalter gegen Funkschalter austauscht. Auch will ich keinesfalls einem altmodischen Rollenverständnis das Wort reden. Aber nach mehr als 40 Jahren Tätigkeit in der Erwachsenenbildung und 35 Jahren glücklicher Ehe kann ich eines ganz gewiss schreiben: Frauen und Männer sind unterschiedlich, und nur wenige Dinge lassen diese Unterschiede so zum Vorschein kommen wie das Thema SmartHome.

• ER wird sich freuen, wenn der neue SmartHome-Server in einem selbst gebauten Gehäuse mit blinkenden LEDs und vielen Kabeln im Bücherregal vor sich hin schnurrt. SIE wird das nur in Ausnahmefällen ertragen.

• SIE wird die Wände hoch gehen, wenn die selbst installierte Funkalarmanlage sich nicht auf einfachste Weise ausschalten lässt. ER wird hingegen das Gehäuse öffnen und die richtigen Kontakte überbrücken.

Die Bevorzugung von Technik, die erstens unsichtbar ist oder mindestens gut aussieht und zweitens ohne spezielle Eingriffe funktioniert, nennen wir aus historischen Gründen den Woman Acceptance Factor oder WAF. Deshalb eine dritte Warnung:

Was immer Sie tun: Behalten Sie dabei den Komfort und die Bedenken Ihrer Partnerin oder Ihres Partners im Auge.

• Sorgen Sie dafür, dass man auch in Ihrer Abwesenheit die Systeme wieder in einen definierten Zustand zurückführen kann.

• Sorgen Sie dafür, dass kritische Systeme auch dann autonom laufen, wenn Ihre Selbstbaulösung abgestürzt ist.

• Dokumentieren Sie, was Sie gebaut und geändert haben. Ihre Partner und Ihre Erben werden Sie dafür preisen.

Wolkig mit Aussicht auf Verwirrung

Die größte mediale Präsenz des Themas SmartHome ergibt sich derzeit dadurch, dass eine Vielzahl von Geräten auf den Markt geworfen werden, die durch eine »App« steuerbar sind. Entsprechende RGB-LED-Strips oder Steckdosen sind in fast jedem Baumarkt zu finden. Der technische Hintergrund ist immer, dass sich diese Geräte mit eingebauten WLAN-Modulen ins heimatliche WLAN einbinden können. Diese Module sind inzwischen zu Preisen von ca. 2 € zu bekommen, ein wenig Elektronik dahinter für weitere 3 € – und fertig ist ein Bestandteil des Internet of Things. Das wäre prima, wenn es denn in irgendeiner Weise standardisiert wäre.

Ein solcher Standard existiert aber nicht, stattdessen lässt nahezu jeder Hersteller auf möglichst billige Art seine eigene »App« programmieren, die genau diese Komponente steuern kann. »Billig« ist dabei wörtlich zu nehmen – denn zur App-Programmierung braucht man fast keine Kenntnisse der Informatik. Schüler der zehnten Klasse können nach ein paar Stunden Einführung genau solche Steuerungssoftware zusammenklicken. Ich rate deshalb, sich vor dem Kauf dieser Art von Geräten genau zu überlegen, wie viele verschiedene Apps zur Steuerung seines SmartHome man auf dem Smartphone installieren möchte. Eine beliebte Frage in den Nutzerforen der SmartHome-Systeme ist deshalb:

»Ich habe da im Baumarkt so ein paar billige Funksteckdosen erstanden, wer schreibt mir bitte eine Anleitung, wie ich diese einbinden kann?«

Abgesehen von der Vielfalt dieser Einfalt gibt es aber noch ein viel gravierenderes Problem, das mit der Nutzung der Cloud durch diese Hersteller zusammenhängt. Denn viele von ihnen werben explizit mit der Möglichkeit, die Geräte auch von außerhalb des Hauses zu steuern. Das verlangt natürlich einen Durchgriff durch die eigene Firewall ins Internet: entweder indem die App von außen Daten durch die Firewall senden darf (sehr gefährlich!) oder indem eine interne Komponente (Gateway) von innen Kontakt mit einem Server des Herstellers hält und mit diesem Daten austauscht. Das ist gefährlich – und datenschutzrechtlich sehr bedenklich.

Ich bin beileibe kein Gegner des Cloud-Computing. Allerdings wird das im Moment weit übertrieben. Die Zukunft darf nicht so aussehen, dass kommerzielle Anbieter mit ihren Servern das Internet of Things kontrollieren – und auch nicht so, dass die Logik meines SmartHome davon abhängt, ob ein weit entfernter Dienst wie IFTTT (If-This-Then-That) meine Skripte ausführt. Bevor man sein SmartHome für die Cloud öffnet, sollte man sich deshalb sehr genau über diese Risiken informieren.

Technische Details

Was also benötigen Sie?

Manche der hier im Buch vorgestellten Hacks lassen sich bereits mit einigen wenigen Einzelkomponenten oder einer einfachen SmartHome-Zentrale eines beliebigen Systems verwirklichen. Gemeint sind etwa solche Aufgaben wie »wenn dies, dann jenes« – dafür benötigen Sie eben Sensoren, Aktoren, gegebenenfalls eine Zentrale und die Bedienungsanleitung.

Bei der nächsten Stufe handelt es sich um Hacks, die mithilfe eines Programms ablaufen. Dabei werden schon einmal Berechnungen ausgeführt – etwa Variablen miteinander multipliziert oder, ganz gewagt, ein Logarithmus berechnet.

Dafür benötigt man eine SmartHome-Zentrale, die in einer Programmiersprache programmierbar ist. Viele der modernen kommerziellen SmartHome-Systeme bieten dies, etwa durch eine eigene Skriptsprache für das HomeMatic-System (homeputer CL Studio) oder durch die Skriptsprache Lua in dem Fibaro Z-Wave System. Auch FHEM ist natürlich beliebig programmierbar, neben der echten Programmiersprache Perl verfügt es auch noch eine eigene Skriptsprache.

Codebeispiele

Die meisten Programmiersprachen sind heute sehr gut online erlernbar. Die besten Anleitungen für HTML, JavaScript und Perl findet man bei SelfHtml, z.B. https://wiki.selfhtml.org/wiki/Perl. Und wer mehr als diese lernen möchte, dem seien das Handbuch Programmiersprachen und das Taschenbuch Programmiersprachen empfohlen, die ich vor einigen Jahren zusammen mit Holger Vogelsang herausgegeben habe.

Bei Herunterladen von Programmen beachten Sie bitte die Lizenzbedingungen. Insbesondere die freien GNU-Lizenzen erfordern, dass die Namen der Autoren und die Lizenzinformationen in den Dateien erhalten bleiben – das ist nur fair, denn die Autoren haben da meist viel Arbeit hineingesteckt.

Um der Vielfalt der Programmiermöglichkeiten keinen Abbruch zu tun, werden deshalb die Codes in diesem Buch oft als so genannter »Pseudocode« geschrieben – mit einer ganz einfachen Syntax, die schnell in jede konkrete Programmiersprache übersetzt werden kann.

Des Weiteren gibt es natürlich Hardware-Hacks. Kenntnisse in Elektronik, Lötkenntnisse und Experimentierfreude sind für diese Hacks eine wichtige Voraussetzung – und natürlich das intensive Lesen der Warnhinweise.

Als Krönung stelle ich auch ein paar Hacks vor, die auf einer separaten Plattform laufen – einem Arduino-Mikrocontroller. Das kombiniert dann Software und Hardware, aber verspricht natürlich erheblichen Gewinn, wenn es dann tatsächlich einmal »läuft«.

Der Einfachheit halber werden die Symbole, die ich den obigen Absätzen vorangestellt habe, auch im Buch verwendet. Sie können deshalb auf den ersten Blick erkennen, was der jeweils folgende Abschnitt Ihnen abverlangt.

Sensoren und Aktoren

In den folgenden Kapiteln werden wir häufig Lösungen sehen, die nicht an ein bestimmtes SmartHome-System gebunden sind, sondern an eine Vielzahl solcher Systeme angekoppelt werden können. In vielen Fällen geschieht diese Ankopplung über einen SmartHome-Schaltaktor oder einen SmartHome-Tastensensor – dafür kann man eine Vielzahl verschiedener Modelle und Systeme verwenden.

Abbildung 1–2Ein generischer Schaltaktor und ein generischer Tastensensor interagieren mit der SmartHomeZentrale (rot, grün) oder direkt miteinander (blau).

Ein weiterer Begriff muss an dieser Stelle eingeführt werden, denn wir müssen ja irgendwie benennen, was der Sensor nun eigentlich macht: Er löst in der SmartHome-Zentrale ein Event aus, ein Ereignis also. Für einen einfachen Tastensensor kann dies ein toggle-Event sein, also ein Umschaltereignis. Hat der Tastensensor zwei Stellungen, könnte es sich um ein on-Event oder ein off-Event handeln, je nachdem, in welche Richtung die Taste betätigt wird.

In der SmartHome-Zentrale besteht in der Regel die Möglichkeit, auf die von einem bestimmten Gerät (Device) ausgelösten Events zu lauschen und dann je nach Art des Events bestimmte Ereignisse auszulösen. Dafür gibt es dann einen Programmbestandteil, den wir als Event-Handler bezeichnen wollen.

Einheiten und Maße

Hexadezimale Größen werden im Text durch ein vorangestelltes 0x gekennzeichnet.

Links und Ergänzungen

Um die Nutzung des Buches zu vereinfachen, sind auf der Seite http://ice-karlsruhe.de/smarthome-hacks-links-und-ergaenzungen/ alle Links zum direkten Anklicken aufgeführt. Dort finden Sie auch alle längeren Quelltexte aus dem Buch, soweit dies die jeweiligen Urheberrechte gestatten.

2 Hacks zur Lichtsteuerung

SmartHome bedeutete für unsere Großeltern, dass man durch Drehen oder Drücken eines kleinen Knopfes Licht in das Dunkel der Nacht bringen konnte. Für die meisten Menschen, die dem Thema SmartHome verfallen, ist dies tatsächlich auch heute noch der erste Anwendungsfall (oder »Use Case«, wie man in der Informatik sagt). Nur geht es nicht mehr darum, das irgendwie und irgendwo zu tun, sondern wir beherrschen das Licht inzwischen vollständig. Wir wollen bestimmen, von wo aus, mit welcher Helligkeit und Farbe, zu welchen Zeiten und unter welchen Bedingungen das Licht eingeschaltet wird.

Abbildung 2–1Hardware für die einfache Lichtsteuerung. Links oben ein Home-Matic-Systemschaltaktor (in verschiedene Schalterprogramme integrierbar), rechts oben eine HomeMatic-Fernbedienung. Links unten ein Unterputz-Schaltaktor für EnOcean, in der Mitte unten ein batterieloser Aufputz-Wandschalter von EnOcean und rechts unten eine schaltbare Zwischensteckdose des Z-Wave-Systems.

Hack: Lichtschalter dorthin verlegen, wo man sie braucht

Unsere Wohnung verändert sich mit uns:

• Ein neuer größerer Fernseher kommt ins Haus, und wir müssen umdekorieren – und plötzlich können wir das Deckenlicht nicht mehr komfortabel vom Sessel aus dimmen.

• Ein Umbau – und plötzlich haben wir den Lichtschalter für die Gästetoilette auf der falschen Seite.

• Ein Pflegefall in der Familie – und wir möchten es der gepflegten Person ermöglichen, das Licht vom Bett aus zu schalten.

Kurz, wir brauchen einen Lichtschalter an einer anderen Stelle und möchten nicht, dass dafür Wände aufgestemmt werden – ein Funkschaltsystem muss her. Für diesen Anwendungsfall besteht das Funkschaltsystem mindestens aus zwei Komponenten:

• erstens aus einem Funksender. Dieser spielt die Rolle eines Sensors, denn er reagiert auf ein externes Ereignis – auf das Drücken einer Taste.

• zweitens aus einem Funkempfänger als Aktor, der die Leuchte letzten Endes anschaltet. In bidirektionalen Systemen hat der Aktor auch einen Sender, mit dem er dem Sensor Rückmeldung über die erfolgreiche Schaltaktion gibt, und dementsprechend hat der Sensor einen Empfänger, mit dem er diese Rückmeldung empfängt.

Ein solches Funkschaltsystem kann man auch einsetzen, wenn man gar keinen Eingriff in das Stromnetz vornehmen will: mit einem batteriebetriebenen Funksender und einem Aktor in Form eines schaltbaren Zwischensteckers. Diesen allereinfachsten Fall wollen wir aber im Folgenden nicht betrachten Stattdessen gehen wir davon aus, dass die Leuchte fest installiert ist und der bisherige Schalter in einer Anschlussdose in der Wand sitzt.

Im nächsten Abschnitt sollen alle relevanten Details eines solchen Schaltertausches diskutiert werden. Das bedeutet: ganz viel Für und Wider – und eigentlich ein komplizierter Entscheidungsprozess, den man einmal genau durchlaufen sollte.

Für einen ersten Überblick kann man aber die nachfolgenden Ausführungen überspringen und direkt bei der Realisierung anfangen, also im nächsten Abschnitt.

Detaillierte Planung

Für den in der Wand befindlichen Schalter gibt es schon mal verschiedene Varianten:

• einfache Ein-/Ausschalter – diese schließen oder trennen einfach nur einen Kontakt.

• Wechselschaltungen, mit denen eine Leuchte von zwei Orten geschaltet werden kann. Dafür benötigt man einpolige Umschalter.

• Kreuzschaltungen, mit denen eine Leuchte von mehr als zwei Orten geschaltet werden kann. Dafür werden zweipolige Umschalter benötigt.

Die meisten Schaltaktoren für SmartHome-Systeme sind als einpolige Umschalter ausgeführt, können also in den beiden erstgenannten Fällen eingesetzt werden. Bei Kreuzschaltungen wird es deutlich schwieriger, einfach nur einen Schalter zu ersetzen. Hier ist dann zu empfehlen, alle Schalter durch Tastensensoren zu ersetzen und einen gemeinsamen Aktor anzusteuern.

Für die weitere Planung gehen wir davon aus, dass zunächst ein einzelner Schalter ausgetauscht werden soll. Dann sind verschiedene Entscheidungen zu treffen, die mit der Verfügbarkeit und Anordnung von Schalterdosen zu tun haben.

Zuerst muss man sich darüber klarwerden, ob der neue Lichtschalter (hier ist die Betätigungseinheit gemeint, also der Sensor) in eine vorhandene oder in eine neu zu schaffende andere Anschlussdose eingesetzt werden soll:

• Wenn nicht, muss der Sender entweder eine batteriebetriebene Funkfernbedienung sein, eine Smartphone-App oder ein batteriebetriebener Aufputz-(AP-)Funksender.

• Wenn ja, muss geklärt werden, ob die andere Anschlussdose einen Netzanschluss hat:

• Wenn ja, kann er eine netzgebundene Stromversorgung haben.

• Wenn nicht, muss der Funksender ein Unterputz-(UP-)Funksender mit Batteriebetrieb sein.

Die zweite wichtige Frage ist, ob der alte Schalter seine Funktion behalten soll:

• Wenn nicht, kann man ihn durch eine Blindplatte ersetzen und stattdessen dahinter den reinen UP-Schaltaktor einbauen. Allerdings muss noch geklärt werden, ob es sich um ein Zweileiteroder um ein Dreileitersystem handelt (siehe unten).

• Wenn ja, muss geklärt werden, ob in dieser Schalterdose eventuell sogar neue Funktionen hinzukommen sollen, die andere Geräte steuern. Das ist deshalb möglicherweise sinnvoll, weil Schalterdosen rar sind – und nicht jeder möchte dauernd zur Fernsteuerung sein Smartphone zücken müssen.

• Ist das nicht der Fall, kann der gesamte alte Schalter durch einen System-Schaltaktor ersetzt werden. Dieser kann dann sowohl vor Ort durch einen Tastendruck als auch aus der Entfernung durch den Funksender betätigt werden. Solche System-Schaltaktoren finden sich in fast allen SmartHome-Systemen, und zwar so, dass sie durch einfache Adapter auch in verschiedene Standard-Schalterprogramme von Markenherstellern integriert werden können. Voraussetzung ist meistens ein Dreileitersystem.

• Will man noch andere Geräte aus dieser Schalterdose steuern, kann man z.B. den alten Schalter durch einen Doppeltaster ersetzen und hinter diesen in der Dose, die man dazu möglicherweise vertiefen muss, einen UP-Funksender einbauen. Klar, dass für den Schaltaktor dann ein anderer Platz gefunden werden muss – etwa, indem er durch Umbau der anzusteuernden Leuchte direkt in diese integriert wird. Auch hier ist in der Regel ein Dreileitersystem die Voraussetzung.

Die Vielzahl von Möglichkeiten für die Lichtschalterverlegung habe ich in Tabelle 2–1 zusammengefasst.

Was hat es jetzt mit dem Zweileitersystem auf sich? In älteren (oder sparsamen) Installationen sind Lichtschalter oft nur mit einem zweiadrigen Kabel als »Stichleitung« an die Anschlussdose angebunden: Phase hin, geschaltete Phase zurück, aber es fehlt der Nullleiter. Manchmal findet sich auch ein dreiadriges Kabel mit grünem Schutzleiter – aber ohne Nullleiter. Deshalb kann sich in diesen Fällen ein elektronisches Gerät (wie der einzubauende Schaltaktor) nicht direkt mit Netzspannung versorgen. Bei einem Dreileitersystem hingegen liegt in der Dose auch ein Nullleiter. Dann kann nahezu jeder Schaltaktor verwendet werden.

Es gibt zwar Funkaktoren, die ohne Nullleiter auskommen. Dabei handelt es sich aber in der Regel um Dimmaktoren, bei denen immer ein geringer Stromfluss durch die Leuchte stattfindet (irgendwoher muss die Energie für die Elektronik ja kommen). Entsprechende Modelle sind z.B. im Z-Wave- und im InterTechno-System erhältlich. Der Einbau eines solchen Aktors für ein Zweileiter-system kann allerdings nicht empfohlen werden, wenn man irgendwann auf LED-Beleuchtung umstellen möchte. Die in LEDs oft vorhandenen Schaltnetzteile reagieren auf einen kleinen Stromfluss bei manchen Ausführungen so, dass sie in regelmäßigen Abständen die LED aufblitzen lassen – und oft ist der vom Aktor »verlangte« minimale Stromfluss so groß, dass die LED gar nicht auszuschalten ist.

Tabelle 2–1Lichtschalter verlegen – aber wie?

Neuer Schalter

Alter Schalter

Keine andere Dose

Andere Dose ohne Netz

Andere Dose mit Netz

Wird entfernt und durch Aktor ersetzt

Blindplatte mit Aktor + Aufputzfunksender (Batterie)

Blindplatte mit Aktor + Unterputzfunksender (Batterie)

Blindplatte mit Aktor + Unterputzfunksender (Netz)

Wird entfernt und überbrückt

Blindplatte + Aufputzfunksender (Batterie) + Aktor in Leuchte

Blindplatte + Unterputzfunksender (Batterie) + Aktor in Leuchte

Blindplatte + Unterputzfunksender (Netz) + Aktor in Leuchte

Bleibt, aber auch durch Funk steuerbar

Funksystemaktor + Aufputzfunksender (Batterie)

Funksystemaktor + Unterputzfunksender (Batterie)

Funksystemaktor + Unterputzfunksender (Netz)

Bleibt, zusätzlich andere Nutzung der Dose

Taster mit UP-Funksender + Aufputzfunksender (Batterie) + Aktor in Leuchte

Taster mit UP-Funksender + Unterputzfunksender (Batterie) + Aktor in Leuchte

Taster mit UP-Funksender + Unterputzfunksender (Netz) + Aktor in Leuchte

Warnung

In jedem Fall gilt: Der Einbau von Aktoren in Schalterdosen und eventuell auch Leuchten erfordert bis auf den Fall des einschraubbaren Funkaktors die Mitwirkung des Elektroinstallateurs Ihres Vertrauens – das haben wir allerdings im ersten Kapitel ausführlich diskutiert. Seien Sie also auf der Hut, denn es besteht Lebensgefahr.

Die Alternative besteht für ein Zweileitersystem darin, den Schalter in der ursprünglichen Dose oder in der nächstgelegenen Wandanschlussdose komplett zu überbrücken. Damit liegen an der Leuchte alle drei Leiter an – und eventuell kann man den Funkaktor in die Leuchte selbst einbauen. Insbesondere im InterTechno-System gibt es preiswerte Funkaktoren, die einfach zwischen Leuchtmittel und Fassung eingeschraubt werden. Bei anderen Systemen wie FS20 oder HomeMatic benötigt man etwas mehr Platz in der Leuchte (Näheres zu diesen Funksystemen in Kapitel 12). Limitierender Faktor bei der Einbaulösung ist oft die Erwärmung der Leuchten, denn gerade durch Halogenleuchten wird der Sockel sehr warm.

Zwei weitere Systeme zum Schalten und Dimmen, aber auch zur Veränderung der Farbtemperatur, sind direkt in die Leuchtmittel integriert: Philipps Hue und Osram Lightify sind beides Varianten des ZigBee-Systems und somit eigentlich auch mit ganz vielen anderen SmartHome-Geräten vernetzbar. Faktisch ist das nach den Berichten, die man im Internet findet, nicht immer ganz einfach.

Warnung

Nicht nur auf der Hut sein, sondern insgesamt die Finger von der Installation in Schalterdosen sollten Sie lassen, wenn Ihnen die Begriffe Phase, Schutzleiter und Nullleiter nicht sehr genau klar sind. Das mit der Lebensgefahr ist kein Witz!

Normalerweise nutzt man deshalb die so genannten Gateways desselben Herstellers zur Verbindung mit dem WLAN und steuert die Leuchten über die mitgelieferte App. Das System von Philipps kann innerhalb des Hauses auch ohne Internetzugang betrieben werden, es benötigt nur bei Steuerung von außerhalb des Hauses einen Cloud-Zugang. Das System von Osram erfordert hingegen immer einen Internetzugang.

Tipp

Sie sollten hierzu unbedingt die allgemeinen Hinweise zur Cloud im ersten Kapitel sowie die Bemerkungen zum ZigBee-System in Kapitel 12 lesen.

Einfache Realisierung

Wichtig für die Realisierung sind die Warnungen im vorigen Abschnitt – die sollte man auf jeden Fall lesen (und beherzigen). Schauen wir uns noch einmal die drei ursprünglichen Use Cases an:

• Das Deckenlicht soll von einem anderen Ort aus gedimmt werden. Als einfachste Lösung bietet sich die in Tabelle 2–1 rot markierte Lösung an: Man ersetzt den bisherigen Lichtschalter durch einen Funksystemaktor zum Dimmen. Dieser wird dann per direkt angebrachter Taste ebenso gedimmt wie mit einer entsprechenden Funkverbindung.

• Der Lichtschalter für die Gästetoilette ist auf der falschen Seite. Als einfachste Lösung bietet sich die in Tabelle 2–1 grün markierte Lösung an: den alten Lichtschalter durch einen Unterputz-Funkaktor ersetzen, die Dose möglichst gut tarnen – und einen Aufputzfunksender auf die andere Türseite setzen, ohne die Wand aufzustemmen. Batterien der typischen Systeme halten 1–2 Jahre, und man kann den Batteriezustand im Funkinterface ablesen. Wer dies vermeiden möchte, verwendet das EnOcean-System, bei dem die Energie für das Funksignal durch den Tastendruck selbst gewonnen wird.

• Für die Lichtsteuerung durch eine pflegebedürftige Person hat es sich bewährt, einen einfachen Funk-Zwischenstecker (nahezu in jedem SmartHome-System verfügbar) durch einen in Griffweite des Patienten befindlichen Aufputz-Tastensensor zu steuern.

Tipp

Diesen Aufputz-Tastensensor sollte man gegen unbeabsichtigte Betätigung durch Pflegekräfte sichern – denn »leichte Bedienung« für die pflegebedürftige Person impliziert eine noch leichtere Bedienung durch die Pflegenden.

In diesem Hack habe ich mit Absicht weit ausgeholt, um den notwendigen Planungsprozess zu verdeutlichen. Nichts ist frustrierender als der Einstieg in die SmartHome-Welt durch eine nicht gut funktionierende Lösung. Die wichtigste Frage, die am Anfang gestellt werden muss, lautet also: Was möchte man erreichen? Erst danach kommt die Frage nach dem Wie, die Technik muss also immer der Funktion folgen, nicht umgekehrt.

Hack: Licht mit Bedingungen schalten

In diesem Hack soll nun die einfache Funktion »Licht ein- oder ausschalten« etwas aufgebohrt werden, indem wir das Licht nicht nur durch einen Schalter, sondern auch durch eine zentrale Steuerung schalten. Abbildung 1–1 in Kapitel 1 zeigt die verschiedenen Signalwege. Bisher hatten wir lediglich den blau markierten direkten Signalweg vom Tastensensor zum Schaltaktor realisiert. Jetzt soll also zusätzlich der rot markierte Signalweg von der Zentrale zum Schaltaktor verwendet werden. Aber wie geht das genau?

Soll die Zentrale das Licht auch dann ausschalten können, wenn es mit dem Tastensensor eingeschaltet wurde? Kann man Prioritäten setzen, wie etwa das Ausschalten durch den Tastensensor zu blockieren, wenn der gegenwärtige Zustand durch die Zentrale gesteuert wurde? Wie »weiß« die Zentrale darüber Bescheid, in welchem Zustand sich der Tastensensor und der Schaltaktor gerade befinden? Hierzu gibt es zwei Möglichkeiten.

Ein unidirektionales Funkprotokoll (z.B. InterTechno, FS20 oder verschiedene andere preiswerte Systeme) könnte verwendet werden, wenn eine visuelle Rückkoppelung zwischen Bediener und Leuchte besteht (mit anderen Worten: Man sieht ja wohl, ob das Licht auf der Kellertreppe an ist, oder nicht...). Dann kann die Zentrale natürlich über den Zustand des Schaltaktors nur informiert sein, wenn sie das Signal vom Tastensensor ebenfalls empfangen hat (grüner Signalweg in Abbildung 1–2).

Ein bidirektionales Funkprotokoll (z.B. bei HomeMatic, Z-Wave und vielen anderen modernen Systemen) ermöglicht dem Schaltaktor, die Zentrale auch dann über seinen Zustand zu informieren, wenn der eigentliche Schaltvorgang direkt vom Tastensensor ausgelöst wurde.

Tipp

Das gleichzeitige Empfangen eines unidirektionalen Funksignals durch zwei verschiedene Geräte ist sehr fehleranfällig. Sicherer in der Anwendung ist es, den Schaltaktor nur durch die Zentrale bedienen zu lassen. Allerdings kann dies durchaus zu merkbaren Schaltverzögerungen führen.

Nicht nur aus Gründen der Anwendungsicherheit kann es sinnvoll sein, alle Schaltaktionen durch die Zentrale ausführen zu lassen. Ein weiterer Grund dafür könnte, wie bereits oben erwähnt, eine Prioritätslogik der Schaltvorgänge sein. Diese soll durch einen so genannten Zustandsautomaten repräsentiert werden, also durch ein System mit mehreren inneren Zuständen und den Übergängen zwischen ihnen, die durch Events ausgelöst werden. Dabei gibt es zwei prinzipiell unterschiedliche Vorgehensweisen bei der Programmierung:

• Ansatz I: Die Zustände des Automaten können in so genannten globalen Variablen abgelegt werden, auf die andere Programme problemlos zugreifen können. Jedes Gerät, das diese Zustände ändert, bekommt ein eigenes kleines Programm, einen Event-Handler. Der Vorteil dieses Ansatzes ist die Übersichtlichkeit der Programme. Ein Nachteil könnte aber in entsprechend nebenläufigen Systemen sein, dass sich diese Programme gegenseitig unkalkulierbar beeinflussen.

• Ansatz II: Der Zustandsautomat wird von einem kompakten Programm gesteuert, das von jedem Event der beeinflussenden Geräte neu aufgerufen wird. Ein Nachteil dieses Ansatzes ist der längere Programmcode (oft sogar als Spaghetti-Code...), ein Vorteil aber der klare zeitliche Ablauf.

Wir wollen den Ansatz I für Lichtschaltungen mit Bedingungen anhand von zwei Anwendungsfällen diskutieren: Zuerst soll eine einfache Prioritätslogik realisiert werden, bei der ein Tastensensor Vorrang vor einem anderen hat. Anschließend soll dies zur Lichtsteuerung an einer Kellertreppe erweitert werden. Der Ansatz II (kompaktes Programm) wird im Hack: Zirkulationspumpe durch einen Zustandsautomaten steuern in Kapitel 5 vorgestellt.

Lichtsteuerung priorisieren

Konkret könnte es sich bei unserer Prioritätslogik um die Beleuchtung eines Gartenhäuschens handeln – schaltet man die dortige Leuchte vom Hauptgebäude aus ein, soll sie nicht im Gartenhäuschen selbst ausschaltbar sein. S1 und S2 seien also Tastensensoren, aber selbstverständlich ließe sich jeder von ihnen auch durch ein auf der SmartHome-Zentrale ablaufendes Programm ersetzen. Interessant ist nur das Prinzip der Priorisierung: Wird die Leuchte durch den Tastensensor S2 eingeschaltet, ist sie nicht durch S1 auszuschalten, sondern nur wieder durch S2. Damit ist die direkte Ankopplung von S1 an die Leuchte (der blaue Signalweg in Abbildung 1–2) ausgeschlossen. Denn natürlich wäre es unschön, erst auf die Veränderung des Leuchtenstatus durch einen Funkbefehl des Tastensensors zu warten, um diesen Funkbefehl dann vielleicht wieder rückgängig zu machen.

Stattdessen müssen die Tastensensoren von der SmartHome-Zentrale überwacht werden. Wie im ersten Kapitel definiert, gehen wir davon aus, dass jeder Tastendruck dort toggle-Events auslöst, einfache »Wechsel«-Befehle also. Die SmartHome-Zentrale wertet diese mit einem so genannten Event-Handler aus. Das ist ein kleines Unterprogramm mit Zugriff auf den gegenwärtigen Zustand der Leuchte in den beiden globalen Variablen stateS1 und stateS2.

Für solche und ähnliche Anwendungen empfiehlt es sich, ein Diagramm der möglichen Zustände und der Übergänge zwischen diesen festzuhalten. Dabei sollte klar sein, dass diese spezielle Realisierung nur eine von mehreren Möglichkeiten ist – man könnte sich durchaus überlegen, beim Betätigen der Tastensensoren in den anderen Zustand mit eingeschalteter Leuchte zu wechseln.

Die Event-Handler schreiben wir in Pseudocode. Für den ersten Tastensensor liest sich das so:

Die Zentrale wertet natürlich auch die Events aus, die von S2 erzeugt werden:

Der Zustand, in dem sowohl stateS1 als auch stateS2 ON sind, ist fehlerhaft und wird durch jede Aktion von S2 wieder in den korrekten ausgeschalteten Zustand überführt. Wichtig ist, dass im Zustandsdiagramm von jedem Zustand mindestens genau die Verbindungslinien ausgehen, die den Zustand ändern (alle anderen werden ignoriert).

Zwei Leuchten schalten

Unser Anwendungsfall für das Licht auf der Kellertreppe ist etwas komplizierter: Solange unten im Werkstattkeller noch Licht brennt, kann das Licht auf der Kellertreppe nicht ausgeschaltet werden. Beim Ausschalten des Lichts im Werkstattkeller hingegen soll das Licht auf der Kellertreppe nach zehn Minuten von selbst ausgehen.

Die Zustände erhalten deshalb zwei Leuchten, und wir haben es wegen des Timers mit fünf internen Zuständen zu tun.

Sei also S1 der Tastensensor, der das Licht auf der Treppe schaltet, und S2 der Tastensensor, der das Licht im Werkstattkeller schaltet. Beide lösen toggle-Events in der SmartHome-Zentrale aus. Die Zentrale wertet die Events mithilfe eines Event-Handlers aus.

In Pseudocode umgesetzt, lautet dies für den Tastensensor S1:

Für den zweiten Tastensensor S2 sieht der Code ganz entsprechend aus:

Lichtszenarien am Morgen und am Abend

Die Beleuchtung nach dem Aufstehen hat einen erheblichen Einfluss auf unsere Tagesform. Es macht nicht nur viel mehr Spaß, in einen hellen und freundlichen Morgen zu starten, sondern beugt erwiesenermaßen auch Depressionen vor. Schon ein einfaches auto-matisiertes Einschalten aller Leuchten in einem Zimmer kann uns also während der dunklen Jahreszeit helfen, besser in die Gänge zu kommen. Wir werden uns dem Thema des »smarten Weckers« noch an anderer Stelle widmen, weil dabei auch die Farbtemperatur des Lichts wichtig ist. Nachfolgend soll es erst einmal um das Einschalten gehen.

Für das reine Ein- oder Aussschalten soll es einen Taster geben, mit dem alle Leuchten in einem Zimmer bedient werden können. Das lässt sich in der Tat mit einem einzigen Taster realisieren, denn in vielen SmartHome-Systemen wird vom Tastensensor mitgeteilt, ob es sich um einen längeren oder kürzeren Tastendruck handelt. Wir wollen diese Events des Tastensensors S3 als toggle-long und toggle-short bezeichnen.

Auch abends wollen wir es etwas komfortabler haben. Deshalb soll, wenn nach 22:00 und vor 04:00 Uhr das Licht im ganzen Zimmer ausgeschaltet wird, auf einem Audioausgabegerät die Durchsage »Bitte an das Teewasser denken!« erfolgen sowie die Zirkulationspumpe der Warmwasserleitung für fünf Minuten angeschaltet werden. Eine solche Kleinigkeit wie die Sicherstellung einer komfortablen Warmwasserbereitstellung zum Zähneputzen hat sich als extrem förderlich für die Partnerakzeptanz bei der Einrichtung eines SmartHome erwiesen – das hat einfach einen hohen WAF.

Diese Beispiele machen deutlich, welches Potenzial in der Kopplung verschiedenster Sensoren und Aktoren durch eine Smart-Home-Zentrale liegt: Nicht nur der Komfort erhöht sich, sondern auch die Sicherheit. Und selbstverständlich kann man auch den Wasserkocher durch einen Timer anschalten lassen.

Hack: Licht soll auf die Bewegung von Menschen reagieren

So genannte Passiv-Infrarot-(PIR-)Bewegungsmelder sind in den unterschiedlichsten Ausführungen erhältlich: für das direkte Schalten von Leuchten oder mit einem Schaltkontakt für die Alarmsignalisierung, für Versorgungsspannungen von 5–230 V, für Schaltleistungen von wenigen Watt bis hin zu Kilowatt, für die Wandbefestigung oder zum Einbau in Schalterdosen. Ihre Funktion beruht darauf, dass sich der infrarote Strahlungsfluss (also die Wärmestrahlung) auf ihrer Sensorfläche verändert.

Für viele SmartHome-Systeme sind diese PIR-Melder auch direkt als Sensoren erhältlich – etwa als Funk-Bewegungsmelder HM-SecMDIR-2 im HomeMatic-System. Weniger häufig werden radarbasierte Bewegungsmelder verwendet, obwohl sie eine deutlich geringere Abhängigkeit von der Temperatur und anderen Umgebungsbedingungen aufweisen.

In diesem Hack wollen wir nicht diskutieren, wie sich solche Bewegungsmelder zur Absicherung unseres SmartHome einsetzen lassen, dazu lesen Sie mehr in Kapitel 6. Vielmehr wollen wir sie zunächst einsetzen, um einen größeren Komfort zu erzielen. Anwendungsbeispiele gibt es genug:

• Im Keller geht das Licht an, wenn jemand die Treppe hinuntergeht.

• Auf der Terrasse geht das Licht an, wenn eine Bewegung registriert wird.

• Oder – nicht Licht, aber Komfort: Die Zirkulationspumpe des Warmwasserkreislaufs startet, wenn jemand das Bad betritt.

Abbildung 2–4Verschiedene PIR-Bewegungsmelder. Links oben ein Einbaugerät für Schalterdosen, in der Mitte und rechts oben Teile aus dem Home-Matic-System. Links unten ein Melder mit 360° Erfassungswinkel für die Deckenmontage, rechts unten ein miniaturisiertes Einbaugerät zur verdeckten Montage.

Das ist, sagen wir es mit einem Satz, keine Kunst, sondern die einfachste und schon seit Jahrzehnten bekannte Anwendung von Elektronik zur Komforterhöhung. Denn Elektronik hängt immer dran, und mit dem Einschalten des Lichts ist es nicht getan: Das Licht wird meist für eine bestimmte Zeit ton eingeschaltet; schon bei einfachen Bewegungsmeldern ist diese einstellbar. Die spannenden Fragen kommen erst auf, wenn die Zeit ton vorbei ist.

Die Bewegungsmelder lassen nämlich oft noch die Einstellung einer zweiten Zeit zu, der Sperrzeit ts. Diese Sperrzeit legt fest, welche Zeit nach dem Auslösen des Bewegungsmelders vergehen muss, bis er erneut ausgelöst (»getriggert«) werden kann. Die Sperrzeit beginnt also gemeinsam mir der Einschaltzeit ton und ist länger oder kürzer als diese.

Ist die Sperrzeit ts länger als ton, so wird nach dem Verlöschen der Leuchte noch für die Zeitspanne ts – ton auch bei einer neu festgestellten Bewegung keine erneute Beleuchtung erfolgen. Im umgekehrten Fall ts < ton ist die Leuchte länger als die eingestellte Zeitspanne an, wenn während ton eine weitere Bewegung festgestellt wird.

Für den Anwendungsfall der Kellertreppe ist natürlich zu empfehlen, die Sperrzeit deutlich kürzer als die Einschaltzeit zu wählen – man möchte eben nicht, dass das Licht gerade verlöscht, wenn man noch auf der Treppe ist. Bei einer Einschaltzeit von z.B. einer Minute könnte die Sperrzeit wenige Sekunden betragen. Das Problem dabei ist allerdings, dass mit den kurzen Sperrzeiten die Batterielebensdauer bei batteriebetriebenen Bewegungsmeldern deutlich sinkt. Darüber hinaus werden die meisten Frequenzbereiche für Funkschaltsysteme auch von anderen Anwendungen benutzt. Es gilt deshalb die so genannte 1 %-Regel, dass nämlich ein bestimmter Sender maximal 1 % der zur Verfügung stehenden Zeit senden darf. Diese Regel kann durchaus verletzt sein, wenn ein Bewegungsmelder alle paar Sekunden neu getriggert wird – denn er darf ja in jeder Stunde nur 36 Sekunden lang senden.

Für den Anwendungsfall des Badezimmers hingegen ist zu beachten, dass die Zirkulationspumpe in der Regel eine Weile laufen muss, um warmes Wasser bis zum Waschbecken zu befördern – und dann länger aus bleiben kann, denn das Wasser in der Leitung wird nicht so schnell auskühlen. Die Sperrzeit könnte also deutlich länger sein (z.B. 15 Minuten) als die Einschaltzeit (z.B. 5 Minuten). Für das Einschalten selbst ist im Hack: Zirkulationspumpe wie und wann einschalten? in Kapitel 5 eine Lösung beschrieben.

Abbildung 2–5Prinzipschaltbild der Lichtsteuerung. Die Komponenten interagieren direkt miteinander (blau) oder über die SmartHome-Zentrale (rot, grün)

Die zweite Frage ist, was eigentlich beim Ablauf der Einschaltzeit geschehen soll – einfach nur das Löschen des Lichts? Ein Beispiel mag dies erläutern: Möchte man wirklich an einem lauen Sommerabend auf der Terrasse alle fünf Minuten die Hand heben müssen, damit das Licht nicht ausgeht? Stellt man hingegen den Bewegungsmelder so empfindlich ein, dass er auch kleinste Bewegungen (etwa das Umblättern einer Buchseite) detektiert, so kann er auch die Katze des Nachbarn nicht ignorieren. Um diese Situation besser zu beherrschen, setzen wir einen Tastensensor S1 zum manuellen Einschalten der Terrassenleuchte ein, der on-Events und off-Events erzeugt – also eben nicht eine Umschaltung durchführt. Außerdem gehen wir davon aus, dass der Bewegungsmelder in der SmartHomeZentrale beim Feststellen einer Bewegung ein on-Event auslöst, sowie nach dem Ablauf der Einschaltzeit ein off-Event.

Wir stellen diesen Ablauf in Abbildung 2–6 wieder durch ein Zustandsdiagramm dar, das die vier möglichen Zustände und die Übergänge zwischen ihnen enthält. Im Gegensatz zu den Beispielen im vorigen Hack haben wir hier den Zuständen auch Namen gegeben.

Der Event-Handler für den Tastensensor ist das Unterprogramm evS1, das nicht nur die Leuchte selbst bedient, sondern eine Zustandsvariable stateL setzt:

Der Event-Handler für den Bewegungsmelder nimmt dann auch das off-Event auf, um die Leuchte auszuschalten:

Hierbei haben wir eine Annahme getroffen, die nicht unbedingt zutreffen muss – nämlich das Senden eines off-Events durch den Bewegungsmelder an die SmartHome-Zentrale, wenn dessen Zeit ton abgelaufen ist. Zur Schonung der Batterien übertragen nämlich Funk-Bewegungsmelder in der Regel nur ein Event, wenn sie eine Bewegung feststellen, und überlassen die Zeitsteuerung dem angesteuerten Funkaktor. Das ist durchaus sinnvoll, denn der Funkaktor wird meist nicht über Batterien versorgt.

Die gängigen SmartHome-Zentralen erlauben die Programmierung von verzögerten Aktionen. In den Event-Handler für den Bewegungsmelder müssen wir deshalb in diesem Fall an zwei Stellen etwas einfügen, nämlich diese Pseudocodezeile:

at +<ton> call evBM(off)

Dieser Befehl soll nichts weiter tun, als nach Ablauf der Zeit ton den Event-Handler wie ein Unterprogramm aufzurufen. Damit haben wir die komplette Zeitsteuerung ebenfalls in die SmartHome-Zentrale ausgelagert. Der Vorteil ist natürlich ein höherer Komfort, aber zwei Nachteile liegen auf der Hand:

• Ist die SmartHome-Zentrale gerade stark »beschäftigt«, kann es zu einer Verzögerung beim Einschalten der Leuchte kommen. Das kann man in manchen Systemen dadurch umgehen, dass man den Bewegungsmelder zusätzlich direkt an den Schaltaktor ankoppelt. Der Schaltaktor wird dann einen »ersten« Anschaltbefehl vom Bewegungsmelder bekommen und einen zweiten von der Zentrale – macht nichts.

• Das alte Problem, dass man das Licht irgendwo angelassen hat, ist wieder da. Es sei den Lesern als kleine Übung überlassen, dies zu beheben. Beispielsweise kann dies dadurch geschehen, dass in die erste Bedingungsabfrage beim Event-Handler des Tastensensors noch eine Zeile eingefügt wird, die nach einer längeren Verzögerung (sagen wir, einer Stunde) oder zu einer bestimmten Zeit (sagen wir, um Mitternacht) diesen Event-Handler mit einem off-Event aufruft.

Lichtsteuerung mit FHEM

Der Vollständigkeit halber sollen die obigen Event-Handler auch noch für den SmartHome-Server FHEM genauer beschrieben werden. Zunächst benötigt man dafür Definitionen in FHEM selbst:

define TerrassenLeuchte <Definition des Schaltaktors je nachSchaltsystem>define S1 <Definition des Tastensensors je nach Schaltsystem>define BM <Definition des Bewegungsmelders je nach Schaltsystem>define TL.state dummydefine S1.handler notify S1.* {evS1($EVENT)}define BM.handler notify BM.* {evBM($EVENT)}