Schlagwort: raspberry pi

Der aktuelle Aufbau

Dieser Artikel wird fortlaufend aktualisiert.

Seit Frühjahr 2019 bastle ich an meinem SmartHome herum – und zugegeben, es ist schon ganz schön angewachsen.

Die aktuell eingesetzten technischen Komponenten und Schnittstellen
Stand: 28.08.2022

Basis sind zwei Raspberry Pi 4B 2GB mit Raspberry Pi OS 32-bit.

Auf dem primären Raspberry Pi läuft das SmartHome auf Basis von ioBroker. Ein sekundärer Raspberry Pi überwacht den primären Pi, ist Node-RED-Spielwiese für Dinge, die nichts mit dem SmartHome zu tun haben und sorgt im Heimnetz für weitere Funktionen wie Etherpad, Pi-hole, Netzwerkspeicher …

ioBroker ermöglicht es, den zersplitterten SmartHome Markt zusammenzuführen, indem alle Protokolle mittels verschiedener Adapter auf eine gemeinsame Objekt-Basis runtergebrochen werden. Als Logik-Instanz kommt Node-RED zum Einsatz, über welches ich auch weitere Schnittstellen realisiere.

Aus der Auswahl der Funklösungen habe ich mich für ZigBee entschieden. Preise und Verfügbarkeiten der Komponenten erschienen mir 2019 besser als bei Z-Wave. Auch wenn OSRAM/ledvance nicht mehr alleinig auf ZigBee setzt (hier kommt vermehrt Bluetooth zum Einsatz), ist die Auswahl der Komponenten sehr reichlich und die Auswahl der Hersteller wird immer größer. Hauptsächlich setze ich Zigbee-Geräte von Xiaomi Aqara, Philips Hue und IKEA ein, zunehmend auch Sonoff und Tuya. Der Raspberry Pi kommuniziert mittels des ZigBee Sticks von Dresden Elektronik Conbee II mit den Sensoren, Schaltern, Dosen und Birnen. Mit einer Batterielaufzeit von mind. zwei Jahren (auf dem Papier, real teils länger, teils kürzer), lassen sich drahtlose Sensoren ohne viel Wartungsaufwand betreiben. WLAN-Akku-Geräte können hier aktuell nicht mithalten.

Als Schaltaktoren setze ich vor allem WLAN-Relais ein – hauptsächlich Shellys von Allterco Robotics. Als Unterputzmodule konstruiert, passen sie mit etwas Gefrickel in eine normale (tiefe) Hohlwanddose. Der Clou daran: der Schalter bleibt intakt. Genauso wie man den Verbraucher ab sofort durch das SmartHome schalten kann, wird die Betätigung des Hardware-Schalters an der Wand an den ioBroker gemeldet und kann so auch zusätzliche Funktionen auslösen. Die meisten WLAN-Aktoren arbeiten mit der OpenSource Firmware Tasmota.

Weiterhin sind inzwischen auch WLAN-Zwischenstecker in nennenswerte Zahl vorhanden, vor allem von Sonoff und Gosund. Auch purzeln einige Osram Smart+ Plugs (Zigbee) herum.

Die WLAN Komponenten kommunizieren über das Nachrichtenprotokoll MQTT mit dem ioBroker oder über die HTTP Schnittstelle direkt mit Node-RED. Über mein NodeRED Dashboad kann ich neue Firmware-Versionen von Shelly Firmware (Mongoose OS) und Tasmota ausrollen, sodass sich der Wartungsaufwand in Grenzen hält.

Neu/Ende Januar 2020

Ende Januar kam die Überwachung der Solaranlage und der Speichertemperaturen hinzu. Leider gab es hier seitens des Steuergeräts keinerlei Schnittstellen. Daher musste ich alle Werte selbst erheben: Temperaturen werden über 1-Wire-Temperatursensoren gemessen – die Laufzeit und Leistung der Solaranlage über eine WLAN-Steckdose (Gosund) mit Stromverbrauchsmesser erhoben.

Neu/Ende März 2020

In der Zwischenzeit habe ich weitere Wetterstationen aus der Nachbarschaft eingebunden. Neben Regenmenge, Windstärke und Windrichtung importiere ich Messungen bezüglich der Sonneneinstrahlung, den UV-Index und Feinstaubwerte.

Ende März nahmen die Probleme mit Zigbee überhand. Durch eine komplette Neuinstallation hoffe ich, die Probleme zu lösen. Ein Upgrade auf den Raspberry Pi 4 habe ich dabei direkt auch gemacht. Ein größeres Relais-Board ist eingetroffen, damit ich noch mehr Temperatursensoren manipulieren kann.

Neu/April 2020

Im April wurden ziemlich viele weitere Datenquellen integriert. Meteoalarm für Unwetterwarnungen, der Abfallkalender mit den Entsorgungsterminen, der Ferienkalender zur Steuerung der Weckerfunktion, die Abfahrtzeiten der lokalen Verkehrsbetriebe. Außerdem geht das Haustür-Klingeln als Signal auch direkt ins SmartHome.

Auch das Relais-Board wurde wieder fit gemacht – die Solar-Abkühlfunktion auf eine Platine gelötet und instand gesetzt und eine Anbindung der Heizung vorbereitet.

Ein neuer „Meldungen“-Bereich sammelt Informationen und Fehlermeldungen aus allen Bereichen und gibt diese prominent aus.

Oktober 2021

Da ein Aqara Bewegungsmelder unzuverlässig geworden ist, habe ich jetzt auch Bewegungsmelder von Sonoff und Tuya (beides Zigbee) im Einsatz. Durch andauernde Probleme mit dem Raspberry PI 4 habe ich ein Downgrade auf einen Raspberry Pi 3b+ gemacht.

Dezember 2021

Ein USB IR Lesekopf (Hichi) liest jetzt meinen Stromzähler aus. Die Installation war eine wahre Freude: Plug&Play in seiner besten Form. Dank 5m USB Verlängerung hängt er direkt am PI – seitens ioBroker werkelt der Adapter ioBroker.smartmeter. Es werde Licht im Dachgeschoss – dank Shelly 2.5 und Shelly i3.

Januar 2022

Für im Dach neu zugewonnene Zimmer wurden neue Sensoren (Aqara) ergänzt. Auch ein neuer Lichtwecker (Zigbee-Glühbirne) mit entsprechendem Zigbee-Taster (Ikea) wurde ergänzt. Nach längerer Zeit habe ich mich mal wieder an ESP8266-ESP32-Arduino-Basteleien versucht und neue Erfolge gefeiert. Eine kleine Ampel im Bad (Wemos D1 Mini + RGB Shield) gibt nun Auskunft über den Warmwasser-Bestand. Da der Pi 3b+ vom Backup-Prozess überfordert war, wurde ein neuer 4B beschafft und installiert.

Februar 2022

Eine smarte Steuerung und Überwachung der Konvektorheizungen im Dachgeschoss wurde realisiert.

April 2022

Die Auswertung des Stromverbrauchs wurde ausgeweitet. Verschiedene alte Flows wurden überarbeitet und optimiert. Mit der App JRW Json Response Widget (die eigentlich gar kein JSON verarbeitet) wurde ein schnelles und (aktuell) zuverlässiges Widget gebaut. Die neuen Velux Integra Solar Rolladen wurden smart gemacht.

August 2022

In der Zwischenzeit wurden weitere Datenquellen integriert, z.B. der Vertretungsplan der Schule und solar-wetter.com für eine Prognose des Photovoltaik-Ertrags. Die Daten des Wechselrichters wurden zunächst über die Cloud von Growatt eingebunden, später dann über eine modifizierte Logger-Firmware (Growatt Shine WiFi-X) direkt lokal über MQTT. Zur Maximierung des Eigenverbrauchs wurde eine HAMA Steckdosenleiste (4x Schuko + 4x USB einzeln schaltbar) auf Tasmota umgestellt. Entsprechende Flows prüfen, ob Strom „übrig“ ist und schalten die zu ladenden Geräte zu.

September 2022

Überschüssiger Strom aus der Photovoltaik-Anlage wird jetzt, wo es langsam kalt wird, vollautomatisch „verheizt“. Dafür kommen Konvektorheizer mit 500 und 750 Watt zum Einsatz, welche vom SmartHome je nach Stromüberschuss dank smarter Steckdosen zugeschaltet und abgeschaltet werden können. Dafür entsteht gerade ein – ich nenne es großspurig – Energie Management System (EMS), welches verschiedene Verbraucher verwaltet und diese dabei selbstständig, ergänzt durch Sensorwerten (Temperaturen) und Wettervorhersagen, priorisiert. Ein wenig ist hier aber noch zu tun.

Rund um Strom-Verbrauch und -Erzeugung wurden diverse Diagramme (Flot & NodeRED Dashboard) erstellt und informative Statistiken zusammengestellt. Dafür hat die Sortierung meines NodeRED Dashboards eine größere Überarbeitung erfahren.

Ein weiterer Lichtwecker wurde schnell zusammenkopiert. Ist ja nichts neues mehr. Morgens hat das SmartHome mit vier meist weitgehend parallel laufenden Lichtweckerprozessen nun gut zu tun. Überfordern tut das den Raspberry Pi 4b 2GB aber nicht.

September 2023

Bedingt durch einen neuen Wechselrichter musste ich mich mit der lokalen Integration eines Hoymiles HMS-800w 2t beschäftigen. Dank des hms-mqtt-publisher ging das dann schnell besser als gedacht.

Dezember 2023

Der unterstützende Pi, der nebenbei auch allerlei andere Aufgaben im Heimnetz übernimmt, wurde auf einen Pi 5 geupgraded. Eine aufwändigere Arbeit als erwartet.

Mai 2024

Neue Zigbee-Sensoren kamen in den letzten Monaten hinzu. Dabei bin ich tiefer in die Funktionalität von Zigbee und Deconz eingetaucht. Leider streiken die Wassersensoren gerade – ich hoffe das klärt sich …

Juni 2024

Mein EMS (Energie Management System) ist inzwischen erwachsen geworden. Viel Arbeit floss in den letzten Monaten hinein. Inzwischen können Verbraucher flexibel über das Frontend ergänzt, bearbeitet, aktiviert und deaktiviert werden.

Mehrere Geräte können gleichzeitig (automatisch) geschaltet werden. Dabei wird immer die optimale Kombination aus Geräten erhoben, welche das Stromangebot optimal ausnutzt.

Das Einschalten und Ausschalten der Geräte richtet sich nach diversen Bedingungen wie Temperaturen, Jahreszeiten, Tageszeiten, Schonzeiten, Mindestlaufzeiten, Pardonzeiträumen, Prioritäten …

Auf Wunsch wird ein abstufbar-umfangreiches Log geschrieben, welches alle Entscheidungen transparent macht – und das Debugging enorm erleichtert. Ebenso werden Statistiken geführt, wie z.B. Verbrauch und Einschalthäufigkeiten.

Mit Murphy im Urlaub

Genau wie es Murphys Gesetz verlangt, müssen technische Probleme mit dem Smart Home natürlich im Urlaub auftreten – dann, wenn man auf Automatiken und Überwachung eigentlich besonders Wert legt und die Reparaturmöglichkeiten begrenzt sind.

2019

Schon vor zwei Jahren hatte ich den Fall, dass nach der Hälfte des Urlaubs mein Smart Home nicht mehr erreichbar war. Weder die Weboberflächen von ioBroker und nodered noch das SSH des Raspberry Pi waren erreichbar und ich hatte damals keine Möglichkeit, den Pi neuzustarten. Seitdem hängt der Raspberry Pi an einer WLAN Steckdose, sodass ich diesen zur Not stromlos machen kann, um ihn hart neuzustarten. Der Status wird zudem inzwischen von einem zweiten Raspberry Pi überwacht, welcher nach einer gewissen Spanne der Unerreichbarkeit den Neustart auch selbst einleiten kann. (auf diesem läuft auch ein Node-RED, allerdings ohne iobroker)

Um dabei keine Probleme zu erzeugen, sollte die Konfiguration des Raspberry Pi und die Programmierung im Node-RED natürlich bootfest sein.

2021

Dieses Jahr begann es mit einem Shelly 2.5 zur Rolladensteuerung, der einfach Ausstieg und nicht mehr ansprechbar war. Mein integriertes Meldungssystem schickte brav die Fehlermeldung, dass beim Fahren des Rollos ein Fehler aufgetreten sei. Was genau mit dem Shelly los ist, muss ich noch untersuchen. Das Relais klackert ununterbrochen, wenn der Shelly am Netz ist.

Nach gut einer Woche kam es dann dazu, dass der schon vermutete langsame Tod der SD-Karte des Raspberry Pi unübersehbar wurde. Das Betriebssystem lief noch, doch der ioBroker wollte nicht mehr starten.

Dank WLAN Steckdose konnte ich den Raspberry PI dann immerhin abschalten, um die Relais, welche die Sensorwerte von Solarthermie-Steuergerät und Gastherme (eh gerade abgeschaltet) zur Steuerung „manipulieren“, sicher auf ihren Standard-„Notfallposition“ zu wissen.

Es zeigt sich, wie wichtig es ist, die Schaltung richtig aufzubauen, damit im Ernstfall (stromlos) das Relais den sicheren Kontakt herstellt.

Und nun?

Jeden Morgen wird ein vollständiges Backup gezogen, sodass keine Daten verloren gegangen sind und die Wiederherstellung nach Rückkehr aus dem Urlaub in rund einer Stunde durchgeführt war.

Dass SD-Karten in Smart Home Pi’s nicht das ewige Leben haben, ist ja bekannt. Ich vermute, dass die Raumtemperatur von bis zu 50 Grad (bedingt durch die Solarthermie) hier auch nicht unbedingt förderlich ist. Ich versuche es jetzt erstmal mit einer SanDisk Pro Karte, die angeblich mehr aushalten soll. (Aber auch mit diesen habe ich schon von ähnliche Vorfällen gehört.)

Hoffnungsvoll stimmt mich die Entwicklung bzgl. der besseren SATA-Unterstützung beim Raspberry Pi OS, was vielleicht/möglicherweise/bitte (!) auch ein Zeichen für einen SATA Port auf einem zukünftigen Raspberry PI Modells ist? Der 4B kam ja schließlich auch schon vor zwei Jahren heraus…

Man wird ja wohl noch träumen dürfen.

Update 20.08.2021:

Und schon wieder war er aus. Liegt es vielleicht doch am Netzteil? Zum Einsatz kommt ein Original Raspberry Pi 4 Netzteil – mhhh. Getauscht und im Test.

Update 31.08.2021:

Der Shelly scheint richtig kaputt zu sein. Alle Reset-Versuche sind fehlgeschlagen, auch bei meinen bisherigen Flash-Versuchen (von original Firmware auf Tasmota) zuckt er bisher nicht. Inzwischen ist ein Garantie-Ersatzgerät von Allterco Robotics unterwegs.

Nachdem der Raspberry Pi auch bei einem zweiten Original Raspberry Pi 4 Netzteil kaum zwei Tage durchhielt, verheißt der Test mit einem Dritthersteller-Netzteil gerade Besserung. Er läuft seit sieben Tagen durch – das hatte ich lange nicht mehr.

Update 21.10.2021

Das Problem ist trotz neuem Netzteil wieder akut geworden. Tägliche Aussetzer waren die Folge. Heute habe ich von Raspberry Pi 4b auf Raspberry Pi 3b+ downgegradet. Der 3b+ hatte ich noch da. Dank Abwärtskompatibilität musste ich nur sämtliche GPIO Kabel, Conbee II, microSD und LAN umstecken und auf ein Micro-USB Netzteil wechseln – in weniger als 10 Minuten war es erledigt. Mein SmartHome-Pi braucht im Mittel 700 MB RAM, sodass es auf dem 3b+ auch mit zufriedenstellender Performance läuft. Ich bin gespannt ob es tatsächlich am Raspberry Pi selbst liegt und der 3b+ jetzt durchläuft.

Update 13.12.2021

Der Raspberry Pi 3b+ läuft ohne Probleme durch. Scheinbar hat der ehemals eingesetzte 4b einen Sprung in der Schüssel – schade! Da der 3b+ gut läuft und auch die Raspi-Preise ordentlich gestiegen sind, werde ich mit einem „Upgrade“-Ersatzgerät warten.

Verflixtes 1-Wire

Da meine Heizung und Solarpumpe ziemlich un-smart sind, greife ich im Heizraum verschiedene Temperaturen mittels DSB18B20 Sensoren über 1-Wire selbst ab. Doch das 1-Wire zickte immer ziemlich rum. Sensoren waren teilweise vorhanden, dann wieder verschwunden. Unterschiedliche Kabellängen zu den Sensoren wirkten sich massiv auf die Zuverlässigkeit aus.

Der mutmaßliche Grund: der PullUp Widerstand war viel zu hochohmig. In vielen Anleitungen im Netz stehen Werte von 4K7 (4,7 KΩ) für den nötigen PullUp Widerstand. Ich hatte bereits „nur“ einen 3K2 verbaut – trotzdem zu viel, wie ich inzwischen herausgefunden habe. Denn der 4K7 Widerstand bezieht sich auf eine Spannung von 5V. Betreibt man 1-Wire am Raspberry Pi mit nur 3,3V muss der PullUp Widerstand deutlich geringer bemessen werden.

Ein interessantes Dokument zum Thema empfiehlt bei 3,3V einen Widerstand zwischen 725Ω bis 1000Ω. Und schon funktioniert es (zumindest bei mir).

Achtung Nutzt man einen zu geringen Widerstand bei einer Spannung von 5V können Sensoren und Raspberry Pi Schaden nehmen!

Hier der Link zum Dokument: https://pdfserv.maximintegrated.com/en/an/AN4255.pdf

Sensorwerte selbst erheben

Noch ein Wort zum selber „abgreifen“ der Sensorwerte. Das funktioniert tatsächlich super! Im Speicher fand ich für die Sensoren Platz in den gleichen Messöffnungen, wo auch die Hausgeräte ihre Werte messen. Während zwischen meiner Messung und der Messung der Solarpumpe keine Abweichung erkennbar ist, liegt die Gastherme bei einer Abweichung von 1,3 Kelvin, was sich über ein Offset ganz einfach ausbalancieren lässt. Über den Parser-Adapter des ioBroker kommen die Werte der Sensoren ganz einfach ins SmartHome.

Verflixte GPIOs

Über die GPIOs des Raspberry Pi habe ich ein Relais-Board angeschlossen. Es manipuliert den Temperatursensor des Solar-Steuerung, um eine automatische Abkühlung des Warmwasserspeichers in der Nacht zu ermöglichen. So versuche ich auch in Hitze-Phasen eine Stagnation in der Solaranlage zu verhindern.

Zur Steuerung kam der ioBroker-Adapter RPI-Monitor (rpi2) zum Einsatz. Nach irgendeinem Update bekam ich diesen aber nicht mehr zum Laufen.

Ständig nur folgender Log-Eintrag:

GPIO is not initialized!

(Das Problem scheint nicht nur bei mir aufzutreten, ein Bug-Report findet sich bei GitHub.)

Einige Stunden Recherche und Probieren später, war ich es leid, und da ein Neuaufsetzen aktuell nicht zur Debatte steht, suchte ich eine andere Möglichkeit. Diese fand ich im exec-Node und wiringPi.

Hinweis: wiringPi wird leider nicht mehr weiterentwickelt, sodass diese Lösung nur mit Raspberry Pi’s bis Modell 3B+ funktioniert. Eine weiter Lösung gibts unter Verflixte GPIOs (2)

Nicht die schönste Variante, aber einfach und wirkungsvoll.

Über die Kommandozeile habe ich einmalig den Modus des entsprechenden GPIO auf „out“ gesetzt.

gpio -g mode 23 out

Nun kann ich über den exec-Node den Status des GPIO auslesen und auch setzen.