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

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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.

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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 1–1
SmartHome 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 1–1
SmartHome-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 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:

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

2. 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.

3. 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.

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

5. Benachbarte spannungsführende Bereiche abdecken.

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

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?

	1.	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.
	2.	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.
	3.	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.
	4.	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.

Dabei gehen wir davon aus, dass der Schaltausgang des Aktors nur eine niedrige Spannung schalten muss, also nicht etwa Netzspannung. Der Tasteneingang des Aktors soll – wenn er auf Massepotenzial = GND gesetzt wird, den Schaltausgang umschalten (»toggeln«). Der Tasteneingang des Sensors soll, wenn er auf Massepotenzial gesetzt wird, eine entsprechende Meldung an das SmartHome-System auslösen. Das kann entweder im Push-Modus geschehen, also ein aktives Signal auslösen, oder im Sensor selber eine Zwischenspeicherung erzeugen, die vom SmartHome-System aus abgefragt werden kann (Pull-Modus). Typische Realisierungen für solche Aktoren und Sensoren existieren in vielen SmartHomeSystemen. In Kapitel 12 werden deshalb die möglichen Realisierungen aufgeführt.

Abbildung 1–2
Ein 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.

Temperaturen messen wir in Grad Celsius, abgekürzt °C. Temperaturdifferenzen werden allerdings in K = Kelvin (nicht »Grad Kelvin«) gemessen – derselbe Zahlenwert, aber eine andere Einheit. In Kelvin wird auch die absolute Temperatur gemessen, die wir aus dem Messwert in °C erhalten, indem 273,15 hinzugezählt werden. Anders ausgedrückt: Der absolute Nullpunkt der Temperatur (tiefer geht es nicht mehr...) liegt bei -273,15°C. Wir werden im Folgenden um einige Formeln nicht herumkommen. In ihnen verwenden wir für die absolute Temperatur in K die Abkürzung T und für die Temperatur in °C den griechischen Buchstaben θ (theta).

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 2–1
Hardware 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 2–1
Lichtschalter verlegen – aber wie?

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.

Normalerweise nutzt man deshalb die so genannten Gateways