Mit Z-Wave-Komponenten, dem RaZberry-Modul und der freien Software Home Assistant wird der Raspberry Pi zur leistungsfähigen Smart-Home-Steuerzentrale.
Motiviert von einigen Artikeln des Schwesterblatts Linux-Magazin kam der Wunsch auf, den Smart-Home-Hype zu prüfen. Braucht man wirklich diesen Zauber um per Handy schaltbare Steckdosen, und wenn ja, was bringt das Ganze wirklich? Ein RasPi-Projekt zu starten, um die Antwort auf solche Fragen zu finden, erwies sich bisher immer als Treffer. Selbst wenn kein Ja herauskam, so war doch bewiesen: “Klar, Open Source und RasPi können das auch!”
Allerdings sollte eine angepeilte Lösung eine Reihe von Kriterien erfüllen: Sie soll sich auf Standards abstützen, für die es in ausreichender Zahl viele unterschiedliche Komponenten gibt, und gleichzeitig zur Open-Source-Welt hin offenstehen. Sämtliche Bauteile müssen mit dem Raspberry Pi harmonieren, sollen ohne Cloud-Kontakt als autarkes System arbeiten und dürfen keine unnötigen Daten ins Netz senden. Die Steuerung erfolgt idealerweise über eine Weboberfläche, die sich dem kleinen Format eines Smartphone-Displays anpasst.
Jede Home-Automation-Installation umfasst Sensoren, Aktoren sowie eine Zentrale, die alles auswertet und Verknüpfungen möglich macht. Sensoren und Aktoren müssen nicht nur jederzeit im Handel verfügbar sein, sondern sollen drahtlos, aber sicher und verschlüsselt mit der Zentrale kommunizieren. Gesonderte Strippen durch das Haus zu ziehen kommt nicht infrage. Des Weiteren steht im Lastenheft, dass die einzelnen Komponenten sparsam haushalten und lange mit einer Batterie auskommen müssen. Zu guter Letzt sollte die Gesamtlösung über viele Jahre hin zukunftssicher und erweiterbar bleiben.
Komponentenauswahl
Aus der großen Auswahl an Herstellern für Smart-Home-Komponenten kristallisierte sich schnell der Z-Wave-Standard als Grundlage heraus, die alle Kriterien erfüllt. Unter dem Dach der Z-Wave Alliance [1] bieten über 600 Hersteller und Dienstleister Tausende verschiedene Komponenten an, die dem Standard entsprechen und miteinander kommunizieren. Z-Wave nutzt dabei Funkfrequenzen zwischen 850 und 950 MHz, was für eine hohe Reichweite und Durchdringungstiefe sorgt sowie Störungen vermeidet. Mithilfe des RaZberry-Moduls [2] findet auch der Raspberry Pi problemlos Zugang zum Z-Wave-Netz.
Bleibt noch die Frage nach einer geeigneten Software. Das dem RaZberry-Modul beiliegende Image auf Basis der proprietären Lösung Z-Way [3] disqualifiziert sich im Rahmen des Vorhabens durch die Nähe zur Cloud des Betreibers. Nichtsdestotrotz eignet sich die Software für die ersten Schritte und Experimente. Sie lässt sich ohne viel Wissen über Linux oder RasPi OS in Betrieb nehmen [4].
Schöner wäre jedoch eine Lösung, die sich auf einem bereits installierten und im Haus aktiven Raspberry Pi integriert. So lässt sich der Nutzen eines zum Beispiel als Monitoring-Lösung genutzten RasPi ausbauen, ohne einen weiteren Mini-Rechner anschaffen zu müssen.
Für eben diesen Fall bietet sich die Software Home Assistant [5] an: Man kann sie in einer virtuellen Python-Umgebung betreiben, die Konfiguration erfolgt mithilfe eines Texteditors über einfache Konfigurationsdateien in der Auszeichnungssprache YAML. Das System unterstützt eine schier unüberschaubare Anzahl an Komponenten, inklusive des RaZberry-Moduls.
Home Assistant
Für einen Testaufbau integrieren wir eine Fibaro-Steckdose (Ein/Aus, Leistung und Verbrauch messen) (Abbildung 1), einen Multisensor (Temperatur, Helligkeit, Bewegung, Feuchtigkeit) (Abbildung 2) sowie einen Heizkörperthermostat in ein rudimentäres Smart-Home-System. Die Steuerung übernehmen das RaZberry-Modul sowie Home Assistant als Software.
Abbildung 1: Der Fibaro-Zwischenstecker schaltet nicht nur das angeschlossene Gerät, sondern misst auch Leistung und Verbrauch (Quelle: Amazon).
Abbildung 2: Der Multisensor registriert Temperatur, Luftfeuchtigkeit sowie Helligkeit und reagiert auf Bewegung (Quelle: Amazon).
Die Installation von Home Assistant erfolgt nun in einer virtuellen Python-Umgebung. Wer sich schon einmal mit Chroot-Umgebungen unter Linux beschäftigt hat, dürfte Ähnlichkeiten erkennen. Man richtet innerhalb des laufenden Systems eine Umgebung ein, die alle benötigten Bibliotheken und Binärdateien mitbringt. Das erleichtert später auch Backups der Home-Assistant-Installation: Ein Abbild läuft nach einem simplen Restore sofort wieder.
An zusätzlichen Paketen aus der Paketverwaltung des RasPi-Systems brauchen Sie lediglich Python sowie das Development-Paket libudev-dev zum Bau der Z-Wave-Module. Für Home Assistant richten Sie ein eigenes Benutzerkonto ein, etwa homeassist. Da die Kommunikation mit dem RaZberry-Modul über eine serielle Schnittstelle erfolgt, tragen Sie den User homeassist zudem in die Gruppen dialout, gpio und i2c ein.
Das alles erledigen Sie mit dem Kommando aus der ersten Zeile von Listing 1. Danach öffnen Sie die Konfigurationsdatei /boot/config.txt des RasPi-Systems in einem Texteditor und ergänzen dort die Zeile enable_uart=1. Anschließend bearbeiten Sie die Datei /boot/cmdline.txt und entfernen aus der Konfiguration den Abschnitt console=serial0,115200 console=tty1.
Die Einstellungen aktivieren Sie durch einen Neustart des Systems. Die Installation von Home Assistant erfolgt dann in einer virtuellen Python-Umgebung (Listing 1, ab der dritten Zeile). Der Befehl aus der letzten Zeile erledigt die die Grundkonfiguration von Home Assistant. Damit ist die Basisinstallation abgeschlossen.
Beachten Sie, dass beim Aktivieren von Komponenten in der Konfigurationsdatei von Home Assistant eventuell noch benötigte Module beim Neustart nachinstalliert werden. Stellen Sie das System also noch nicht an einem Platz auf, der über keinen Netzzugang verfügt – der Raspberry Pi braucht bis zur vollständigen Konfiguration eine Internet-Verbindung.
