Das automatische Heim mit ZigBee

HomeAutomation, Home Automation, Smart Home sind gängige Begriffe, Hausautomation ist der Versuch einer Übersetzung. Ich probiere es mit dem „automatischen Heim“ – auch nicht ideal. Eine gut klingende Übersetzung schaut anders aus. Na gut, dann bleiben wir eben bei „Home-Automation“ – nicht der erste Anglizismus, an den wir uns gewöhnen. Google liefert rund 370 Millionen Einträge für Home-Automation.

Was ist ZigBee?

Die Wikipedia gibt Auskunft: https://de.wikipedia.org/wiki/ZigBee.

ZigBee ist eine Spezifikation für drahtlose Netzwerke mit geringem Datenaufkommen und geringem Stromverbrauch wie beispielsweise Hausautomation, Sensornetzwerke, Lichttechnik. ZigBee-Geräte kommunizieren in einem Mesh-Netzwerk bzw. einem Ad-hoc-Netz. Das heißt, wenn ein Kommunikationspfad im ZigBee-Netzwerk ausfällt, wird stattdessen ein anderer Pfad im Netzwerk verwendet. Der Schwerpunkt von ZigBee liegt in kurzreichweitigen Netzwerken bis 100 m im Innenbereich und bis 300 m in Sichtlinie.

Der Name ZigBee wurde aus dem „Zick-Zack-Tanz“ der Honigbienen abgeleitet.

Die aktuelle Version ist 3.0. ZigBee arbeitet wie Bluetooth und WLAN auf den bewilligungsfreien Frequenzen im 2,4 Ghz-Band. Alternativen sind beispielsweise Z-Wave oder Komponenten, die im WLAN angemeldet sind. Aber warum ZigBee?

ZigBee ist inzwischen zur Connectivity Standard Alliance (csa) geworden. ZigBee wurde sogar bei der letzten Mars-Mission der NASA eingesetzt.

• Preiswerte ZigBee-Komponenten werden u.a. von Lidl, IKEA und AliExpress angeboten. Aber auch andere große Hersteller, wie Philips, Huawei, Somfi, Osram oder Siemens sind dabei. Alle Geräte mit dem ZigBee-Standard können miteinander kommunizieren.
• Eine kurze Kontrolle über eine App liefert bei mit 60 Access-Points in unmittelbarer Nähe. Das hat zur Folge, dass WLAN-basierende Komponenten nicht sicher angesteuert werden. ZigBee ist für geringere Datenübertragungsraten und höhere Sicherheit ausgelegt.
• Viele Home-Automation-Komponenten kommen von Tuya (auch wenn ganz andere Bezeichnungen draufstehen). Die zugehörigen Apps melden sich bei einem chinesischen Server an und benötigen auch noch Zugang zum heimischen WLAN mit UserID und Password. Gefälschte oder umprogrammierte Komponenten können damit den Zugang zum Heimnetzwerk öffnen. Siehe https://www.heise.de/ct/artikel/Tuya-Neuer-Update-Prozess-gehackt-4578042.html. Für ZigBee-Komponenten gibt es zwar auch diese Apps, aber mit einfachen Mitteln kann ein lokales ZigBee-Netz aufgebaut werden.

Drei Gruppen von ZigBee-Komponenten

Koordinator

ZigBee Coordinator, ZC. Wird als Bridge, Hub oder gateway verkauft.

Jedes Netzwerk muss genau einen Koordinator haben. Der Koordinator legt die Konfiguration des Netzwerks fest. LAN – Programmierung. Ferner hat er nach Start des Netzwerks die Aufgabe eines Routers. Das Lidl “SILVERCREST Gateway” oder das IKEA “TRÅDFRI Gateway” sind Koordinatoren.

Router

ZigBee Router, ZR

ZigBee baut ein eigenes Mesh-Netzwerk auf. Damit können auch entlegenere Teile einer Wohnung oder eines Hauses erreicht werden. Router transportieren Pakete durch das Netzwerk und sorgen dafür, dass Pakete beim Ausfall einer direkten Verbindung über Umwege ans Ziel gelangen. Als Faustregel gilt: Komponenten, die ständig mit dem Stromnetz verbunden sind, sind Router.

Endgerät

Auch ZigBee End Device, ZED

Endgeräte kommunizieren mit einem Router, nehmen aber nicht am Routing teil. Endgeräte haben meist einen minimalen Energiebedarf und können daher über Batterien betrieben werden. Beliebt: CR2025-Knopfzellen mit 3 Volt Spannung.

Erste Experimente

Neugierig geworden? Schauen wir einmal, was wir als minimale Ausstattung benötigen. Ich schlage hier ein paar Teile vor, die in Lidl-Supermärkten erhältlich sind. (Ich bekomme keine Prozente von Lidl. Aber Lidl-Märkte gibt es in ganz Österreich und die Teile sind wirklich recht preiswert. Leider ist nicht immer alles lagernd. Es zahlt sich aus, die aktuellen Angebote zu studieren. Siehe https://www.lidl.at/smart-home)

Aktoren

Komponenten (meistens Router), über die Verbraucher ein- und ausgeschaltet werden können.

Zwischenstecker

Aktueller Preis: 9,90 €

Der Knopf auf der Oberseite enthält eine LED, die den Zustand anzeigt. Mit dem Knopf kann der angeschlossene Verbraucher von Hand aus geschaltet werden. Ferner dient der Knopf zum Zurücksetzen und Anmelden im Netzwerk(“pairing”).

Lampen

LIVARNO LUX, von 9,90 € bis 14,90 €, mit E27- oder E14-Gewinde, 4,5 W bis 9 W, RGB-Farben oder Weißton-Farben, dimmbar.

Sensoren

Für unsere Experimente brauchen wir auch Sensoren, zum Beispiel einen Klingeltaster (Türklingel), einen Bewegungsmelder oder einen Türkontakt. Alle Komponenten liegen im Bereich von 10 € bis etwa 15 €.

SILVERCREST Türklingel

SILVERCREST Bewegungsmelder

SILVERCREST Tür- und Fensterkontakt

Aber für alle genannten Teile benötigen wir einen Koordinator, ein Gateway.

Der einfache Weg

Wir kaufen ein Gateway, in dem Fall ein SILVERCREST Gateway um ca. 20 €, laden die App herunter, verbinden das Gateway mit einer USB-Spannungsquelle und dem LAN, melden uns an, nehmen dabei vermutlich die Dienste des chinesischen Tuya-Servers in Anspruch und können uns an einer einfachen Home-Automation erfreuen.

Das Kapitel für Nerds

Zur Einstimmung ansehen:

Ja, wir wollen unser eigenes ZigBee-Netzwerk aufbauen. Ohne eine App, die nach Hause telefoniert. Als Koordinator verwenden wir für die ersten Experimente unseren PC mit einem passenden USB-Stick. Da der PC ständig laufen müßte, wollen wir ihn später durch einen Raspberry ersetzen.

Empfohlene Sticks sind unter https://www.zigbee2mqtt.io/guide/adapters/ zu finden. Zum Ausprobieren reicht auch ein Stick um 12,99 € (ITSTUFF CC2531 USB Stick Zigbee ioBroker FHEM openHAB zigbee2mqtt mit Firmware), aber da ist die Hardware veraltet. Sticks mit dem CC2652 gibt es ab etwa 30 €.

Software

Wir benötigen Software

• um JavaScript lokal verwenden zu können,
• zum Ansteuern des Sticks und
• zum Entwurf des ZigBee-Netzwerks

Kurzanleitung für besonders eilige Windows-Nutzer:

• Adapter anstecken
• Geräte-Manager öffnen (Rechts-Klick auf das Windows-Symbol, Geräte-Manager auswählen)
• Anschlüsse wählen
• Der Stick findet sich als Bridge o.ä., daneben steht eine COM-Nummer, z.B. COM17
• Nodejs installieren:
  https://nodejs.org/dist/v16.13.1/node-v16.13.1-x64.msi
  herunterladen und ausführen
• Kommando-Zeile öffnen
• Neues Verzeichnis erstellen, z.B. mkdir C:\zigbee
• In das Verzeichnis wechseln: cd C:\zigbee
• Ist nodjs bereit?  node -v eingeben
• Ergebnis ist die Versionsnummer, zum Beispiel v16.13.1
• zigbee2mqtt installieren: 
  git clone git@github.com:Koenkk/zigbee2mqtt.git
• Node-Red installieren:
  npm install -g –unsafe-perm node-red
• Die Datei
  C:\zigbee\zigbee2mqtt-master\data\configuration.yaml
  in einem Editor öffnen
• Die Zeilen
  serial:
    port: \\.\COM17
  nach dem mqtt:-Block einfügen. serial steht in Spalte 1. Die Datei speichern und den Editor schließen.
• Zurück zur Kommando-Zeile und ins Verzeichnis
  \zigbee\zigbee2mqtt-master
  wechseln:
  cd zigbee2mqtt-master
• zigbee2mqtt starten: npm start
• Noch eine Kommando-Zeile öffnen
• Mit cd C:\zigbee\node-red in das Node-Red-Verzeichnis wechseln
• Node-Red mit node-red starten
• Ein Browser-Fenster öffnen und localhost:1883 eingeben
• Nun sollte die Node-Red-Benutzeroberfläche erscheinen

Hier das Ganze noch einmal im Detail:

NodeJS installieren

NodeJS ist eine Laufzeitumgebung für JavaScript. Jeder Browser versteht JavaScript. Deshalb wird JavaScript vor allem in Webseiten zu deren Steuerung verwendet. Mit NodeJS können JavaScript-Programme auch auf einem Rechner direkt ausgeführt werden.

Zigbee2mqtt installieren

Das Programmpaket zigbee2mqtt stellt für unterschiedliche Hardwarekomponenten die notwendigen Steuerbefehle bereit.

Die Installation ist unter
https://www.zigbee2mqtt.io/guide/installation/04_windows.html im Detail beschrieben.

MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) ist ein Protokoll für Netzwerke mit geringer Bandbreite und wird gerne für das Internet-Of-Things (IoT) eingesetzt (siehe https://de.wikipedia.org/wiki/MQTT). MQTT bietet detaillierten Zugriff auf die Funktionen der Komponenten, beispielsweise um folgenden Befehl umzusetzen: “Schalte den Ventilator ein, wenn die Luftfeuchtigkeit über 70% liegt”. Zigbee2mqtt übersetzt MQTT-Befehle in ZigBee-Befehle, der Stick sendet sie. Mehr dazu:
https://www.zigbee2mqtt.io/advanced/zigbee/01_zigbee_network.html#zigbee2mqtt

Node-Red

Node-Red (https://nodered.org) ist ein sehr schönes grafisches Entwicklungswerkzeug, das von IBM entwickelt worden ist und seit 2016 Open Source ist. Das Programm ist in JavaScript geschrieben. Um es am PC starten zu können, muss zuerst Node.js installiert werden:

https://nodesource.com/blog/installing-nodejs-tutorial-windows

Dann kommt Node-Red dran:

https://nodered.org/docs/getting-started/local

Recht nett: Node-Red zeigt die Struktur des Mesh-Netzwerks samt Gewichtung der Verbindungen mit dem Menü-Punkt “Map” grafisch an.

Arbeiten mit Node-Red

Mit Node-Red kann auf einer grafischen Benutzeroberfläche die komplette Haussteuerung entworfen und programmiert werden. Ja, es macht Spass und schaut auch gut aus. Nur zur Demonstration ein ganz einfaches Beispiel:

• Der “Taster” ist ein realer Taster von Sonoff. Das Objekt “Testsignal” existiert nur auf der Programmieroberfläche und kann in dem grauen Feld links angeklickt (=aktiviert) werden.
• In beiden Fällen wird das gleiche Signal erzeugt. Es lässt sich am besten in der JSONata-Form beschreiben, aber die Details heben wir uns für einen späteren Beitrag auf.
• Nächster Block: wenn das erwartete Signal erkannt wird, wird das “Umformen” aktiviert.
• Der Block “Umformen” erzeugt nun ein Toggle-Signal, also einen Umschaltbefehl, der sowohl an die Filamentlampe von Lidl wie auch an die Kontrollanzeige weitergegeben wird. Die Ergebnisse: die Lampe schaltet um und im Protokoll ist der Umschaltbefehl nachzulesen.

Zu Node-Red gibt es eine große Anzahl von Anleitungen im Internet. Hier ein Vorschlag:

https://www.scm-pc-card.de/media/pdf/df/51/18/node-red.pdf

Details zu Komponenten

IKEA

Etwas enttäuschend.

• Der TRÅDFRI-Zwischenstecker hat keinen Knopf, um den Verbraucher von Hand aus ein- und ausschalten zu können.
• Der Taster kann genau eine Lichtszene steuern, nicht mehr.
• Es gibt auch einen eigenen Signal-Repeater. Aber wozu braucht man den in einem Mesh-Netzwerk? Da sollte doch der nächstgelegene Router reichen.

ZigBee-Switches

Ja, ich verwende absichtlich das Wort “Switches”, weil die Komponenten meistens unter diesem Begriff geführt werden. Es sind funkgesteuerte Relais, die oft auch über einen Schalter oder Taster direkt angesteuert werden können. Diese Komponenten sind in Hausinstallationen besonders häufig zu finden. Das erklärt wohl auch die große Auswahl an unterschiedlichen Modellen und Funktionen. Wichtig ist das “Pairing”, damit eine neue Komponente vom System erkannt wird. Meistens reicht es, den Reset-Knopf ein paar Sekunden lang gedrückt zu halten. Aber es gibt auch wesentlich kompliziertere Prozeduren. Bitte die Anleitung daher studieren oder auf https://www.zigbee2mqtt.io/supported-devices/ nachschauen.

Hier ein paar Beispiele (alle von AliExpress):

(1) Einfacher Schalter

Das Bild erklärt schon alles: links der Eingang (Phase und Neutralleiter), rechts der Ausgang. Der Switch wird durch Pairing in das Home-Automation-System übernommen und schon kann es losgehen.

Preis: 12,33 €

(2) Schalter mit lokaler Steuerung

Natürlich kann der Stromkreis über das ZigBee-Netz ein- und ausgeschaltet werden. Zusätzlich ist ein Anschluss für einen lokalen (vielleicht schon vorhandenen) Schalter vorgesehen. Das Interessante dabei: der von ZigBee bestimmte Zustand (ein/aus) und der externe Schaltzustand (ein/aus) sind über ein Exklusiv-Oder verknüpft. Das heißt, dass der Verbraucher lokal oder über das ZigBee-Netz ein- und ausgeschaltet werden kann, unabhängig vom Zustand der jeweils anderen Steuerung.

Zu beachten:

• Die Skizze ist nicht die Innenschaltung, sondern zeigt, wie Phase (L), Neutralleiter (N), Verbraucher (L^out) und Schalter (S1) außen anzuschließen sind.
• Diese Komponente benötigt den Anschluss von Phase und Neutralleiter. Siehe auch (3). Das kann zu einem Problem werden: in den wenigsten Schalterunterputzdosen ist der neutrale Leiter verfügbar. Und das Nachziehen eines Leiters ist meistens mit großem Aufwand verbunden.
• Manche Switches können auf den switch_mode “toggle” oder “momentary” eingestellt werden:
  • Kurze Begriffserklärung: Ein Lichtschalter (Ein/Ausschalter) heißt englisch toggle switch oder rocket switch. Ein Taster ist ein push button, momentary switch oder non-latching switch.
  • Beim “toggle” übernimmt der Ausgang den Zustand des Schalters: Schalter ein = Lampe ein, Schalter aus = Lampe aus. Der Switch verhält sich also wie ein üblicher Lichtschalter.
  • Bei der Einstellung “momentary” wird beim ersten Schalterdruck (oder besser Tastendruck) das Licht eingeschaltet, beim zweiten Mal ausgeschaltet. Das entspricht einem herkömmlichen Stromstoßrelais.
  • Aber unabhängig davon kann der Verbraucher immer auch über das ZigBee-Netz ein- oder ausgeschaltet werden.

Preis: 16,55 €

(3) Doppelschalter in einer Unterputzdose

So könnte die Montage aussehen. Aber:

• Ist die Unterputzdose wirklich tief genug? Bei Wänden in Trockenbauweise wahrscheinlich kein Problem, bei einer Ziegel- oder Betonmauer schon. Die beiden Schaltereingänge S1 und S2 werden gegen die Phase (rot) geschaltet, also müssen sie auch den Sicherheits­bestimmungen entsprechen.
• Und wieder will der Switch den Anschluss an den Neutralleiter.

Preis: 11,90 €

(4) Schalter mit zusätzlicher RF-Steuerung

Dieser Switch hat die gleichen Anschlüsse wie (2). Zusätzlich kann der Schaltzustand über ein Funksignal (433 MHz) umgeschaltet werden. Der Ausgang kann also von drei Stellen aus gesteuert werden:

• Über das ZigBee-Netz
• Je nach Einstellung über einen lokalen Schalter oder Taster
• Über die Funkfernbedienung

Recht praktisch, aber wieder ist der notwendige Anschluss des Neutralleiters ein Problem.

Preis: 13,88 €

(4a) Funkfernsteuerung (433 MHz)

Es gibt unzählige Modelle, hier ein Beispiel mit 2 Tasten. Auch für den RF-Teil ist ein Pairing erforderlich.

Preis: 3,47 €

(5) Doppelschalter mit potentialfreiem Kontakt, ohne Neutralleiter

Ja, das schaut jetzt sehr gut aus!

• Die beiden Verbraucher hängen an L1 und L2.
• Der Neutralleiter wird nicht benötigt (natürlich hängt das andere Ende der Verbraucher dran).
• Die beiden Schalter (S1, S2) sind potentialfrei. Ich habe 3,3 Volt und einen Steuerstrom von 0,5 Milliampere gemessen. Hat auch mit einem Optokoppler problemlos funktioniert!

Was wir jetzt noch brauchen, ist ein Hersteller, der Lichtschalter mit folgenden Eigenschaften anbietet:

• Übliches Design, passend zu den anderen Elementen, wie etwa Steckdosen
• Flache Bauweise
• Kontakte für Kleinspannung dimensioniert
• An eine Unterputzdose anschraubbar oder mit Befestigungsmöglichkeit für ZigBee-Switches
• Faire Preise

Vielleicht kennt ein Leser ein passendes Angebot?

Preis: 13,18 €

(6) Mehrfachschalter

Hier ein Beispiel eines Dreifachschalters. Auch als Vierfachschalter erhältlich, aber immer nur mit potentialfreien Kontakten. Dieser Switch verlangt den Neutralleiter. Es gibt auch Modelle ohne Neutralleiteranschluss.

Preis: 20,40 €

Zusammenfassung

Bei der Wahl eines Switches bitte folgende Punkte beachten:

• Für ZigBee geeignet? Es gibt ähnliche Komponenten, meistens sogar billiger, die aber nur in einem WLAN-Netz verwendet werden können.
• Ist ein neutraler Leiter notwendig bzw. verfügbar?
• Manche Switches, die keinen Neutralleiter benötigen, erfordern eine Überbrückung der Last mit einem Kondensator. Ist das notwendig? Ist das möglich?
• Sollen die Schalteingänge gegen die Phase geschaltet werden oder potentialfrei sein oder ist überhaupt ein Schalteingang notwendig?
• Was wird benötigt: toggle, momentrary oder beides (programmierbar)?
• Zusätzliche 433-MHz-Funksteuerung gewünscht?
• Dimmerfunktion gewünscht? Die habe ich hier nicht beschrieben, aber auch derartige Komponenten sind erhältlich.
• Spezialteile zur Vorhang- oder Rollladensteuerung gewünscht? Gibt es auch!
• Realistischer Preis? Ähnliche Produkte wie hier beschrieben werden auch um 30 €, 40 €, ja bis zu 70 € im Internet angeboten. Ich vermute einmal, dass in den meisten Fällen derselbe Hersteller (Tuya?) liefert. Da gibt es wohl ein paar Goldgräber, die die Homeautomation-Welle für sich nutzen wollen. Geringerer Preis bedeutet oft etwas längere Lieferzeiten. Aber auch da gibt es Fortschritte: manche AliExpress-Verkäufer liefern bereits über europäische Lager aus – damit schrumpfen die Lieferzeiten auf ein paar Tage. Die Mehrwertsteuerverrechnung, also der Kaufbetrag inklusive Mehrwertsteuer, macht in letzter Zeit auch (fast) keine Probleme mehr.

Ein Sechsfachtaster

Unsere Switches müssen über Schalter gesteuert werden, die im Raum verteilt werden können. Das Bild zeigt eigentlich die Startseite eines Videos. Ich habe das Bild trotzdem genommen, weil gut zu erkennen ist, wie flach der Schalter ist. Sechs verschiedene Verbraucher können gesteuert werden. Aber es sind noch mehr, wenn man Doppelklicks oder lange Klicks dazu nimmt. Der Schalter kann an die Wand oder ans Fenster oder eine Glastür geklebt werden. Versorgt wird alles von einer 3 Volt-Batterie.

Preis: 29,38 €

Vorschau auf weitere Artikel

Für die nächsten Ausgaben der PCNEWS geplant:

Alexa: die ZigBee-Home-Automation kann auch über Alexa gesteuert werden.

Telegram: die ZigBee-Home-Automation kann bei Änderungen Textnachrichten via Telegram verschicken. Und auch umgekehrt kann – beispielsweise über ein Telegram-Menü – ein Verbraucher gesteuert werden.

Tuya-Komponenten: Tuya hat ja ein eigenes Ecosystem mit eigenen Servern, an denen sich die Gratis-Apps anmelden. Hier haben wir gesehen, wie ZigBee-Komponenten ohne diese Server arbeiten. Aber Tuya will natürlich sein System in den Vordergrund stellen. Daher sind für manche Komponenten zusätzliche Schritte notwendig, um sie in der eigenen Home-Automation-Steuerung verwenden zu können. Zum Nachlesen: https://edv.mueggelland.de/tuya-geraete-mqtt-lokal-ohne-cloud/

Raspberry: Zum Testen ist der PC ja recht praktisch, aber für den dauernden Einsatz sollte ZigBee auf einem stromsparenden Rechner laufen. Ein Raspberry eignet sich ausgezeichnet. Die Erfahrungen damit sind wohl einen Beitrag wert.

Das Projekt “Stiegenhausbeleuchtung“: meine Stiegenhausbeleuchtung wird über ein Stromstoßrelais ein- und ausgeschaltet. Bei jedem Impuls wird ein Zahnrad um einen Schritt weitergedreht. Bei meinem Relais ist ein Zahn abgebrochen, daher muss der Taster dreimal (statt einmal) betätigt werden. Ein neues Relais kaufen? Nein, ein interessanter Einsatz für ZigBee. Im Beitrag wird die Steuerung mit Bewegungsmelder, Kurzzeitschaltung und astronomischer Uhr kombiniert.

Empfohlene Links

• https://www.zigbee2mqtt.io
• https://www.heise.de/ct/artikel/Tuya-Neuer-Update-Prozess-gehackt-4578042.html
• https://www.homeandsmart.de/zigbee-funkprotokoll-hausautomation