Der Einstieg ins Smart Home – Aufbau des Z-Wave Netzwerks

Mit dem installierten Raspberry Pi /Razberry als Controller aus dem vorigen Abschnitt sind weitere Programmierkenntnisse nicht mehr vonnöten, um das Smart Home einzurichten. Stattdessen rückt die Planung und Aufbau der Komponenten in den Vordergrund. Meiner Erfahrung nach der spannendste Teil der Arbeit: Welche Komponenten sind notwendig, um den verfolgten Anwendungsfall umzusetzen. Wie sichert man sein Eigenheim ab? Wie verhindere ich, dass meine Dachfenster bei Regen automatisch aufgehen? Und vor allem: Wie bringe ich fertig, die Kaffeemaschine beim Klingeln meines Weckers loslaufen zu lassen?

Während die Instruktionen in den vorigen Teilen sehr spezifisch auf den Raspberry Pi als Controller bezogen haben, ist der Großteil dieses Abschnitts davon unabhängig. Die Art und Weise, wie die Komponenten des Smart Homes interagieren, sind so oder ähnlich auch auf andere Produkte anzuwenden.

Netzwerk-Grundlagen

Ein Z-Wave Netzwerk besteht aus einer zentralen Schalteinheit, dem so genannten Controller – in unserem Fall der Raspberry Pi -, und einer Vielzahl von Komponenten wie Thermostaten, Schaltern, Sensoren, Lampen etc. Die Kompontenen werden im Smart Home Sprachgebrauch als Aktoren bezeichnet. Die Aktoren bekommen ihre Anweisungen vom Controller, alles über das Z-Wave Funkprotokoll. Außerdem sind weitere statische oder portable Controller im Netzwerk möglich. Alle Komponenten des Netzwerks bilden dabei ein so genanntes vermaschtes Netz. Das bedeutet im Endeffekt: ein Befehl vom Controller kann auch indirekt bei einem Aktoren ankommen – auch wenn diese aufgrund ihrer Entfernung oder baulich bedingt keinen Funkkontakt haben. Ein Signal vom Controller wird dazu von verschiedenen Komponenten an andere weitergeleitet bzw. an ihr Ziel geroutet, wenn es nicht für ihn bestimmt ist.

Manche Aktoren eines Z-Wave Netzwerks sind direkt mit dem Stromnetz verbunden, z.B. Aufsteckdosen oder Unterputz-Module für Lichtschalter. Viele Aktoren besitzen jedoch eine Batterie, etwa Heizungsthermostate oder Sensoren. Vergewissern Sie sich also regelmäßig, ob die Komponenten noch funktionieren. Dies können Sie übrigens auch über die Web-Oberfläche des Controllers tun: Aktoren, die mehrfach nicht erreichbar waren, werden entsprechend gekennzeichnet.
Das Fähigkeiten, Signale im Netzwerk weiterzuleiten oder zu routen, hängt dabei auch von der Tatsache ab, woher eine Komponente seinen Strom bezieht. Batterie-gestützte Komponenten nehmen im Netzwerk weniger Funktionen war (im wesentlichen das Weiterleiten), Komponenten am Stromnetz unterstützen entsprechend mehr Funktionen. Zudem befinden sich Aktoren mit Batterien in der Regel in einem stromsparenden Schlafmodus und werden in definierten Intervallen oder bei bestimmten Ereignissen aktiv. Nach dem Erwachen und der Abarbeitung seiner Aufgabe (z.B. das Vermelden der Temperatur), verfällt der Aktor wieder in den Schlafmodus. Dieses Verhalten lässt sich pro Aktor einstellen. Und natürlich gilt: je häufiger ein Aktor aufwacht, desto mehr Strom verbraucht er und desto kürzer ist seine Batterie-Lebensdauer.

Inklusion

Die Aufnahme eines Aktors ins Netzwerk wird als Inklusion bezeichnet. Der Prozess der Inklusion kann sich je nach Aktor unterscheiden und ist in der jeweiligen Bedienungsanleitung beschrieben. Es kann sein, dass Sie z.B. bei einer Aufsteck-Steckdose lediglich auf einen Schalter klicken müssen. Bei Unterputz-Schaltern und -Dimmern, die in herkömmliche Lichtschalter in der Wand eingebaut werden, reicht in der Regel das Betätigen des Lichtschalters selbst. Sensoren, gerade diejenigen, die Wert auf Optik legen, müssen ggf. aufgeschraubt werden, um den Schalter für die Inklusion zu finden.

Egal, wie der Aktor dazu gebracht werden kann, sich ins Smart Home zu inkludieren: Ihr Controller muss sich gleichzeitig in einem speziellen Inklusions-Modus befinden und bereit sein, neue Aktoren ins Netzwerk aufzunehmen. Diesen Modus starten und beenden Sie über die Software – so auch bei unserem Aufbau mit dem Raspberry Pi – oder alternativ über einen Knopf am Controller. In den meisten Fällen beendet sich der Inklusionsmodus des Controllers aus Gründen der Sicherheit selbst nach einer gewissen Zeitspanne.

In allen Fällen gilt: Erst den Controller in den Inklusions-Modus versetzen, damit er nach neuen Aktoren sucht. Danach den Aktor mit einem Klick auf den jeweiligen Schalter dazu bringen, sich beim Controller anzumelden. Manchmal wird die erfolgreiche Inklusion vom Aktor angezeigt, z.B. über eine LED oder eine entsprechende Anzeige im Display (so etwa bei Heizungsthermostaten). Dieser Prozess funktioniert in dem Testaufbau mit dem Rasperry Pi makellos und geht schnell von der Hand, sobald man erst einmal bei neuen Aktoren den Inklusions-Schalter gefunden hat.

Die Benutzer-Oberfläche(n) des Z-Way Servers

Die Inklusion und Verwaltung der Aktoren in unserem Z-Wave Beispiel wird über eine Web-Oberfläche erledigt. Dafür umfasst der Z-Way Server auch einen Webserver, dessen Einstiegsseite Sie unter http://*ihre-lokale-ip*:8083 erreichen. Statt einer einheitlichen Verwaltungsoberfläche sind gleich mehrere vorhanden, die man alternativ verwenden kann. Unter anderem gibt es eine Oberfläche, die speziell für die Anzeige auf Mobiltelefonen angepasst ist.

Die Vielzahl an Oberflächen mag beim unbedarften Anwender erst einmal für Verwirrung bis Verärgerung sorgen, weil es den Einstieg erschwert. Wer sich im Einzelhandel einen Smart Home Controller kauft, wird darauf eine komfortable  und vor allem einheitliche Benutzeroberfläche erwarten. An dieser Stelle zeigt sich, dass die Z-Way-Anwendungen vornehmlich für Demonstrationszwecke gemacht ist. Der Hersteller weist in seinen Dokumentationen explizit auf die Existenz einer REST-Programmierschnittstelle hin, die man über eigene Web-Anwendungen ansprechen kann. Die vorhandenen Oberflächen sollen demnach nicht der Weisheit letzter Schluss sein, sondern vielmehr ein Ansporn, aufbauend auf den Schnittstellen eigene Anwendungen zu erstellen und zu vermarkten. Unter anderem ermöglichen die Schnittstellen auch mobile Anwendungen für Android und iOS – mehr dazu später.

Mein Rat: Obwohl die BlueUI (Old Expert UI) einen älteren Stand hat als die Expert UI, gefällt sie mir persönlich besser. Folglich nutze ich sie für die folgenden Instruktionen. Wenn Ihnen die Lust fehlt, alle Oberflächen zu testen, nutzen Sie einfach die einfach zu handhabende BlueUI im Einsteiger-Modus. Sobald Sie sich darin zurecht finden und mehr Funktionalität benötigen, wechseln Sie in den Experten-Modus. Mit der BlueUI können Sie unter anderem:

• Aktoren ins Netzwerk aufnehmen oder daraus entfernen
• Aktoren benennen und deren individuelle Einstellungen der Aktoren verwalten
• Einen Grundriss Ihres Hauses / Ihrer Wohnung hochladen und „Zonen“, z.B. einzelne Zimmer, einrichten
• Aktoren einzelnen Zonen zuorden.

Die Home Automation UI Oberfläche eignet sich allerdings eher dafür, Regeln zu erstellen, die Abläufe im Netzwerk verwalten. Damit werden also die Ergebnisse und die Fähigkeiten von Aktoren logisch verknüpft. Zum Beispiel: Der Sensor A liefert die Information, dass die Helligkeit unter 100 Lux gefallen ist. Daraufhin werden die Lampen im Raum eingeschaltet.

Da der Raspberry Pi in Ihr lokales Netzwerk eingebunden ist, können Sie die Bedien-Oberflächen auch über einen anderen PC im gleichen Netzwerk nutzen, z.B. von Ihrem normalen Laptop oder Tablet aus.

Testaufbau

Die Inklusion der Testaktoren geht immer von der BlueUI aus. Unter dem Menüpunkt „Network/Netzwerk“ findet sich die Schaltfläche „(Re-)include device“. Der aktivierter Inklusions-Modus bleibt nach dem Klick auf die Schaltfläche 20 Sekunden bestehen. Lesen Sie also zuerst in der Bedienungsanleitung eines Aktors nach, wie die Inklusion im Einzelfall vonstatten geht. Bei Aktoren, die über das Haus verteilt sind, lohnt sich ein Laptop oder ein Tablet, auf dem die BlueUI gestartet wird. Bei den Geräten im Testaufbau läuft die Inklusion wie folgt ab:

1. Der Düwi IP20 hat einen Schalter an der Vorderseite. Also: In die Steckdose stecken, Inklusion über BlueUI starten, Knopf auf dem Düwi IP20 drücken. Erfolg wird über LED vermeldet.
2. Der Danfoss Thermostat hat eine Batterie. Es wird empfohlen, den Thermostat erst am Heizkörper anuzbringen und zu justieren. Die Steuerung erfolgt über 3 Knöpfe und ein monochromes Display an der Vorderseite. Die Inklusion nach der Installation des Thermostats wieder über die BlueUI starten, danach den Schalter am Thermostat betätigen. Es erscheint eine Anzeige im Display bei Erfolg des Prozesses, die die Verbindung anzeigt.
3. Der Fibaro Sensor läuft ebenfalls über eine Batterie. Der Inklusionsschalter ist im Inneren des Gehäuses. Also nach dem Einlegen der Batterie nicht zuschrauben. Die Inklusion wieder ausgehend von der Web-Oberfläche starten und über den Schalter am Sensor bestätigen. Der Erfolg wird über ein Blinken der LED vermeldet.

Nach der Inklusion sind die Geräte in der Oberfläche unter dem Menüpunkt „Devices configuration/Gerätekonfiguration“ zu finden. Jedes Gerät hat seine eigenen Einstellungsparameter. Direkt nach der Inklusion stehen diese nicht unbedingt sofort zur Verfügung. Die Details (NIF) lassen sich aus einer Online-Datenbank für Z-Wave Geräte per Knopfdruck herunterladen. Gleichzeitig mit den Spezifikationen kommt dankenswerterweise in der Regel ein Bild des Geräts mit. Wenn Sie gleichzeitig mehrere Geräte in einem Rutsch ins Netzwerk aufnehmen, sind diese standardmäßig als Device1, Device2, etc. benannt. Erst durch das Herunterladen der Spezifikationen mit Bild gibt sich ein Gerät manchmal als solches zu erkennen. Einfacher wird die Sache jedoch nicht, wenn Sie am Stück ein Dutzend gleichartige Steckdosen am Netzwerk anmelden. Da hilft nur, die Geräte einzeln aufzunehmen und gleich zu benennen, wenn man nicht im Nachhinein mit einer Schreibtischlampe von Steckdose zu Steckdose gehen will, um durch Ein-/Ausschalten zu prüfen, welche Dose welchem Eintrag in der Web-Oberfläche entspricht.

Aktoren auslesen und steuern

Sind alle Aktoren aufgenommen, lassen sie sich unter dem Menüpunkt „Device control/Gerätesteuerung“ ansprechen. Bei Sensoren wie dem Fibaro sieht man die einzelnen Werte wie Temperatur, Helligkeit und die Aktivität des Bewegungssensors. Diese Werte lassen sich nicht über die Oberfläche beeinflussen, nur regelmäßig oder per Knopfdruck auslesen. Die Temperatur eines Thermostats und der Status einer Steckdose lassen sich natürlich neu setzen.

Für Bedienkomfort des Smart Home sorgen mobile Anwendungen. In den Stores von Google und Apple finden sich Z-Way Apps für die Smartphone Betriebssysteme. Zur Konfiguration genügt die Eingabe der IP Adresse des Raspberry PI sowie Login und Passwort des Z-Way Servers (siehe voriger Abschnitt), schon lassen sich die Aktoren des Netzwerks steuern und Sensorwerte auslesen. Die Apps sind erstaunlich gut und funktionieren einwandfrei.

Z-Way Android App

1. Einstieg – Hausautomatisierung mit Z-Wave
2. Installation des Razberry und Raspberry Pi
3. Aufbau eines Z-Wave Netzwerks
4. Erweiterungen – Apps und Automatisierung