Heimautomation mit KNX, DALI, 1-Wire und Co.

Stefan Heinle ist Diplom-Ingenieur der Elektrotechnik und begeisterter Heimautomatisierer. Er arbeitet als Leiter im Bereich Software-Plattformen für sicherheitskritische embedded-Systeme in der Luftfahrt. Sein Leitspruch für dieses Handbuch ist so einfach wie anspruchsvoll: (...) genau »das« Buch schreiben, das ich mir damals, als ich selbst in das Thema eingestiegen bin (und für mich die phantastischen Möglichkeiten eines SmartHomes entdeckt habe) gewünscht hätte. Kurz: Mission erfüllt.

Geleitwort. 39

       Vorwort. 40

       Einführung. 43

  1.  Motivation 'Intelligentes Wohnen'. 45

       1.1. Ein virtueller Rundgang. 45

       1.2. Smart Home, Heimautomation -- was ist das?. 50

       1.3. Die Wahl des Bussystems. 52

  2.  Entscheidung Smart Home: ja oder ja. 55

       2.1. Rechnet sich eine Businstallation für mich?. 55

       2.2. Das Smart Home und der Energieverbrauch. 56

       2.3. Wie bringe ich es meiner Frau bei?. 59

       2.4. Das Smart-Home-Gruselkabinett. 62

  3.  Die Smart-Home-Ausbaustufen. 65

       3.1. Die Smart-Home-Pyramide. 65

       3.2. Was können Sie von Ihrem Smart Home erwarten?. 68

  4.  Abstecher in die Praxis. 75

       4.1. Wegweiser. 75

       4.2. Ein erstes Praxisbeispiel: Temperatur messen mit dem Raspberry Pi. 77

  Grundlagen. 89

  5.  Die Elektrik im Wohnhaus. 91

       5.1. Überstromschutzeinrichtungen und Fehlerstromschutzeinrichtungen. 91

       5.2. Leitungsverlegung und Installationszonen. 97

       5.3. Die wichtigsten Installationsleitungen. 101

       5.4. Die IP-Schutzarten. 104

  6.  Grundwissen Elektronik und Digitaltechnik. 107

       6.1. Einfache Logikfunktionen. 107

       6.2. Flipflops. 108

       6.3. Schließer und Öffner. 109

       6.4. Wie funktioniert ein Regelkreis?. 110

       6.5. Hysterese. 113

       6.6. Die Einheit Lux. 115

  7.  Gebäudeautomation verstehen. 117

       7.1. Das Smart Home umfasst alle Gewerke. 117

       7.2. Vergleich mit der herkömmlichen Elektroinstallation. 121

       7.3. Basistechnologien für die Gebäudeautomation. 123

       7.4. Die KNX-Infrastruktur. 124

       7.5. Meistern Sie den Einstieg!. 129

  8.  Intelligent vernetzen mit EIB/KNX. 133

       8.1. KNX beherrscht verschiedene Übertragungsmedien. 135

       8.2. Die Topologie von KNX TP. 136

       8.3. Die physikalischen Adressen. 141

       8.4. Die Gruppenadressen. 142

       8.5. Die Topologie von KNX PL. 145

       8.6. Die Topologie von KNX RF. 148

       8.7. IP als Medium: KNXnet/IP. 149

       8.8. Wie funktioniert die Übertragung?. 151

       8.9. Die KNX-Protokolle. 155

  9.  Atmosphärisches Licht mit DALI. 167

       9.1. Was ist DALI?. 167

       9.2. Warum gibt es DALI?. 168

       9.3. Die DALI-Technik. 170

       9.4. Die DALI-Installation. 171

       9.5. DALI im Smart Home. 174

10.  1-Wire: nicht nur 'eine' Ader. 177

       10.1. 1-Wire-Grundlagen. 178

       10.2. Die Spannungsversorgung des 1-Wire-Bus. 183

       10.3. Die Architektur: Topologie von 1-Wire. 186

       10.4. Die 1-Wire-Identifikationsnummer. 189

       10.5. Die richtige Verkabelung. 189

       10.6. Die Überprüfung Ihres 1-Wire-Netzwerks. 191

       10.7. 1-Wire: So wird es professionell. 192

       10.8. Literatur. 194

11.  Energy Harvesting mit EnOcean. 195

       11.1. Der EnOcean-Standard. 196

       11.2. EnOcean im Einsatz. 200

       11.3. EnOcean im Smart Home. 202

12.  Weitere Technologien und Standards. 207

       12.1. Einfache serielle Verbindungen mit RS-232 und RS-485. 207

       12.2. DMX -- professionelles Licht aus der Bühnentechnik. 211

       12.3. ZigBee und Z-Wave. 214

       12.4. Ethernet -- der Standard in der vernetzten Welt. 218

       12.5. Funknetzwerke mit WLAN. 224

       12.6. Antriebe steuern mit SMI. 229

       12.7. Und es gibt noch mehr: HomeMatic, RWE SmartHome usw. 231

13.  Ausgewählte Netzwerkprotokolle. 235

       13.1. Das OSI-Referenzmodell. 235

       13.2. Netzwerke mit SNMP managen. 237

       13.3. Plug-and-play durch UPnP und DLNA. 247

14.  Linux kennenlernen. 253

       14.1. Sichere Verbindungen mit SSH. 253

       14.2. Das Terminal. 255

       14.3. Der Editor nano. 256

       14.4. Linux-Grundlagen. 257

       14.5. Die APT-Paketverwaltung. 264

       14.6. Der Linux-Startvorgang. 267

15.  Ihren Server administrieren. 275

       15.1. Gewinnen Sie Informationen aus Logdateien. 275

       15.2. Übersicht der wichtigsten Konfigurationsdateien. 277

       15.3. Verbindungsaufbau über Ports. 279

       15.4. Einfache Serverüberwachung per Webbrowser. 281

       15.5. Optimieren Sie Ihren Server. 282

       15.6. Wichtige Kommandos für den Administrator. 288

16.  Methodisch vorgehen: die UML. 295

       16.1. Motivation: Warum modellieren, warum UML?. 295

       16.2. UML-Diagrammtypen. 298

       16.3. UML-Tools. 300

  Vorbereitung und Planung. 303

17.  Starten Sie die Planung. 305

       17.1. Der Masterplan. 305

       17.2. Die wichtigsten Stakeholder. 307

       17.3. Bestimmen Sie Ihre Raumausstattung. 312

       17.4. Wichtige Hersteller. 320

       17.5. Das KNX-User-Forum. 321

18.  Fürs Grobe: Werkzeuge. 325

       18.1. Handwerkzeug. 325

       18.2. Elektrowerkzeug. 333

19.  Fürs Feine: Softwaretools. 335

       19.1. Schaltpläne zeichnen mit sPlan. 335

       19.2. Ideal für Tests: VirtualBox. 337

       19.3. Kreatives Planen mit Visio. 347

       19.4. Planen mit Excel. 350

       19.5. Wireshark -- der Protokoll-Analyzer. 353

       19.6. Kleine Helferlein für die Netzwerkdiagnose. 358

20.  Das richtige Installationsmaterial. 369

       20.1. Leitungen. 369

       20.2. Leerrohre. 377

       20.3. Installationsdosen. 382

       20.4. Installationsklemmen. 386

       20.5. Reihenklemmen. 389

21.  Die Smart-Home-Prinzipien. 397

       21.1. Was macht ein Eigenheim eigentlich smart?. 397

       21.2. Und was macht es nicht unbedingt noch smarter?. 398

       21.3. Goldene und silberne Regeln. 399

       21.4. Wichtige Grundsätze. 407

       21.5. Denken Sie in Szenen. 410

22.  Lernen Sie die Planungsschritte kennen. 417

       22.1. Wünschen Sie sich etwas: mit dem Raumbuch. 417

       22.2. Der Leitungsplan. 423

       22.3. Die Verteilerplanung. 425

       22.4. Der Stromlaufplan. 433

       22.5. Bedienkonzepte bei Schaltern. 434

       22.6. Logikanforderungen. 440

23.  Bares Geld sparen. 447

       23.1. Welche Arbeiten können Sie selbst durchführen?. 447

       23.2. Wie werden Leitungen eingezogen?. 448

       23.3. Die Komponenten einkaufen. 450

       23.4. KNX-Komponenten im Rechenbeispiel. 456

       23.5. Ansetzen der Preisschraube. 460

24.  Planen der Infrastruktur. 461

       24.1. Vernetzen der Subsysteme. 461

       24.2. Der strukturierte Ethernet-Netzwerkaufbau. 464

       24.3. Die Sicherheit von KNX. 465

       24.4. Schaffen Sie einen sicheren Netzwerkzugang. 469

       24.5. Das Netzwerk abschotten mit Firewalls. 473

       24.6. Ein Backup-System einrichten. 476

       24.7. Verschlüsselung der Daten. 483

       24.8. Denken Sie an den Energieverbrauch. 485

  Hardware. 491

25.  Schaltschrank -- der Maschinenraum. 493

       25.1. Hausanschlusskasten, Zählerschrank, Stromkreisverteiler. 493

       25.2. Der Stromkreisverteiler im Detail. 494

       25.3. Hinweise zur Dimensionierung, Installation und Platzierung. 497

       25.4. Ein 19-Zoll-Rack für Netzwerk und Multimedia. 498

26.  Den Bus versorgen: Spannungsquellen. 503

       26.1. Speziell: KNX-Spannungsversorgung. 503

       26.2. Die Drossel. 507

       26.3. Universell: REG-Spannungsquellen. 507

27.  Mit Schnittstellen auf den KNX-Bus zugreifen. 511

       27.1. Einfach: serielle Schnittstelle. 511

       27.2. Robust: USB-Schnittstelle. 513

       27.3. Komfortabel: IP-Schnittstelle. 514

       27.4. Flexibel: IP-Router. 517

       27.5. Extravagant: Der Raspberry Pi als KNX-Schnittstelle. 520

       27.6. KNX-Schnittstelle: eine Entscheidungshilfe. 522

28.  Geräte, Linien und Bereiche koppeln. 525

       28.1. Ein Einzelgerät anbinden: Busankoppler. 525

       28.2. Größer werden: Linienkoppler und Bereichskoppler. 527

29.  Messen mit Sensoren. 533

       29.1. Tür- und Fensterkontakte. 533

       29.2. Bewegungsmelder. 537

       29.3. Präsenzmelder. 544

       29.4. Wetterstation. 551

       29.5. Rauchwarnmelder. 556

       29.6. Wassermelder. 561

       29.7. Alarmmelder. 563

       29.8. Luftgütesensoren. 564

30.  Schalten mit Aktoren. 575

       30.1. Schaltaktor. 575

       30.2. Schaltaktor mit Strommessung. 580

       30.3. Analogaktor. 583

       30.4. Jalousieaktor. 585

       30.5. Rollladenaktor. 589

       30.6. Dimmaktor. 590

       30.7. Heizungsaktor. 594

       30.8. Lüfter und Fan-Coil-Aktor. 597

       30.9. Unterputzaktoren. 599

31.  Zustände erfassen durch Eingänge. 601

       31.1. Binäreingang. 601

       31.2. Universal-E/A-Konzentrator. 604

       31.3. Unterputzbinäreingang. 605

       31.4. Analogeingang. 607

32.  Multifunktionsmodule. 609

       32.1. Raum-Master. 609

       32.2. Raum-Controller. 610

33.  Welten verbinden mit Gateways. 613

       33.1. DALI-Gateway. 613

       33.2. DMX-Gateway. 619

       33.3. EnOcean-Gateway. 621

34.  Grenzenlose Möglichkeiten: LogikEngines. 627

       34.1. Intelligenz auf der Hutschiene: Logikbausteine. 628

       34.2. Zentrale Automatisierungsrechner. 633

       34.3. Automatisierungssoftware-Lösungen. 647

35.  Energiemanagement. 651

       35.1. Wege zur Stromverbrauchserfassung. 652

       35.2. Messen mit KNX-Stromzählern. 655

       35.3. Infrarotlesekopf. 657

       35.4. Eine unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV). 658

36.  Sicherheit und Überwachung. 663

       36.1. Der Überwachungsbaustein. 663

       36.2. Der Störmeldebaustein. 665

       36.3. Der Betriebsdatenerfassungsbaustein. 665

       36.4. KNX-Sicherheitsbausteine. 666

37.  Bedienen und visualisieren. 669

       37.1. Große Vielfalt: klassische Schalterprogramme. 670

       37.2. Große Flexibilität: Tastsensoren. 674

       37.3. Konventionelle und programmierbare Fernbedienungen. 684

       37.4. Intelligente IR-Steuerung. 688

       37.5. Die schnelle Anzeige über Signal-LEDs. 696

       37.6. Umfassend visualisieren mit Touchscreen. 701

       37.7. Von unterwegs: Smartphone. 706

38.  Vorschaltgeräte und Treiber. 709

       38.1. Elektronische Vorschaltgeräte einsetzen. 709

       38.2. Spannende Möglichkeiten mit DALI-EVGs. 712

39.  Bewegen mit Antrieben. 717

       39.1. Schließen nie mehr vergessen: Fensterantriebe. 717

       39.2. Sie werden es nicht mehr missen wollen: Motorschloss. 718

       39.3. Thermoelektrische und elektromotorische Stellantriebe. 720

40.  Audio im Smart Home. 725

       40.1. Lautsprecher: Wand, Decke, Standgerät. 725

       40.2. Klassisch verstärken in Stereo und Surround. 728

       40.3. Verstärker für Multiroom-Audio. 731

       40.4. Automatisierung eingebaut: KNX-Multiroom-Verstärker. 734

       40.5. Ton mit dem Rechner erzeugen: Soundkarten. 735

       40.6. Sonos und Squeezebox. 737

41.  Video im Smart Home. 739

       41.1. TV-Karten. 739

       41.2. Multiswitch. 740

       41.3. Das Smart-TV. 742

       41.4. Set-Top-Boxen und SAT-Receiver. 744

       41.5. Videomatrix. 750

       41.6. Beamer und Heimkino. 751

       41.7. DVD- und Blu-Ray-Player. 755

       41.8. Videoüberwachung. 756

42.  Netzwerkkomponenten einsetzen. 759

       42.1. Simpel: Der Hub. 760

       42.2. Robust: Der Unmanaged Switch. 761

       42.3. Flexibel: Der Managed Switch. 763

       42.4. Der Switch: Entscheidungshilfe. 765

       42.5. Netzwerke koppeln: Der Router. 768

       42.6. Clever verkabeln mit Power over Ethernet (PoE). 770

43.  Das Arbeitstier: Server. 773

       43.1. Der klassische Linux-Server. 773

       43.2. Klein und modern: Raspberry Pi, BeagleBone Black & Co. 782

44.  Speicher: Wohin mit den Daten?. 795

       44.1. Die Auswahl der richtigen Festplatten. 796

       44.2. Direct Attached Storage (DAS). 799

       44.3. Network Attached Storage (NAS). 801

       44.4. Der kleine RAID-Ratgeber. 805

       44.5. Speichern im Netzwerk: Ein Praxisbeispiel. 808

45.  Telefon, Türkommunikation und Zutrittskontrolle. 811

       45.1. SIP-Türsprechsysteme. 811

       45.2. Proprietäre Türsprechsysteme. 813

       45.3. Zutrittskontrolle: Alternativen zum Schlüssel. 816

       45.4. Telefonie. 822

46.  Wasser, Lüftung, Heizung, Haushaltsgeräte. 825

       46.1. Wasserenthärter. 825

       46.2. Lüfter. 827

       46.3. Kontrollierte Wohnraumlüftung (KWL). 828

       46.4. Heizungssystem. 829

       46.5. Schwimmbad. 836

       46.6. Intelligente Haushaltsgeräte. 837

  Software. 841

47.  KNX parametrieren mit der ETSSoftware. 843

       47.1. Die ETS installieren. 844

       47.2. Richten Sie Ihr eigenes KNX-Projekt ein. 846

       47.3. Geräte und Produktdatenbanken. 852

       47.4. Die Parametrierung von KNX-Geräten. 859

       47.5. Gruppenadressen und Verknüpfungen anlegen. 866

       47.6. Die Programmierung durchführen. 876

       47.7. Unverzichtbar: Der Gruppenmonitor und der Busmonitor. 886

       47.8. Gruppenadressen und Kommunikationsobjekte vertieft. 892

       47.9. Einrichten einer ETS-Lizenz. 897

       47.10. Fehlersuche mit der ETS. 900

       47.11. Ein Regelwerk zur KNX-Parametrierung. 904

48.  HomeServer Experte und Client kennenlernen. 909

       48.1. Installation und Grundeinstellungen. 910

       48.2. Arbeiten mit Kommunikationsobjekten. 915

       48.3. Logiken erschaffen. 921

       48.4. Webseiten abfragen und auswerten. 934

       48.5. Der Programmiervorgang. 937

       48.6. Das QuadConfig-Programm. 941

       48.7. Die Plug-ins der Quad-Visu. 943

       48.8. Der QuadClient. 954

       48.9. Schauen Sie dem HomeServer auf die Finger. 957

49.  Multimedia-Software: mächtig und kostenlos. 967

       49.1. MPD -- der Music Player Daemon. 967

       49.2. Tvheadend -- der Video-Streaming-Server. 978

       49.3. Kodi, ehemals XBMC -- ein luxuriöses Multimedia-Frontend. 981

50.  Erstaunliche Möglichkeiten mit Open-Source-Automation. 993

       50.1. libSML -- Zählerstände lesen. 993

       50.2. eibd -- der EIB-Daemon. 996

       50.3. Linknx -- Mehrwert für eibd. 1001

       50.4. OWFS -- ein Filesystem für 1-Wire. 1006

       50.5. FHEM -- die freundliche Hausautomation. 1011

       50.6. openHAB -- eine Metaplattform. 1018

       50.7. SmartHome.py -- ein modulares Framework. 1025

       50.8. smartVISU -- geniale kostenlose Visualisierung. 1031

       50.9. knockd -- ein Port-Knocking-Server. 1037

       50.10. RRDtool -- Datenbank nach Round-Robin-Prinzip. 1041

       50.11. lighttpd -- schlanker Webserver für Embedded Systeme. 1047

       50.12. Freetz -- alternative Firmware für die FRITZ!Box. 1051

       50.13. Cacti -- ein Monitoring-Paket. 1055

       50.14. v-control -- perfekte Heizungsansteuerung. 1060

       50.15. Kurzvergleich: Wie weltoffen sind die Open-Source-Automatisierungen?. 1061

51.  Weitere kommerzielle und nicht kommerzielle Software. 1065

       51.1. IP-Symcon -- einsteigerfreundliche Automatisierung. 1065

       51.2. Professionelle Beleuchtungsplanung mit DIALux. 1068

       51.3. Das i-bus Tool -- Inbetriebnahmehilfe für ABB-Komponenten. 1069

  Realisierungen. 1071

52.  Licht steuern. 1073

       52.1. Einfache Lichtsteuerung. 1073

       52.2. Dimmbares Licht. 1079

       52.3. Präsenzgesteuerte Beleuchtung. 1085

       52.4. Farbenfroh mit DALI. 1091

53.  Steckdosen schalten. 1097

       53.1. Schalten mit einfachen Aktoren. 1097

       53.2. Mehr Möglichkeiten durch Stromerkennung. 1098

54.  Jalousien steuern. 1103

       54.1. Behang und Lamellen steuern. 1103

       54.2. Einen Innenrollladen bewegen. 1111

       54.3. Automatiksteuerung mit Wetterzentrale. 1113

55.  Heizung und Raumtemperatur regeln. 1123

       55.1. Den Wärmeerzeuger steuern. 1123

       55.2. Wohlfühlraumtemperatur mit Einzelraumregelung. 1125

       55.3. Erweiterungen und Alternativen. 1138

56.  Vernetztes Hören mit Multiroom Audio. 1141

       56.1. Was benötigen Sie für Ihr eigenes Multiroom-System?. 1142

       56.2. Das Konzept. 1143

       56.3. Aufbau der Multiroom-Hardware. 1144

       56.4. Die Software für Server und Client. 1147

       56.5. Die Ansteuerung. 1152

57.  So sieht man Fernsehen heute. 1157

       57.1. Zentrale Medienbibliothek. 1158

       57.2. Fernbedienung: CEC oder IR-Empfänger. 1163

       57.3. Luxuriös fernsehen mit Videoclients. 1164

       57.4. Videoserver und Streaming einsetzen. 1168

       57.5. Mobil fernsehen. 1169

       57.6. Integration ins Smart Home. 1170

58.  Machen Sie Ihr Heim sicher. 1173

       58.1. Realisieren Sie eine kleine Alarmanlage. 1173

       58.2. Rauchwarnmelder installieren und abfragen. 1176

       58.3. Möglichkeiten zur Alarmierung. 1180

       58.4. Schneller Überblick mit Zustandsanzeigen. 1182

       58.5. Einsatz von Außenkameras. 1189

       58.6. Anwendungsszenario Zutrittskontrolle. 1191

59.  Aufbau eines professionellen 1-Wire-Systems. 1195

       59.1. Der Hardwareaufbau. 1195

       59.2. Einsatz des Wiregates. 1197

60.  Überblick: Programmierung für den Automatisierer. 1201

       60.1. Überblick über die wichtigsten Sprachen. 1201

       60.2. Einrichten einer Cross-Entwicklungsumgebung. 1204

61.  Die Möglichkeiten von Smart Metering. 1215

       61.1. Wichtige Logfiles und Config-Dateien. 1216

       61.2. Anschluss der Sensorik an den Messclient. 1217

       61.3. Konfigurieren Sie den Smart-Metering-Server. 1218

       61.4. Konfigurieren Sie den Messclient. 1235

       61.5. Die Erstellung eines collectd-Exec-Skripts. 1237

       61.6. Alles zusammen. 1241

62.  Unkonventionelle Projekte -- oder warum brauche ich einen Bewegungsmelder unter dem Bett?. 1243

       62.1. Der Bewegungsmelder unter dem Bett. 1243

       62.2. Aktienkursabhängige Beleuchtungssteuerung. 1244

63.  Wenn es mal nicht so will: Troubleshooting. 1249

       63.1. Generelle Erste-Hilfe-Tipps. 1249

       63.2. Verstehen, wo es klemmt -- mit strace. 1251

       63.3. Reparieren Sie den GRUB-Bootloader. 1254

  Index. 1255