Raspberry Pi ZigBee Gateway » ZigBee-Geräte mit dem Raspberry Pi steuern
Veröffentlicht: 03.07.2024 | Lesedauer: 7 Minuten
Mit einem ZigBee-Gateway machen Sie den Raspberry Pi zur universellen Steuerzentrale für ZigBee-Geräte. ZigBee ist eines der wichtigsten Übertragungsprotokolle für Mess- und Steuerungsaufgaben mit geringem Datenaufkommen. Gleich ob für Privaträume, Büros oder den gewerblichen Sektor: ZigBee hat sich als ein kostengünstiger Standard zur Gebäudeautomation, Fernsteuerung und dem Internet of Things (IoT) etabliert.
Es vernetzt drahtlose Sensoren und Aktoren über eine Steuerzentrale miteinander, beispielsweise Lampen, Funksteckdosen, Bewegungsmelder, Taster und viele weitere Geräte.
Mit ZigBee genügt ein simpler Sprachbefehl oder Druck auf einen Funktaster, um Räume in die gewünschte Lichtstimmung zu versetzen oder Funksteckdosen im ganzen Haus zu schalten. Die ZigBee-Steuerzentrale, Bridge oder der Hub verbindet die einzelnen ZigBee-Geräte miteinander. Ein ZigBee-Gateway für Ihren Raspberry Pi ersetzt die Funkzentralen der verschiedenen Hersteller. Es bündelt deren Funktionen in einem einzigen Gateway. So lassen sich alle ZigBee-Geräte im Gebäude ohne eigenes Gateway und ohne Cloud steuern.
Philips Hue, Ikea Tradfri, Ledvance/Osram Smart +, Paulmann LED, Müller Licht und Q-Leuchten: Vor allem Beleuchtungssysteme verwenden das energieeffiziente Funkprotokoll ZigBee. Produkte von Bosch Smart Home, Homee, Samsung und Xiaomi nutzen ZigBee zur Koordination von Bewegungs-, Rauch- und Wassersensoren, Schaltern und Alarmsirenen. Zu jedem dieser Systeme gehört eine eigene ZigBee-Bridge als Funkzentrale. Sie bildet eine Brücke zwischen den Geräten, dem WLAN, der Cloud des Herstellers und der Steuerungs-App auf Ihrem Smartphone.
Ein ZigBee-Gateway wie das RaspBee II macht den Raspberry Pi zur ZigBee-Bridge für sämtliche bei Ihnen installierten Devices. Es schaltet die ZigBee-Clients zu einem einheitlichen Smart Home-Netzwerk mit zentraler Steuerung zusammen. Sie haben damit nur noch eine einzige Bridge, die alle ZigBee-Geräte vernetzt. Damit können Sie proprietären Steuerzentralen wie der Philips Hue-Bridge oder dem Tradfri-Gateway von Ikea den Rücken kehren.
Hintergrund: Theoretisch sind ZigBee-Devices unterschiedlicher Hersteller ab ZigBee 3.0 untereinander weitgehend kompatibel. Mit der Philips Hue-Bridge lassen sich zum Beispiel Ikea-Tradfri-Leuchtmittel koppeln und gemeinsam steuern. In der Praxis funktioniert die Interoperabilität zwischen den Geräten unterschiedlicher Hersteller aber häufig nicht reibungslos. Das Zusammenspiel beschränkt sich meist auf Grundfunktionen wie Licht ein/aus, Dimmen, RGB-Farbton wählen und Timersteuerung.
Gerätespezifische Funktionen stehen Ihnen nur mit der Bridge und App des jeweiligen Herstellers zur Verfügung. So laufen am Ende doch wieder mehrere Bridges in einem Gebäude, die Strom verbrauchen und nicht gerade dem Gedanken einer einheitlichen Steuerung entsprechen. Ein ZigBee-Gateway für Ihren Raspberry Pi befreit Sie von Kompatibilitätseinschränkungen bei der Heimautomation.
Ein ZigBee-Gateway wie RaspBee II ist ein platzsparendes, kostengünstiges Hardware-Erweiterungsmodul in Form eines Funkadapters für den Raspberry Pi. Der Adapter wird in zwei Varianten angeboten: als Aufsatzplatine oder USB-Dongle. Das Aufsatzmodul bringen Sie an der GPIO-Steckerleiste (General Purpose Input Output) der Raspberry Pi-Platine an. Den USB-Dongle verbinden Sie mit dem USB-Anschluss des Mini-Rechners.
Das Gateway-Modul auf dem Raspberry Pi wird über die kostenlose deCONZ-Software gesteuert. deCONZ dient als ZigBee-Kontrollschicht, läuft im Hintergrund und stellt API-Schnittstellen bereit.
Darauf setzen Home-Automationsanwendungen wie Home-Assistant, FHEM, openHAB, Homebridge, ioBroker, Domoticz, Node-RED und Mozilla IoT auf.
Mit diesen Anwendungen bauen Sie auf dem Raspberry Pi eine einheitliche Smart Home-Zentrale mit eigenen Regeln und Automatismen auf. Unterstützt werden über 200 Produkte, Protokolle und Hersteller wie AVM, Amazon Alexa Echo, Bluetooth, HomeKit, LG, HomeMatic IP, Google Assistant, Gardena, Magenta SmartHome, Somfy und Rademacher.
Produkte aus Kategorien von Leuchten über Garagentore, Türschlösser und Hi-Fi-Anlagen bis hin zur Gartenbewässerung lassen sich in Gruppen kombinieren, beispielsweise um einen Raum im Haus abzubilden. Die Möglichkeiten zur Gebäudesteuerung sind komplex und setzen ein wenig Bastelwillen voraus.
Als leicht verständliche Software für die Bedienung der ZigBee-Geräte im Browser verwenden Sie die kostenlose Phoscon-App. Phoscon bietet Ihnen umfangreiche Möglichkeiten zur Konfiguration und Steuerung von Lichtinstallationen. Über die Phoscon-App steuern Sie die Leuchtmittel, Lampen, Sensoren und Schalter interaktiv und über Szenen.
Für eine komfortable Bedienung der über das ZigBee-Gateway vernetzten Geräte am Smartphone und Tablet empfiehlt sich die App Hue Essentials. Die in der Basisversion kostenlose App für Android und iOS regelt die Beleuchtung über Szenen und Effekte.
Mit zunehmender Vernetzung intelligenter Geräte steigt der Datenfluss. Bei ZigBee-Geräten liegen die Konfigurations- und Nutzerdaten üblicherweise auf den Cloud-Servern der jeweiligen Hersteller. Einstellungen, Steueranweisungen und die Signale von Sensoren laufen über den Server des Anbieters. Dieser könnte anhand von Schaltvorgängen ermitteln, wann Sie einen Raum betreten, und das Licht einschalten, wie lange Sie verweilen, und wann sie ihn wieder verlassen. Daraus ergibt sich die prinzipielle Möglichkeit der Erstellung von Nutzerprofilen.
Wie geschützt die Daten in der Cloud sind, hängt von den Sicherheits- und Verschlüsselungsmechanismen des Anbieters ab. Branchenübergreifende Sicherheitsstandards wie Matter der Connectivity Standards Alliance (CSA) tragen zum Datenschutz und der Wahrung der Privatsphäre bei.
Durch den Einsatz eines ZigBee-Gateways verbessern Sie den Datenschutz Ihres Heimautomationssystems. Das Gateway kommt ohne Cloud aus, über die Nutzungsdaten abwandern könnten. Es ist auch keine Anmeldung oder Registrierung notwendig. Die Steuerung über den Einplatinenrechner erfolgt rein lokal und erfordert keine Internetverbindung. Die ZigBee-Komponenten kommunizieren nur innerhalb des privaten Netzwerks. Sie sind nicht mit der Cloud des hinter den jeweiligen Geräten stehenden Herstellers verbunden. Geräteeinstellungen, Schaltzustände und Sensormeldungen verlassen nie das Heimnetzwerk.
Sie wünschen sich eine Hausautomatisierung mit dem Raspberry Pi und einer Community-gestützten Softwarelösung wie Home-Assistant, openHAB oder Homebridge? Dann haben Sie die Wahl zwischen zwei Wegen, um smarte Geräte anzusprechen: Verbinden Sie die Bridge des jeweiligen Herstellers mit dem Raspberry oder Sie nutzen ein Gateway und ersetzen die Hersteller-Bridge.
Vernetzung über die Hersteller-Bridge
Bei der Vernetzung über die Hersteller-Bridge erstellen Sie eine Verbindung von der Software auf dem Raspberry Pi zur Bridge für das gewünschte Gerät. Möchten Sie zum Beispiel Ihre Philips-Hue-Leuchten über die Software openHAB bedienen, gehen Sie so vor:
Richten Sie die Lampen zunächst in der Hue-App auf dem Smartphone ein. Klappt die Steuerung über die Hue-App wie gewünscht, erzeugen Sie in openHAB eine Verknüpfung namens „Binding“ mit der Hue-Bridge.
Damit wird die Hue-Bridge Bestandteil des openHAB-Netzwerks, wobei alle Steuerbefehle weiterhin über die Hue-Bridge übermittelt werden. Möchten Sie die Geräte eines weiteren Herstellers in openHAB hinzufügen, machen Sie das System mit der zugehörigen Bridge bekannt. Die Cloud des Herstellers bleibt im Hintergrund weiterhin aktiv.
Vernetzung über ein Gateway
Möchten Sie die einzelnen Bridges in Programmen wie openHAB auf dem Raspberry Pi nicht nur zusammenfassen, sondern ersetzen, verwenden Sie ein Gateway wie RaspBee II. Über das ZigBee-Gateway übernimmt der Raspberry Pi die Aufgabe der Hue-Bridge. Dazu emuliert die deCONZ-Software die Bridge-Hardware. Der Pi kommuniziert direkt mit den ZigBee-Devices und umgeht die Cloud. Sie benötigen für das ZigBee-Protokoll keine weiteren Steuerzentralen. Die Bindung an die Hersteller-Bridge sparen Sie sich dank des Gateway-Chips – schalten Sie die Bridge einfach ab.
Achten Sie bei der Auswahl eines ZigBee Raspberry Pi Gateways in der Produktbeschreibung auf das Ausstattungsmerkmal „Echtzeituhr“ oder „RTC“ (Real Time Clock). Der Raspberry Pi besitzt von Haus aus keine Echtzeituhr. Nach einer Unterbrechung der Stromversorgung oder der Internetverbindung kann die Systemuhrzeit des Einplatinenrechners von der tatsächlichen Uhrzeit abweichen. In Folge werden Automatisierungsvorgänge wie das Ein- und Ausschalten von Lampen und von anderen Geräten per Timer zum falschen Zeitpunkt ausgeführt.
Vor unerwünschten Zeitabweichungen schützt Sie ein mit einer batteriebetriebenen Echtzeituhr ausgerüstetes ZigBee-Gateway wie RaspBee II. Es versorgt den Pi permanent mit der genauen Uhrzeit.
ZigBee ist vor allem bei smarter Lichttechnik weit verbreitet und das Angebot an Geräten ist groß. Die Einrichtung eines ZigBee-Netzwerks ist schnell erledigt und die Übertragung von Signalen kostet wenig Energie – praktisch für batteriebetriebene Geräte.
Das verschlüsselte Funkprotokoll funktioniert ähnlich wie Wifi, unterscheidet sich aber in einem für die Reichweite wichtigen Punkt: Während im WLAN alle Verbindungen zentral über den Router laufen, kommunizieren die Geräte im ZigBee-Verbund nicht nur über eine Zentrale, sondern auch untereinander. Es entsteht ein selbst verwaltetes Mesh-Netzwerk, in dem mit dem Stromnetz verbundene Geräte wie Lampen oder Steckdosen automatisch als Repeater dienen. Über den Mesh-Zusammenschluss werden die Signale als Ziel geroutet. Dadurch ergeben sich Verbesserungen hinsichtlich der Reichweite und Ausfallsicherheit. Eine gut platzierte ZigBee-Steckdose oder ein ZigBee-Leuchtmittel reicht meist aus, um entfernte Räume oder Stockwerke zu versorgen.
Mehr zur ZigBee-Technik erfahren Sie in unserem Ratgeber ZigBee Standard – einfach erklärt.