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 Systems in der Luftfahrt.

Geleitwort der KNX Association ... 41
Geleitwort des Fachgutachters ... 44
Vorwort ... 45
TEIL I. Einführung ... 51
1. Motivation »Intelligentes Wohnen« ... 52

1.1 ... Ein virtueller Rundgang ... 52
1.2 ... Smart Home, Heimautomation - was ist das? ... 57
1.3 ... Die Wahl des Bussystems ... 59

2. Entscheidung für ein Smart Home: ja oder ja ... 61

2.1 ... Rechnet sich eine Businstallation für mich? ... 61
2.2 ... Das Smart Home und der Energieverbrauch ... 62
2.3 ... Smart Home ist Familiensache ... 66
2.4 ... Das Smart-Home-Gruselkabinett ... 67

3. Die Smart-Home-Ausbaustufen ... 70

3.1 ... Die Smart-Home-Pyramide ... 70
3.2 ... Was können Sie von Ihrem Smart Home erwarten? ... 73

TEIL II. Grundlagen ... 81
4. Die Elektrik im Wohnhaus ... 82

4.1 ... Überstromschutzeinrichtungen und Fehlerstromschutzeinrichtungen ... 82
4.2 ... Leitungsverlegung und Installationszonen ... 89
4.3 ... Die wichtigsten Installationsleitungen ... 94
4.4 ... Die IP-Schutzarten ... 97

5. Grundwissen Elektronik und Digitaltechnik ... 99

5.1 ... Einfache Logikfunktionen ... 99
5.2 ... Flipflops ... 100
5.3 ... Schließer und Öffner ... 101
5.4 ... Wie funktioniert ein Regelkreis? ... 102
5.5 ... Hysterese ... 106
5.6 ... Die Einheit Lux ... 107

6. Gebäudeautomation verstehen ... 109

6.1 ... Das Smart Home umfasst alle Gewerke ... 109
6.2 ... Vergleich mit der herkömmlichen Elektroinstallation ... 112
6.3 ... Basistechnologien für die Gebäudeautomation ... 115
6.4 ... Die KNX-Infrastruktur ... 116
6.5 ... Meistern Sie den Einstieg! ... 121

7. Intelligent vernetzen mit EIB/KNX ... 126

7.1 ... KNX beherrscht verschiedene Übertragungsmedien ... 128
7.2 ... Die Topologie von KNX TP ... 129
7.3 ... Die physikalischen Adressen ... 134
7.4 ... Die Gruppenadressen ... 136
7.5 ... Die Topologie von KNX PL ... 138
7.6 ... Die Topologie von KNX RF ... 142
7.7 ... IP als Medium: KNXnet/IP ... 143
7.8 ... Wie funktioniert die Übertragung? ... 146
7.9 ... Die KNX-Protokolle ... 150
7.10 ... KNX Secure ... 161

8. Atmosphärisches Licht mit DALI ... 163

8.1 ... Was ist DALI? ... 163
8.2 ... Warum gibt es DALI? ... 164
8.3 ... Die DALI-Technik ... 166
8.4 ... Die DALI-Installation ... 168
8.5 ... DALI im Smart Home ... 171
8.6 ... Der DALI-2-Standard ... 172

9. 1-Wire: nicht nur »eine« Ader ... 174

9.1 ... 1-Wire-Grundlagen ... 175
9.2 ... Die Spannungsversorgung des 1-Wire-Bus ... 180
9.3 ... Die Architektur: Topologie von 1-Wire ... 184
9.4 ... Die 1-Wire-Identifikationsnummer ... 187
9.5 ... Die richtige Verkabelung ... 188
9.6 ... Die Überprüfung Ihres 1-Wire-Netzwerks ... 190
9.7 ... 1-Wire: So wird es professionell ... 191
9.8 ... Literatur ... 194

10. Energy Harvesting mit EnOcean ... 195

10.1 ... Der EnOcean-Standard ... 196
10.2 ... EnOcean im Einsatz ... 200
10.3 ... EnOcean im Smart Home ... 202

11. Weitere Technologien und Standards ... 206

11.1 ... Einfache serielle Verbindungen mit RS-232 und RS-485 ... 206
11.2 ... DMX - professionelles Licht aus der Bühnentechnik ... 210
11.3 ... Modbus - Kommunikationsprotokoll für die Industrie ... 213
11.4 ... ZigBee und Z-Wave ... 215
11.5 ... Ethernet - der Standard in der vernetzten Welt ... 220
11.6 ... Funknetzwerke mit WLAN ... 226
11.7 ... Antriebe steuern mit SMI ... 232
11.8 ... Und es gibt noch mehr: HomeMatic, RWE SmartHome usw. ... 234

12. Ausgewählte Netzwerkprotokolle ... 237

12.1 ... Das OSI-Referenzmodell ... 237
12.2 ... Netzwerke mit SNMP managen ... 239
12.3 ... Plug-and-play durch UPnP und DLNA ... 250
12.4 ... MQTT als leichtgewichtiges IoT-Protokoll ... 255

13. Methodisch vorgehen: Die UML ... 260

13.1 ... Motivation: Warum modellieren, warum UML? ... 260
13.2 ... UML-Diagrammtypen ... 263
13.3 ... UML-Tools ... 265

TEIL III. Vorbereitung und Planung ... 267
14. Starten Sie die Planung ... 268

14.1 ... Der Masterplan ... 268
14.2 ... Die wichtigsten Stakeholder ... 270
14.3 ... Bestimmen Sie Ihre Raumausstattung ... 275
14.4 ... Wichtige Hersteller ... 284
14.5 ... Das KNX-User-Forum ... 286

15. Fürs Grobe: Werkzeuge ... 289

15.1 ... Handwerkzeug ... 289
15.2 ... Elektrowerkzeug ... 297

16. Fürs Feine: Softwaretools ... 299

16.1 ... Schaltpläne zeichnen mit sPlan ... 299
16.2 ... Kreatives Planen mit Visio ... 303
16.3 ... Planen mit Excel ... 306
16.4 ... Ideal für Tests: VirtualBox ... 310
16.5 ... Wireshark - der Protokoll-Analyzer ... 321
16.6 ... Kleine Helferlein für die Netzwerkdiagnose ... 326

17. Das richtige Installationsmaterial ... 338

17.1 ... Leitungen ... 338
17.2 ... Leerrohre ... 346
17.3 ... Installationsdosen ... 351
17.4 ... Installationsklemmen ... 357
17.5 ... Reihenklemmen ... 360

18. Die Smart-Home-Prinzipien ... 370

18.1 ... Was macht ein Eigenheim eigentlich smart? ... 370
18.2 ... Und was macht es nicht unbedingt noch smarter? ... 371
18.3 ... Goldene und silberne Regeln ... 372
18.4 ... Wichtige Grundsätze ... 381
18.5 ... Denken Sie in Szenen ... 385

19. Lernen Sie die Planungsschritte kennen ... 392

19.1 ... Wünschen Sie sich etwas: mit dem Raumbuch ... 392
19.2 ... Der Leitungsplan ... 399
19.3 ... Die Verteilerplanung ... 402
19.4 ... Der Stromlaufplan ... 412
19.5 ... Bedienkonzepte bei Schaltern ... 413
19.6 ... Logikanforderungen ... 419
19.7 ... KNX-Abnahmeprüfung ... 426

20. Bares Geld sparen ... 428

20.1 ... Welche Arbeiten können Sie selbst durchführen? ... 428
20.2 ... Wie werden Leitungen eingezogen? ... 429
20.3 ... Die Komponenten einkaufen ... 431
20.4 ... KNX-Komponenten im Rechenbeispiel ... 439
20.5 ... Die Preisschraube ansetzen ... 443

21. Planen der Infrastruktur ... 444

21.1 ... Vernetzen der Subsysteme ... 444
21.2 ... Der strukturierte Ethernet-Netzwerkaufbau ... 452
21.3 ... Die Sicherheit von KNX ... 453
21.4 ... Schaffen Sie einen sicheren Netzwerkzugang ... 457
21.5 ... Das Netzwerk abschotten mit Firewalls ... 462
21.6 ... Ein Backup-System einrichten ... 464
21.7 ... Verschlüsselung der Daten ... 472
21.8 ... Denken Sie an den Energieverbrauch ... 474

22. Beleuchtungsplanung ... 480

22.1 ... Professionelle Beleuchtungsplanung mit DIALux ... 480
22.2 ... Biorhythmische Beleuchtung: Human Centric Lighting ... 481
22.3 ... DALI oder KNX? ... 485
22.4 ... Grundsätze bei der Beleuchtungsplanung ... 486

TEIL IV. Smart-Home-Komponenten ... 489
23. Schaltschrank - der Maschinenraum ... 490

23.1 ... Hausanschlusskasten, Zählerschrank, Stromkreisverteiler ... 490
23.2 ... Der Stromkreisverteiler im Detail ... 491
23.3 ... Hinweise zur Dimensionierung, Installation und Platzierung ... 494
23.4 ... Ein 19-Zoll-Rack für Netzwerk und Multimedia ... 495

24. Den Bus versorgen: Spannungsquellen ... 500

24.1 ... Speziell: Die KNX-Spannungsversorgung ... 500
24.2 ... Die Drossel ... 507
24.3 ... Universell: REG-Spannungsquellen ... 508

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

25.1 ... Einfach: die serielle Schnittstelle ... 512
25.2 ... Robust: die USB-Schnittstelle ... 513
25.3 ... Komfortabel: die IP-Schnittstelle ... 515
25.4 ... Flexibel: der IP-Router ... 518
25.5 ... Extravagant: der Raspberry Pi als KNX-Schnittstelle ... 522
25.6 ... KNX-Schnittstelle: eine Entscheidungshilfe ... 523

26. Geräte, Linien und Bereiche koppeln ... 526

26.1 ... Ein Einzelgerät anbinden: Busankoppler ... 526
26.2 ... Größer werden: Linienkoppler und Bereichskoppler ... 528
26.3 ... Vielschichtig werden: Medienkoppler ... 533

27. Messen mit Sensoren ... 535

27.1 ... Tür- und Fensterkontakte ... 535
27.2 ... Bewegungsmelder ... 539
27.3 ... Präsenzmelder ... 547
27.4 ... Wetterstation ... 558
27.5 ... Rauchwarnmelder ... 563
27.6 ... Wassermelder ... 568
27.7 ... Alarmmelder ... 571
27.8 ... Luftgütesensoren ... 572

28. Schalten mit Aktoren ... 583

28.1 ... Schaltaktor ... 583
28.2 ... Schaltaktor mit Strommessung ... 589
28.3 ... Analogaktor ... 592
28.4 ... Jalousieaktor ... 594
28.5 ... Rollladenaktor ... 600
28.6 ... Dimmaktor ... 600
28.7 ... LED-Controller ... 605
28.8 ... Heizungsaktor ... 607
28.9 ... Lüfter und Fan-Coil-Aktor ... 610
28.10 ... Unterputzaktoren ... 612

29. Zustände erfassen durch Eingänge ... 614

29.1 ... Binäreingang ... 614
29.2 ... Universal-E/A-Konzentrator ... 617
29.3 ... Unterputzbinäreingang ... 618
29.4 ... Analogeingang ... 620

30. Multifunktionsmodule ... 623

30.1 ... Raum-Master ... 623
30.2 ... Raum-Controller ... 624

31. Welten verbinden mit Gateways ... 626

31.1 ... DALI-Gateway ... 626
31.2 ... DMX-Gateway ... 633
31.3 ... EnOcean-Gateway ... 634
31.4 ... Modbus-Gateway ... 640
31.5 ... Weitere Gateways für Spezialaufgaben ... 641

32. Energiemanagement ... 648

32.1 ... Wege zur Stromverbrauchserfassung ... 649
32.2 ... Messen mit KNX-Stromzählern ... 652
32.3 ... Infrarotlesekopf ... 654
32.4 ... Eine unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) ... 655

33. Sicherheit und Überwachung ... 660

33.1 ... Der Überwachungsbaustein ... 660
33.2 ... Der Störmeldebaustein ... 662
33.3 ... Der Betriebsdatenerfassungsbaustein ... 662
33.4 ... KNX-Sicherheitsbausteine ... 663

34. Bedienen und anzeigen ... 668

34.1 ... Große Vielfalt: klassische Schalterprogramme ... 669
34.2 ... Großer Funktionsumfang: Tastsensoren ... 674
34.3 ... Große Flexibilität: Touchpanels ... 690
34.4 ... Konventionelle und programmierbare Fernbedienungen ... 692
34.5 ... Intelligente IR-Steuerung ... 699
34.6 ... Die schnelle Anzeige über Signal-LEDs ... 708
34.7 ... »Hey Snips«: Sprachsteuerungen ... 713

35. Vorschaltgeräte, Treiber, Leuchtmittel ... 717

35.1 ... Elektronische Vorschaltgeräte einsetzen ... 717
35.2 ... Spannende Möglichkeiten mit DALI-EVGs ... 720

36. Bewegen mit Antrieben ... 726

36.1 ... Schließen nie mehr vergessen: Fensterantriebe ... 726
36.2 ... Sie werden es nicht mehr missen wollen: Motorschloss ... 727
36.3 ... Thermoelektrische und elektromotorische Stellantriebe ... 729

37. Audio im Smart Home ... 733

37.1 ... Lautsprecher: Wand, Decke, Standgerät ... 733
37.2 ... Klassisch verstärken in Stereo und Surround ... 737
37.3 ... Verstärker für Multiroom-Audio ... 740
37.4 ... Automatisierung eingebaut: KNX-Multiroom-Verstärker ... 742
37.5 ... Ton mit dem Rechner erzeugen: Soundkarten ... 745
37.6 ... Squeezebox, Sonos und HEOS ... 747

38. Video im Smart Home ... 749

38.1 ... TV-Karten ... 749
38.2 ... Multiswitch ... 750
38.3 ... Das Smart-TV ... 752
38.4 ... Set-Top-Boxen und SAT-Receiver ... 755
38.5 ... Videomatrix ... 761
38.6 ... Beamer und Heimkino ... 763
38.7 ... DVD- und Blu-Ray-Player ... 766
38.8 ... Videoüberwachung ... 767

39. Netzwerkkomponenten einsetzen ... 769

39.1 ... Simpel: der Hub ... 770
39.2 ... Robust: der Unmanaged Switch ... 771
39.3 ... Flexibel: der Managed Switch ... 773
39.4 ... Der Switch: Entscheidungshilfe ... 775
39.5 ... Netzwerke koppeln: der Router ... 779
39.6 ... Clever verkabeln mit Power over Ethernet (PoE) ... 781

40. Telefon, Türkommunikation und Zutrittskontrolle ... 784

40.1 ... SIP-Türsprechsysteme ... 784
40.2 ... Proprietäre Türsprechsysteme ... 787
40.3 ... Zutrittskontrolle: Alternativen zum Schlüssel ... 790
40.4 ... Telefonie ... 803

41. Wasser, Lüftung, Heizung, Haushaltsgeräte ... 805

41.1 ... Wasserenthärter ... 805
41.2 ... Lüfter ... 807
41.3 ... Kontrollierte Wohnraumlüftung (KWL) ... 808
41.4 ... Das Heizungssystem ... 810
41.5 ... Schwimmbad ... 817
41.6 ... Intelligente Haushaltsgeräte ... 818

TEIL V. Server, Logik, Visualisierung ... 821
42. Grenzenlose Anwendungen: Logik-Engines ... 822

42.1 ... Intelligenz auf der Hutschiene: Logikbausteine ... 823
42.2 ... Zentrale Automatisierungsrechner ... 827
42.3 ... Automatisierungssoftware-Lösungen ... 854

43. Umfassend visualisieren ... 863

43.1 ... Handheld-Geräte mit Wandhalterung ... 863
43.2 ... Der Einbau-Touchpanel-PC ... 864
43.3 ... Touchpanel-PCs im Eigenbau ... 866
43.4 ... Von unterwegs: Smartphone ... 869

44. Erstaunliche Möglichkeiten mit Open-Source-Automation ... 871

44.1 ... FHEM - die freundliche Hausautomation ... 871
44.2 ... openHAB - eine Metaplattform ... 879
44.3 ... SmartHomeNG - ein modulares Framework ... 887
44.4 ... smartVISU - eine geniale kostenlose Visualisierung ... 895
44.5 ... ioBroker als Allzweckwaffe im Smart Home ... 900

45. Arbeitstiere: Server für den Selbstbau ... 913

45.1 ... Der klassische Linux-Server ... 913
45.2 ... Kleine Rechenzwerge: Raspberry Pi, BeagleBone Black & Co. ... 921

46. Speicher: Wohin mit den Daten? ... 934

46.1 ... Die Auswahl der richtigen Festplatten ... 935
46.2 ... Direct Attached Storage (DAS) ... 938
46.3 ... Network Attached Storage (NAS) ... 940
46.4 ... Der kleine RAID-Ratgeber ... 945
46.5 ... Speichern im Netzwerk: ein Praxisbeispiel ... 947

47. Linux kennenlernen ... 949

47.1 ... Sichere Verbindungen mit SSH ... 949
47.2 ... Das Terminal ... 951
47.3 ... Der Editor nano ... 952
47.4 ... Linux-Grundlagen ... 953
47.5 ... Die APT-Paketverwaltung ... 961

48. Ihren Server administrieren ... 964

48.1 ... Gewinnen Sie Informationen aus Logdateien ... 964
48.2 ... Übersicht der wichtigsten Konfigurationsdateien ... 966
48.3 ... Verbindungsaufbau über Ports ... 967
48.4 ... Einfache Serverüberwachung per Webbrowser ... 970
48.5 ... Optimieren Sie Ihren Server ... 972
48.6 ... Wichtige Kommandos für den Administrator ... 976

49. Multimedia-Software: mächtig und kostenlos ... 982

49.1 ... MPD - der Music Player Daemon ... 982
49.2 ... Tvheadend - der Video-Streaming-Server ... 992
49.3 ... Kodi, ehemals XBMC - ein luxuriöses Multimedia-Frontend ... 996

50. Erweiterungen für den Selbstbau-Server ... 1006

50.1 ... eibd - der EIB-Daemon ... 1006
50.2 ... Linknx - Mehrwert für eibd ... 1011
50.3 ... OWFS - ein Filesystem für 1-Wire ... 1015
50.4 ... knockd - ein Port-Knocking-Server ... 1020
50.5 ... RRDtool - eine Datenbank nach dem Round-Robin-Prinzip ... 1024
50.6 ... lighttpd - ein schlanker Webserver für Embedded-Systeme ... 1029
50.7 ... Cacti - ein Monitoring-Paket ... 1033
50.8 ... v-control - die perfekte Heizungsansteuerung ... 1036

TEIL VI. Programmierung und Parametrierung ... 1039
51. KNX parametrieren mit der ETS-Software ... 1040

51.1 ... Die ETS installieren ... 1041
51.2 ... Richten Sie Ihr eigenes KNX-Projekt ein ... 1042
51.3 ... Geräte und Produktdatenbanken ... 1048
51.4 ... Die Parametrierung von KNX-Geräten ... 1055
51.5 ... Gruppenadressen und Verknüpfungen anlegen ... 1062
51.6 ... Die Programmierung durchführen ... 1073
51.7 ... Unverzichtbar: der Gruppenmonitor und der Busmonitor ... 1082
51.8 ... Gruppenadressen und Kommunikationsobjekte vertieft ... 1089
51.9 ... Einrichten einer ETS-Lizenz ... 1094
51.10 ... Fehlersuche mit der ETS ... 1096
51.11 ... Ein Regelwerk zur KNX-Parametrierung ... 1100
51.12 ... Ausblick auf die ETS6 ... 1103

52. HomeServer Experte und Client kennenlernen ... 1106

52.1 ... Installation und Grundeinstellungen ... 1107
52.2 ... Arbeiten mit Kommunikationsobjekten ... 1113
52.3 ... Logiken erschaffen ... 1119
52.4 ... Webseiten abfragen und auswerten ... 1133
52.5 ... Der Programmiervorgang ... 1136
52.6 ... Das QuadConfig-Programm ... 1140
52.7 ... Die Plug-ins der Quad-Visu ... 1142
52.8 ... Der QuadClient ... 1152
52.9 ... Schauen Sie dem HomeServer auf die Finger ... 1156

53. Erweiterte Parametrierung von KNX-Komponenten ... 1165

53.1 ... ETS-eigene Erweiterungen ... 1165
53.2 ... Das i-bus Tool - Inbetriebnahmehilfe für ABB-Komponenten ... 1168

54. Überblick: Programmierung für den Automatisierer ... 1170

54.1 ... Überblick über die wichtigsten Sprachen ... 1170
54.2 ... Wichtige Ressourcen ... 1172

TEIL VII. Realisierung ... 1175
55. Licht steuern ... 1176

55.1 ... Einfache Lichtsteuerung ... 1176
55.2 ... Dimmbares Licht ... 1182
55.3 ... Präsenzgesteuerte Beleuchtung ... 1188
55.4 ... Farbenfroh mit DALI ... 1194

56. Steckdosen schalten ... 1201

56.1 ... Schalten mit einfachen Aktoren ... 1201
56.2 ... Mehr Möglichkeiten durch Stromerkennung ... 1202

57. Jalousien steuern ... 1207

57.1 ... Behang und Lamellen steuern ... 1207
57.2 ... Einen Innenrollladen bewegen ... 1215
57.3 ... Automatiksteuerung mit Wetterzentrale ... 1217

58. Heizung und Raumtemperatur regeln ... 1226

58.1 ... Den Wärmeerzeuger steuern ... 1226
58.2 ... Wohlfühlraumtemperatur mit Einzelraumregelung ... 1228
58.3 ... Erweiterungen und Alternativen ... 1241

59. Vernetztes Hören mit Multiroom-Audio ... 1244

59.1 ... Was benötigen Sie für Ihr eigenes Multiroom-System? ... 1245
59.2 ... Das Konzept ... 1246
59.3 ... Aufbau der Multiroom-Hardware ... 1247
59.4 ... Die Software für Server und Client ... 1250
59.5 ... Die Ansteuerung ... 1255

60. So schaut man heute Fernsehen ... 1260

60.1 ... Zentrale Medienbibliothek ... 1261
60.2 ... Fernbedienung: CEC oder IR-Empfänger ... 1266
60.3 ... Luxuriös fernsehen mit Videoclients ... 1267
60.4 ... Videoserver und Streaming einsetzen ... 1272
60.5 ... Mobil fernsehen ... 1273
60.6 ... Integration ins Smart Home ... 1274

61. Machen Sie Ihr Heim sicher ... 1277

61.1 ... Realisieren Sie eine kleine Alarmanlage ... 1277
61.2 ... Rauchwarnmelder installieren und abfragen ... 1280
61.3 ... Möglichkeiten zur Alarmierung ... 1285
61.4 ... Schneller Überblick mit Zustandsanzeigen ... 1287
61.5 ... Einsatz von Außenkameras ... 1293
61.6 ... Anwendungsszenario Zutrittskontrolle ... 1295

62. Aufbau eines professionellen 1-Wire-Systems ... 1299

62.1 ... Der Hardwareaufbau ... 1299
62.2 ... Einsatz des Wiregates ... 1301
62.3 ... Noch besser: Der Timberwolf als 1-Wire-Server ... 1304

63. Die Möglichkeiten von Smart Metering ... 1306

63.1 ... Wichtige Logfiles und Config-Dateien ... 1307
63.2 ... Anschluss der Sensorik an den Messclient ... 1308
63.3 ... Konfigurieren Sie den Smart-Metering-Server ... 1309
63.4 ... Konfigurieren Sie den Messclient ... 1320
63.5 ... Alles zusammen ... 1325

64. Unkonventionelle Projekte - oder warum brauche ich einen Bewegungsmelder unter dem Bett? ... 1327

64.1 ... Der Bewegungsmelder unter dem Bett ... 1327
64.2 ... Aktienkursabhängige Beleuchtungssteuerung ... 1328

65. Wenn es mal nicht so will: Troubleshooting ... 1332

65.1 ... Generelle Erste-Hilfe-Tipps ... 1332
65.2 ... Verstehen, wo es klemmt - mit strace ... 1334
65.3 ... Reparieren Sie den GRUB-Bootloader ... 1337

Index ... 1339

Die Fachpresse zur Vorauflage:

MagPi: »Überaus fundiert und mit tiefer Detailkenntnis geschrieben.«