Heimautomation mit Arduino, ESP8266 und Raspberry Pi

Name: Heimautomation mit Arduino, ESP8266 und Raspberry Pi | Das eigene Heim als Smart Home für Heimwerker, Bastler und Maker
Brand: MITP
Price: 29.99 EUR
Availability: OnlineOnly

Das eigene Heim als Smart Home für Heimwerker, Bastler und Maker

Thomas Brühlmann(Autor*in)

MITP (Verlag)

1. Auflage

Erschienen am 25. Februar 2021

368 Seiten

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978-3-95845-672-3 (ISBN)

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Beschreibung

Einsatz von Sensoren wie Licht-, Umwelt- und Barometersensoren sowie Raspberry Pi als Schaltzentrale
Verwendung fertiger Module wie Bewegungsmelder, Kontakte und Rauchmelder
Einsatz einfacher selbst gebauter Elektronik-Module

Mit diesem umfassenden Praxis-Handbuch erfahren Sie, wie Sie Ihr Heim selbst automatisieren können.

Anhand zahlreicher Beispiele lernen Sie Schritt für Schritt die Umsetzung verschiedener Projekte wie z.B. 433-MHz-Sender und -Empfänger, IoT-Gateway mit 433 MHz, drahtlose Infrarot-Fernsteuerung für den Fernseher, Wettermodul, drahtlose Klingel, Strom- und Briefkastenwächter und Aquarium-Timer.

Der Autor zeigt Ihnen die praktischen Einsatzmöglichkeiten verschiedener Sensoren und Aktoren im Smart Home wie Licht-, Umwelt- und Barometersensor. Dabei werden zum einen selbst gebaute einfache Elektronik-Module mit Arduino, ESP8266 und Wemos-Modulen realisiert und über eine Schaltzentrale mit Raspberry Pi gesteuert. Zum anderen werden fertige Module wie Bewegungsmelder, Kontakte oder Rauchmelder über einfache Gateways ins System integriert. Dabei wird für die Zentrale Node-Red verwendet, um die Daten und Zustände zu verarbeiten und zu visualisieren.

Jedes einzelne Projekt wird mit Stückliste und Steckbrett-Aufbau ausführlich dargestellt und beschrieben.

Dieses Buch richtet sich an Bastler und Maker, die bereits etwas Erfahrung mit Arduino und Raspberry Pi gesammelt haben und nun praktische Anwendungen in ihrem Heim aufbauen möchten.

Inhalte und Projekte:

IoT-Hardware mit Arduino, ESP8266 und Raspberry Pi
Arduino IDE und Node-Red
Die Protokolle HTTP und MQTT
Arduino als Sensormodul
Schaltmodule mit Tasmota-Firmware
Node-Red als Schaltzentrale
Wettermodul mit Licht-, Umwelt- und Barometersensor
433-MHz-Sender und -Empfänger
IoT-Gateway mit 433 MHz
ESP8266 als RF-Gateway
Node-Red-Schaltzentrale mit Arduino-Interface
Drahtlose Infrarot-Fernsteuerung für den Fernseher
Drahtlose Klingel
Analog-Wandler-Modul
Homeautomation-Plattformen
Briefkastenwächter
Stromwächter
Aquarium-Timer
Leuchtstreifensteuerung

Weitere Details

Weitere Ausgaben

Person

Inhalt

1 - Cover [Seite 1]
2 - Titel [Seite 5]
3 - Impressum [Seite 6]
4 - Inhaltsverzeichnis [Seite 7]
5 - Einleitung [Seite 11]
5.1 - Aufbau des Buches [Seite 11]
5.2 - Mehr Informationen [Seite 12]
5.3 - Danksagung [Seite 13]
6 - Kapitel 1: Smarthome-Hardware [Seite 15]
6.1 - 1.1 Arduino [Seite 15]
6.1.1 - 1.1.1 Arduino als Sensor- und Aktormodul [Seite 16]
6.1.2 - 1.1.2 Arduino-Boards [Seite 16]
6.1.3 - 1.1.3 Entwicklungsumgebung IDE [Seite 22]
6.1.4 - 1.1.4 Programmierung, Programmstruktur [Seite 25]
6.1.5 - 1.1.5 Praxisbeispiel: Temperaturmesser mit NTC und LED [Seite 25]
6.1.6 - 1.1.6 Bibliotheken [Seite 30]
6.1.7 - 1.1.7 Shields [Seite 34]
6.1.8 - 1.1.8 Arduino im Miniaturformat [Seite 38]
6.1.9 - 1.1.9 Arduino im Batteriebetrieb [Seite 44]
6.2 - 1.2 Raspberry Pi [Seite 45]
6.2.1 - 1.2.1 Minimal-Anforderungen [Seite 45]
6.2.2 - 1.2.2 Raspberry-Pi-Boards [Seite 46]
6.2.3 - 1.2.3 Installation [Seite 47]
6.2.4 - 1.2.4 Remote-Zugriff [Seite 55]
6.2.5 - 1.2.5 Schnittstellen zur Außenwelt [Seite 61]
6.3 - 1.3 IoT- und Smarthome-Infrastruktur [Seite 65]
7 - Kapitel 2: Internet-Connectivity [Seite 67]
7.1 - 2.1 Ethernet-Shield [Seite 67]
7.2 - 2.2 WiFi-Verbindung [Seite 69]
7.3 - 2.3 Arduino als Webclient [Seite 69]
7.4 - 2.4 Arduino als Webserver [Seite 72]
8 - Kapitel 3: ESP8266 [Seite 77]
8.1 - 3.1 ESP-Module [Seite 77]
8.1.1 - 3.1.1 ESP-01 [Seite 77]
8.1.2 - 3.1.2 ESP-12 [Seite 78]
8.2 - 3.2 Integration in Arduino-IDE [Seite 81]
8.3 - 3.3 ESP8266-Boards [Seite 84]
8.3.1 - 3.3.1 Wemos D1 [Seite 84]
8.3.2 - 3.3.2 Wemos D1 Mini [Seite 85]
8.3.3 - 3.3.3 NodeMCU [Seite 89]
8.4 - 3.4 Praxisbeispiel: Blink [Seite 90]
8.5 - 3.5 WiFi mit ESP8266 [Seite 92]
8.5.1 - 3.5.1 WiFi-Bibliothek für ESP8266 [Seite 92]
8.6 - 3.6 Praxisbeispiel: Wemos-Webclient [Seite 94]
8.7 - 3.7 Praxisbeispiel: Webclient mit Sensordaten [Seite 97]
8.8 - 3.8 Praxisbeispiel: Webclient mit HTTPS [Seite 98]
8.9 - 3.9 Firmware Tasmota [Seite 102]
8.9.1 - 3.9.1 Funktionen [Seite 104]
8.9.2 - 3.9.2 Installation Tasmota [Seite 104]
8.10 - 3.10 Praxisbeispiel: Tasmota mit Tasmotizer [Seite 106]
8.11 - 3.11 Praxistest: Tasmota schaltet Ausgang [Seite 113]
8.12 - 3.12 Praxisbeispiel: Sonoff-Schaltmodule [Seite 114]
9 - Kapitel 4: Protokolle [Seite 121]
9.1 - 4.1 HTTP [Seite 121]
9.2 - 4.2 MQTT [Seite 125]
10 - Kapitel 5: Arduino als MQTT-Client [Seite 131]
10.1 - 5.1 PubSubClient-Bibliothek [Seite 131]
10.2 - 5.2 MQTT Publish mit Arduino [Seite 132]
10.3 - 5.3 MQTT Subscribe mit Arduino [Seite 139]
10.4 - 5.4 MQTT Publish und Subscribe mit ESP8266 [Seite 142]
10.5 - 5.5 MQTT-Topics organisieren [Seite 147]
10.6 - 5.6 Praxisbeispiel: Sensordaten senden [Seite 148]
11 - Kapitel 6: MQTT und Node-Red mit Raspberry Pi [Seite 153]
11.1 - 6.1 Raspberry Pi als Schaltzentrale [Seite 153]
11.2 - 6.2 Mosquitto als MQTT-Broker [Seite 154]
11.3 - 6.3 Node-Red [Seite 155]
11.4 - 6.4 Flows mit Node-Red [Seite 161]
11.5 - 6.5 MQTT mit Node-Red [Seite 168]
11.6 - 6.6 Node-Red-Dashboard [Seite 171]
11.7 - 6.7 Praxisbeispiel: Anzeige des Node-Red-Dashboards auf mobilen Geräten [Seite 179]
11.8 - 6.8 Praxisbeispiel: Serielle Daten von Arduino Uno empfangen [Seite 180]
11.9 - 6.9 Praxistipp: Kompakter Arduino für Datenerfassung [Seite 191]
12 - Kapitel 7: Arduino als Sensor-Node [Seite 195]
12.1 - 7.1 Praxisbeispiel: Aufbau Sensor-Node [Seite 195]
12.2 - 7.2 Praxisbeispiel: Temperatursensor (NTC) [Seite 198]
12.3 - 7.3 Praxisbeispiel: Helligkeitssensor BH1750 [Seite 201]
12.4 - 7.4 Praxisbeispiel: Umweltsensor SHT31 [Seite 204]
12.5 - 7.5 Praxisbeispiel: Barometer (BME680) [Seite 208]
12.6 - 7.6 Praxisbeispiel: Datenübertragung mit 433-MHz-Funkmodul [Seite 217]
12.7 - 7.7 Praxisbeispiel: RFLink-433-MHz-Gateway [Seite 228]
12.8 - 7.8 Praxisbeispiel: ESP8266 als RF-Gateway [Seite 235]
12.9 - 7.9 Praxisbeispiel: RF-Gateway mit Sonoff RF Bridge [Seite 238]
13 - Kapitel 8: MQTT-Anwendungen [Seite 247]
13.1 - 8.1 Praxisbeispiel: Ausgänge von Arduino und Raspberry Pi schalten [Seite 247]
13.2 - 8.2 Praxisbeispiel: Fernbedienung für Fernseher [Seite 255]
13.3 - 8.3 Praxisbeispiel: Drahtlose Klingel [Seite 263]
13.4 - 8.4 Praxisbeispiel: 8-Kanal-Analog/Digital-Wandler über MQTT [Seite 266]
13.5 - 8.5 Praxisbeispiel: Briefkastenwächter [Seite 277]
14 - Kapitel 9: Smarthome-Plattformen [Seite 289]
14.1 - 9.1 Home Assistant [Seite 289]
14.2 - 9.2 openHAB [Seite 303]
15 - Kapitel 10: IoT- und Smarthome-Projekte [Seite 305]
15.1 - 10.1 Aquarium-Timer [Seite 305]
15.2 - 10.2 Stromwächter [Seite 310]
15.2.1 - 10.2.1 Stromwächter mit Sonoff Pow [Seite 311]
15.2.2 - 10.2.2 Stromwächter mit Stromsensor [Seite 318]
15.3 - 10.3 Waschmaschinenwächter [Seite 325]
15.4 - 10.4 Gefrierschrankwächter [Seite 330]
15.5 - 10.5 RGB-Streifen (Neopixel) steuern [Seite 342]
16 - Stücklisten [Seite 355]
17 - Stichwortverzeichnis [Seite 363]

Kapitel 2:
Internet-Connectivity

Das Internet ist heute ein Werkzeug für Millionen von Menschen. Im Alltag, im Job und im Hobby kann man auf diese Datenquelle nicht mehr verzichten.

Auch im Umfeld von Microcontrollern und Minicomputern, wie Arduino und Raspberry Pi, kommt man ohne das Internet nicht mehr aus. Die Community ist online vernetzt. Viele Bastler und Entwickler publizieren ihre Projekte und Programme online und stellen die Daten der ganzen Welt zur Verfügung.

Internet-Connectivity, also die Verbindung zum Internet, ist natürlich im IoT-Bereich ein nötiges Tool. Der Buchstabe »I« steht ja stellvertretend für den Begriff Internet.

Beim Raspberry Pi? aus dem vorherigen Kapitel haben Sie bereits gesehen, dass das Board Schnittstellen zum kabelgebundenen Ethernet und mit WiFi-Dongle eine drahtlose Kommunikation zur Verfügung stellt.

Im Arduino-Umfeld muss für das Standard-Arduino-Board, den Arduino Uno, ein zusätzliches Shield eingesetzt werden, um eine Netzverbindung zum hausinternen Netzwerk oder zum Internet aufzubauen. Dieses Shield wird im nachfolgenden Abschnitt beschrieben.

Drahtlose Verbindung ??und die Verbindung zu einem WLAN-Router erfordert keine Kabelverbindung und in vielen Haushalten, Büros oder Bastler-Räumen steht meist ein WLAN inklusive Zugang zum Internet zur Verfügung.

In Kapitel 3 werden ausführlich die ESP8266?-Module von Espressif beschrieben, die bereits ein WiFi-Modul onboard beinhalten. Mit relativ wenig Aufwand können mit den ESP-Modulen? Sensor-Anwendungen über die Arduino-Entwicklungsumgebung realisiert werden.

2.1 Ethernet-Shiel?d

Mit dem Ethernet-Shield können Sie Ihren Arduino Uno über eine kabelgebundene Ethernet-Verbindung mit dem Internet verbinden.

Das Ethernet-Shield (Abbildung 2.1) ist das dienstälteste Shie?ld für Ethernet-Kommunikation. Die aktuelle Version ist das Ethernet-Shield 2 (https://store.arduino.cc/arduino-ethernet-shield-2), das neben dem Ethernet-Anschluss in Form eines R?J45-Steckers noch einen Adapter für eine SD-Karte enthält.

Abb. 2.1: Arduino-Ethernet-Shield (Bild: arduino.cc)

Mit dem Ethernet-Shield können 10/100-MB-Netzwerkverbindungen aufgebaut werden. Der Onboard-Ethernet-Controller wird über den SPI-Port angesteuert (Serial Peripheral Interface).

Die Software für die Ethernet-Kommunikation mit dem Ethernet-Shield erfolgt über die sogenannte Ethernet-Bibliothek:?

https://www.arduino.cc/en/Reference/Ethernet

Die Ethernet-Bibliothek ist in der Arduino-Entwicklungsumgebung standardmäßig installiert und kann direkt verwendet werden.

Dank der Standard-Arduino-Bauform des Ethernet-Shields können Sie weiterhin Sensoren und externe Bauteile und Module anschließen.

Das Ethernet-Shield ist bei vielen Elektronik-Lieferanten oder direkt im Arduino-Shop verfügbar. Neben dem Original-Board von Arduino sind auch etliche Ethernet-Shields von anderen Herstellern auf dem Markt.

Bei der Shield-Auswahl ist jeweils zu beachten, dass das Ethernet-Shield mit einem Ethernet-Controller vom Typ Wiz5100? ausgerüstet ist. Die Shields mit diesem Controller-Typ können mit der oben genannten Ethernet-Bibliothek angesteuert werden.

2.2 WiFi-Verbindun?g

Für die Realisierung einer drahtlosen Netzverbindung kommt man an den ESP8266-Modulen nicht vorbei. Diese kleinen und kostengünstigen Microcontroller-Module sind zum heutigen Zeitpunkt quasi die erste Wahl.

Die zentrale Hardware von Microcontroller-Modulen mit WiFi?-Schnittstelle sind die ESP-Module mit integrierter Antenne. In Abbildung 2.2 ist ein Typ ESP8266-?12 abgebildet, der direkt auf eine Leiterplatte gelötet werden kann.

Abb. 2.2: ESP8266-12

Für komplexere Anwendungen mit Netzzugang kann natürlich auch immer ein Raspberry Pi eingesetzt werden.

Boards mit den ESP8266-Modulen sind aber meist in kompakteren Bauformen verfügbar und eignen sich ideal als Sensor- oder Aktormodul. Sensormodule fühlen mit angeschlossenen Sensoren die Umwelt. Aktormodule sind Ausgangsmodule, die einen Relais- oder Motorausgang anbieten und für Schaltzwecke geeignet sind.

2.3 Arduino als Webclien?t

Ein Arduino Uno mit Ethernet-Shield wird in einer Anwendung als Webclient bezeichnet, wenn das Board Anfragen (Requests) an einen Webserver sendet.

Am Arduino ist in diesem Fall beispielsweise ein Licht- oder Temperatursensor angeschlossen. Der vom Arduino eingelesene Sensorwert wird dann an eine Webanwendung übermittelt.

Die Datenübermittlung erfolgt in Form eines URL?-Requests mit Parametern an eine externe Webanwendung. Die übermittelten Parameter sind dabei die Sensorwerte vom Arduino-Board. Die externe Webanwendung selbst verarbeitet nach Aufruf des Webrequests durch den Webclient (das Arduino-Board) die gesendeten Daten. Die Daten können beispielsweise in einer Datenbank gespeichert werden.

Ein solcher Webrequest mit Parametern kann so aussehen:

http://meinwebserver.com/sensor.php?sensorid=55&light=456;

Der Parameter sensorid identifiziert das Sensormodul oder den Sensor und der Parameter light ist der gemessene Wert.

Die Datenverarbeitung auf dem externen Server erfolgt in diesem Beispiel in der PHP-Datei sensor.php. Der Webclient selbst kann diese Verarbeitung nicht beeinflussen und hat auch keinen Einblick in diesen Programmcode. Falls die Webanwendung nach der Verarbeitung eine Rückmeldung sendet, weiß der Webclient, ob die Datenübertragung erfolgreich war.

Stückliste (Webclient)

1 Arduino Uno
1 Ethernet-Shield
1 Ethernet-Kabel
Drahtbrücken

Für den ersten Test des Webclients wird der Arduino mit Ethernet-Shield am Netzwerk angeschlossen. Als Testprogramm kann der Beispielcode Webclient aus der Ethernet-Bibliothek geladen und ausgeführt werden.

Im Beispielcode wird eine Suchanfrage mit dem Suchbegriff »arduino« bei Google (www.google.com) ausgeführt und die Antwort im seriellen Monitor dargestellt.

Die Suchanfrage hat folgende URL:

http://www.google.com/search?q=arduino

Netzwerktechnisch arbeitet der Webclient mit einer dynamischen Vergabe einer IP-Adresse durch den internen Router. Falls DHCP? fehlschlägt, wird die IP-Adresse, die im Sketch eingetragen ist, verwendet.

Meine Konfiguration sieht wie folgt aus:

IPAddress ip(10, 0, 1, 222); IPAddress myDns(10, 0, 1, 1);

Im seriellen Monitor kann nun der Webrequest an die Google-Website betrachtet werden (Abbildung 2.3).

Im Beispiel ist zu sehen, dass der Router dem Webclient die IP-Adresse 10.0.1.56 zugewiesen hat.

Abb. 2.3: Ethernet-Webclient - Webrequest im seriellen Monitor

Nach Aufruf des Google-Webservers sendet dieser die Antwort:

HTTP/1.1 200 OK

Der Error-Code 200 sagt aus, dass die Anfrage korrekt angekommen und ausgeführt wurde.

Der einfache Webclient mit dem Ethernet-Shield war also erfolgreich.

Im Code des Webclients sind die Daten für den Zielserver in einzelnen Zeilen abgelegt. Für den Server selbst wird die Serveradresse in der Variablen char server[] gespeichert (smarthome_kap2_webclient.ino).

char server[] = "www.google.com"; // name address for Google (using DNS)

Den Suchstring

/search?q=arduino

finden Sie nach der Initialisierung:

// if you get a connection, report back via serial: if (client.connect(server, 80)) { Serial.print("connected to "); Serial.println(client.remoteIP()); // Make a HTTP request: client.println("GET /search?q=arduino HTTP/1.1"); client.println("Host: www.google.com"); client.println("Connection: close"); client.println(); } ...

Für eigene Anwendungen kann dieser Teil des Webclient-Programms individuell angepasst werden. Dazu können Sie den Aufruf auch etwas aufteilen und in einzelnen Zeilen darstellen.

Für den Serveraufruf mit Parametern

http://meinwebserver.com/sensor.php?sensorid=55&light=456;

sieht der Programmteil dann so aus:

// if you get a connection, report back via serial: if (client.connect(server, 80)) { Serial.print("connected to "); Serial.println(client.remoteIP()); // Make a HTTP request: client.print("GET /sensor.php?sensorid=55&"); client.print("light=456"); client.println(" HTTP/1.1"); client.println("Host: www.meinserver.com"); client.println("Connection: close"); client.println(); } ...

2.4 Arduino als Webserve?r

Ein Aufruf einer Webadresse, wie beispielsweise die Buchwebsite unter https://555circuitslab.com löst eine Antwort auf einem Webserver aus. Die Antwort ist eine Seite im HTML-Format, wird an den Anfrager zurückgesendet und kann im...

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Heimautomation mit Arduino, ESP8266 und Raspberry Pi

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Inhalt

Kapitel 2: Internet-Connectivity

2.1 Ethernet-Shiel?d

Arduino-Shop

Reichelt

Bastelgarage

2.2 WiFi-Verbindun?g

2.3 Arduino als Webclien?t

Stückliste (Webclient)

2.4 Arduino als Webserve?r

Systemvoraussetzungen

Kapitel 2:
Internet-Connectivity