Günstige Zigbee-Türklingel für unter 20 $ – Smarter Audio-Alarm fürs Smart Home

Komponenten und Zubehör

Bauteil	Menge
Arduino Nano R3	1
Cree Connected LED Bulb (Zigbee, dimmbar)	1

Apps und Online-Dienste

• Arduino IDE

Projektbeschreibung

Ausgangslage

Ich betreibe ein umfangreiches Zigbee/Z-Wave-Mesh-Netzwerk für meine Heimautomatisierung (über SmartThings), das Beleuchtung, Stromverbrauch, Wetterwarnungen und sogar Erinnerungen an die Fütterung der Hunde steuert. Die Benutzeroberfläche läuft komplett über eine Smartphone-App, Alarme werden per Push oder SMS versendet. Ein Anwendungsfall fehlte jedoch: ein freundlicher Gong, der Bewohner über Zustandsänderungen im Haus informiert – geöffnete Türen/Fenster/Safes/Tore, herannahendes Unwetter oder zu hohe Temperatur im Kinderzimmer.

Das Problem

Es gibt zwar laute Sirenen für Bewegungs- oder Tür-/Fensterkontakte, aber keine einfache Türklingel – ein Standardmerkmal fast jeder Alarmanlage. Lösungen wie das Hacken eines Funk-Türklingelsensors scheiterten an der Einbindung ins Zigbee/Z-Wave-Netz. SmartThings bietet eine API für Sonos-Lautsprecher (teuer), und Ketten über IFTTT, Twitter und einen WLAN-Arduino sind überkompliziert und langsam. Alle Ansätze lagen weit über 40 $ – ich wollte die gleiche Funktionalität mit besserer Performance für unter 20 $.

Die Cree Connected LED Bulb als Schlüssel

Bei Home Depot kostet die Cree Connected Bulb 15 $ und ist meine Lieblings-Smart-Bulb: Lichtausbeute, Farbtemperatur, Dimmbereich, Lebensdauer und Funkreichweite sind in dieser Preisklasse unschlagbar. Ich hatte noch einige übrig und wollte prüfen, was sich sonst noch damit anstellen lässt. Andere haben die Birnen zerlegt und festgestellt, dass die gesamte Zigbee-Elektronik auf einer einzigen Breakout-Platine sitzt und mit 3,3 V betrieben wird – da wurden meine Arduino-Sinne hellhörig.

Auf der Zigbee-Platine befindet sich ein Atmel SAMR21 (32-bit ARM Cortex, 256 KB Flash). Das offizielle Dev-Board dafür kostet 42 $ – für 15 $ ein echtes Schnäppchen.

Proof of Concept mit SmartThings

Ein schneller Proof-of-Concept nutzt einen Zustandsänderungs-Monitor auf dem Arduino, um einen Piezo-Summer als „Gong“ auszulösen. Die Dimm- und Ein/Aus-Ausgänge der Birne funktionieren weiterhin, und über die SmartThings-App-Engine lässt sich beliebige Logik aufbauen.

Auch ohne Arduino kann der digitale Pin direkt ein Relais ansteuern – damit lassen sich LED-Strips, Garagentore, Motoren/Pumpen etc. schalten.

Da einer der Pins PWM ausgibt, kann man ihn an einen analogen I/O-Pin des Arduino legen und Werte von 1–100 % einlesen. In SmartThings sind das 10 %-Schritte, also 11 diskrete Ausgänge (10 Stufen + Ein/Aus). Damit lassen sich unterschiedliche Alerts für verschiedene Türen/Fenster realisieren.

Das Konzept geht über einen einfachen Gong hinaus: Ein weiteres Projekt steuert per Arduino eine IR-Blende für Fenster-Klimageräte – nun integriert mit SmartThings, sodass Anwesenheits- und Hauszustand berücksichtigt werden. Da alles mit 3,3 V läuft, eignet sich auch ein ATtiny85 mit 3,7 V Li-Ion-Akku für ein winziges, portables Paket. Das Netzteil der Birne (120 V AC → 3,3 V DC) habe ich für künftige Projekte aufbewahrt.

Die Community wird sicher weitere Anwendungen finden – Kommentare und eigene Nachbauten sind willkommen!

Code

DoorChime Sketch (C/C++)

#include <Tone.h>
#include "pitches.h"

/* Quick sketch as PoC for viability of using Cree Connected LED's zigbee board to drive other devices (a speaker in this case).
   Modified by Buddy Crotty - March 2015 version 0.1.2
   Completely copied from Tom Igoe's example sketches:
   State change detection (edge detection)
   toneMelody
   This example code is in the public domain.
   https://arduino.cc/en/Tutorial/ButtonStateChange
   https://arduino.cc/en/Tutorial/Tone
   Zigbee board from Cree Connected LED
   pin 1 ground
   pin 2 3.3Vin
   pin 3 PWM Out
   pin 4 Digital Out
   circuit:
   * 8-ohm speaker on digital pin 8
   * Pin 2 connected to zigbee board pin 4
*/

const int buttonPin = 2;
const int speakerPin = 8;

int buttonPushCounter = 0;
int buttonState = 0;
int lastButtonState = 0;

int melody[] = { NOTE_GS2, NOTE_GS2, NOTE_B2, NOTE_GS2, NOTE_FS2, NOTE_E2, NOTE_DS2 };
int noteDurations[] = { 4, 8, 8, 8, 8, 3.5, 3 };

void setup() {
  pinMode(buttonPin, INPUT);
  pinMode(speakerPin, OUTPUT);
}

void loop() {
  buttonState = digitalRead(buttonPin);
  if (buttonState != lastButtonState) {
    if (buttonState == HIGH) {
      buttonPushCounter++;
      for (int thisNote = 0; thisNote < 8; thisNote++) {
        int noteDuration = 10000 / noteDurations[thisNote];
        tone(speakerPin, melody[thisNote], noteDuration);
        int pauseBetweenNotes = noteDuration * 1.30;
        delay(pauseBetweenNotes);
        noTone(speakerPin);
      }
    } else {
      Serial.println("off");
    }
    delay(50);
  }
  lastButtonState = buttonState;

  if (buttonPushCounter % 2 == 0) {
    digitalWrite(speakerPin, HIGH);
  } else {
    digitalWrite(speakerPin, LOW);
  }
}

pitches.h (C/C++)

/*************************************************
 * Public Constants
 *************************************************/
#define NOTE_B0  31
#define NOTE_C1  33
#define NOTE_CS1 35
#define NOTE_D1  37
#define NOTE_DS1 39
#define NOTE_E1  41
#define NOTE_F1  44
#define NOTE_FS1 46
#define NOTE_G1  49
#define NOTE_GS1 52
#define NOTE_A1  55
#define NOTE_AS1 58
#define NOTE_B1  62
#define NOTE_C2  65
#define NOTE_CS2 69
#define NOTE_D2  73
#define NOTE_DS2 78
#define NOTE_E2  82
#define NOTE_F2  87
#define NOTE_FS2 93
#define NOTE_G2  98
#define NOTE_GS2 104
#define NOTE_A2  110
#define NOTE_AS2 117
#define NOTE_B2  123
#define NOTE_C3  131
#define NOTE_CS3 139
#define NOTE_D3  147
#define NOTE_DS3 156
#define NOTE_E3  165
#define NOTE_F3  175
#define NOTE_FS3 185
#define NOTE_G3  196
#define NOTE_GS3 208
#define NOTE_A3  220
#define NOTE_AS3 233
#define NOTE_B3  247
#define NOTE_C4  262
#define NOTE_CS4 277
#define NOTE_D4  294
#define NOTE_DS4 311
#define NOTE_E4  330
#define NOTE_F4  349
#define NOTE_FS4 370
#define NOTE_G4  392
#define NOTE_GS4 415
#define NOTE_A4  440
#define NOTE_AS4 466
#define NOTE_B4  494
#define NOTE_C5  523
#define NOTE_CS5 554
#define NOTE_D5  587
#define NOTE_DS5 622
#define NOTE_E5  659
#define NOTE_F5  698
#define NOTE_FS5 740
#define NOTE_G5  784
#define NOTE_GS5 831
#define NOTE_A5  880
#define NOTE_AS5 932
#define NOTE_B5  988
#define NOTE_C6  1047
#define NOTE_CS6 1109
#define NOTE_D6  1175
#define NOTE_DS6 1245
#define NOTE_E6  1319
#define NOTE_F6  1397
#define NOTE_FS6 1480
#define NOTE_G6  1568
#define NOTE_GS6 1661
#define NOTE_A6  1760
#define NOTE_AS6 1865
#define NOTE_B6  1976
#define NOTE_C7  2093
#define NOTE_CS7 2217
#define NOTE_D7  2349
#define NOTE_DS7 2489
#define NOTE_E7  2637
#define NOTE_F7  2794
#define NOTE_FS7 2960
#define NOTE_G7  3136
#define NOTE_GS7 3322
#define NOTE_A7  3520
#define NOTE_AS7 3729
#define NOTE_B7  3951
#define NOTE_C8  4186
#define NOTE_CS8 4435
#define NOTE_D8  4699
#define NOTE_DS8 4978

Schaltpläne

DoorChime.fzz