Raspberry Pi 2 Home Automation mit Windows 10 IoT Core: Komplettanleitung

Komponenten und Zubehör

Raspberry Pi 2 Model B	×	1
HSRel5 – I²C-Relaisplatine (5 Relais, 3 GPIO, PCF8574)	×	1
HSRel8(+8) – 8-fach Relaisplatine (8 Relais, 8 GPIO, MAX7311)	×	1
I2C-Port 16 HS – 16-Bit Port Expander (MAX7311)	×	1
DR-60-12 Hutschienen-Netzteil 12 V / 54 W	×	1
Hutschienen-Netzteil 5 V / 3 A (MeanWell DR-30-5)	×	1
Prototyping Shield für Raspberry Pi (Status-LED, Interrupt-Eingang, Schraubklemmen)	×	1
I2C-Buffer HS (P82B96 Level-Shifter + Pull-ups)	×	1
Arduino Nano R3 (I²C-Slave für DHT22-Sensoren)	×	1
433 MHz Sender & Empfänger (für Funk-Relais)	×	1

Software und Dienste

• Microsoft Visual Studio 2015
• Arduino IDE

Projektübersicht

Update 2: Projekt wächst stetig (Twitter-Client, Telegram-Bots). Details im GitHub-Repo und Releasenotes.

Update 1: Danke für Feedback! Projekt auf Maker Faire Rome 2015 & Microsoft Technical Summit 2015 vorgestellt.

Seit 3 Jahren Entwicklung einer kompletten Hausautomation: Hardware-Installation (230 V Verkabelung durch Elektriker) und Software (Windows 10 IoT Core auf Pi 2).

Features

Eingänge (Inputs)

• Taster (Busch-Jaeger 2020US)
• Bewegungsmelder (Abus 360° BW8085)
• Raumtemperatur (Eigenbau DHT22)
• Luftfeuchtigkeit (Eigenbau DHT22)
• Fensterzustand (Reed-Kontakt Honeywell Slimline)
• Sonnenauf-/untergang, Außentemperatur & -feuchte (OpenWeatherMap)

Ausgänge (Outputs)

• Deckenlampe (Relais, kein Dimmen)
• Steckdose (Relais, kein Dimmen)
• Rollladen (2 Relais für Auf/Ab)
• Deckenventilator (3 Relais für Stufen)
• Badlüfter (2 Relais für Stufen)

Weitere Funktionen

• Web-App für iOS, Android, Windows, macOS (Konfiguration wird vom Controller geladen)
• Event-Logging zu Microsoft Azure Event Hub und/oder CSV
• UDP-Tracing für Debugging (Konsolen-App)
• Benutzerdefinierte Aktoren erweiterbar
• Physische Ausgänge zu logischen Gruppen kombinierbar
• Animationen für logische Ausgänge
• Hohe Ausfallsicherheit: Teilsysteme funktionieren unabhängig
• Unterstützung 433-MHz-Funkrelais

Das Konzept

Alles wird vom Verteilerkasten aus über Relais geschaltet. Jeder Taster, jede Lampe, jeder Rollladen hat ein eigenes Kabel zum Verteiler. Kein Bussystem (KNX/EIB) nötig. Hinweis: Installation 230 V durch Fachmann!

Hardware-Details

Der neue Verteilerkasten

Der I²C-Bus (optimiert für lange Leitungen)

• Bus auf 5 V betreiben → Level-Shifter P82B96 direkt am Pi (kurzes Kabel).
• Verdrilltes Paar (CAT7): ein Paar für SDA+GND, eines für SCL+GND. Schirmung auf PE.
• Litzenkabel bevorzugen (bessere HF-Eigenschaften).
• Am Busende 10 kΩ Pull-ups für SDA & SCL.
• Busgeschwindigkeit auf 100 kBit/s begrenzen (Standard Mode).
• I²C-Buffer (P82B96) in Busmitte als Repeater/Segmentierung.

So lassen sich alle Platinen im Verteiler zuverlässig anbinden.

Relaisplatinen (Ausgänge)

CCTools (Deutschland) liefert I²C-Relaisplatinen. HSRel5: 5 Relais + 3 GPIO über PCF8574 (8 Bit). Relais brauchen 12 V → Treiber (ULN2803) + Inverter nötig, da PCF8574 nach Power-On HIGH ausgibt (Relais würden ungewollt einschalten). Logik: LOW am Port → Relais AN. HSRel8(+8): MAX7311, 8 Relais + 8 GPIO, kein Inverter nötig (HIGH = AN). Unterschied wird im Treiber behandelt. Adressierung: PCF8574 (8 Adressen) + PCF8574A (weitere 8) → max. 16 HSRel5 am Bus.

Port-Expander (Eingänge)

I2C-Port16 HS (MAX7311) mit 16 Eingängen, 10 kΩ Pull-ups (5 V), 100 nF Keramikkondensatoren als Glitch-Filter. Jedes Eingabegerät (Taster, Melder, Reed) hat eigenes CAT7-Kabel (Schirm auf PE). Mehrere Taster an einer Stelle teilen sich ein Kabel. Gemeinsamer Interrupt-Draht (Pull-up) verbindet alle Eingangsplatinen: Zustandsänderung zieht Interrupt auf LOW → Pi pollt nur bei Interrupt, nicht kontinuierlich.

Raspberry Pi 2

Läuft unter Windows 10 IoT, im Verteilerkasten montiert (Custom Case). Prototyping Shield mit Status-LED, Interrupt-GPIO (10 kΩ Pull-up, 1 kΩ Schutz, 100 nF Filter), Schraubklemmen für alle Leitungen.

Temperatur- & Feuchtesensoren (DHT22)

10 Sensoren (DHT22) an Arduino Nano als I²C-Slave. Nano liest alle 2,5 s alle Sensoren (proprietäres 1-Wire-Protokoll, keine Adressierung) und cached Werte. Pi liest per I²C Register-artig (Port-ID 0–10). Anzeige in Web-App: zwei Ansichten, Schimmelrisiko-Indikator bei Feuchte (>70 % rot, >60 % gelb, sonst grün).

Hardware-Aufbau im Verteiler

433-MHz-Funkrelais

Sender (FS1000A) im Gehäuse mit DHT22-Sensoren, 12 V für höhere Reichweite. Arduino Nano sendet Codes. Problem: Funkrelais senden keinen Status zurück → Software synchronisiert alle 5 s. Codes werden manuell über einen separaten Arduino-Sketch (RemoteCodeFinder) ausgelesen und in Konfiguration übernommen.

Digitales Katzenklo

Katzenklo an ungenutztem Schornstein mit Lüfter (Relais). Bewegungsmelder erkennt Katze → Lüfter läuft einige Minuten. Web-App zeigt eigenes Symbol, manuelle Steuerung möglich. Logs ermöglichen Analyse der Nutzungsintervalle.

Software-Architektur

Ursprünglich .NET Micro Framework auf GHI G120 (120 MHz, 16 MB RAM) – zu langsam. Migration auf Windows 10 IoT Background Task + Azure-Integration. Repository: CK.HomeAutomation (VS2015 Solution).

Projektstruktur

• App: Web-App (AngularJS, jQuery, Bootstrap)
• Controllers: Startup-Projekte (IoT Background Tasks), z. B. CK.HomeAutomation.Controller.Empty als Vorlage
• SDK: Shared Libraries

Wichtige SDK-Projekte

• CK.HomeAutomation.TraceViewer: Konsolen-App für UDP-Trace (Port 19227 Firewall).
• CK.HomeAutomation.Networking: HTTP-Server (JSON-API, Web-App Hosting). Web-App-Inhalte per SMB in \\\[IP\]\c$\Users\DefaultAccount\AppData\Local\Packages\CK.HomeAutomation.Controller-uwp_p2wxv0ry6mv8g\LocalState\app kopieren.
• CK.HomeAutomation.Controller.*: Je Controller ein Startup-Projekt. Setup per PowerShell (SetupRaspberryPi.ps1, IPs anpassen!).
• CK.HomeAutomation.Actuators: Hohe Abstraktion: Home, Rooms, Aktoren (Taster, Lampen, Rollläden…) mit Fluent-API für Konfiguration.
• MotionDetector, Button, BinaryStateOutput (Socket/Lamp), CombinedBinaryStateActuator, StateMachine (Lüfterstufen, Moods), Temperature/HumiditySensor – alle als Aktoren mit Events/Methoden.

Automationen

• AutomaticTurnOnAndOff: Trigger (Taster/Bewegungsmelder) → AN für Dauer X, optional Zeitfenster (Tag/Nacht via Wetterstation).
• AutomaticRollerShutter: Sonnenauf/untergang (Wetterstation), Außentemperatur (z. B. Dachfenster zu bei >28 °C), Positionsverfolgung über Zeit.
• AutomaticConditionalOn: Mehrere Binärausgänge AN solange Bedingungen passen (z. B. Gartenlicht nur nachts).
• Generische Automation & Conditions: Beliebige Aktionen bei Triggern (Taster, Intervall, Code) wenn Bedingungen erfüllt.

Wetterstation

Virtuelle Wetterstation via OpenWeatherMap API (alle 60 s), Interface IWeatherStation für einfache Einbindung physischer Stationen.

Hardware-Treiber (CK.HomeAutomation.Hardware)

Treiber für CCTools-Relais/Input-Boards, 433-MHz-Schalter, Arduino Nano (Sensor-Bridge & 433-MHz-Sender). Abstraktion über Interfaces für einfache Erweiterung.

Telemetrie (CK.HomeAutomation.Telemetry)

• CSV-Logger: Jeder Zustandswechsel in BinaryStateOutputActuatorChanges.csv (per SMB abrufbar).
• Azure Event Hub Publisher: Zustandsänderungen & Sensorwerte an Azure Event Hub → Stream Analytics → Azure SQL → Power BI Reports.

Web-App

Projekt CK.HomeAutomation.App (AngularJS, jQuery, Bootstrap). Raumkonfiguration wird vom Pi geladen, UI dynamisch erzeugt. Configuration.js für IP, Übersetzung, Icons. Als Datei oder auf Webserver (z. B. BananaPi + nginx) hostbar. Homescreen-Icon unter iOS nur bei Webserver-Hosting möglich.

Terminal

Altes iPad 3 im Wohnzimmer als Wand-Tablet.

Zukunftspläne

• IR-Aktoren (RGB-Strips)
• XML-Konfiguration neben Code
• Dedizierte Tablet-App
• Reed-Schalter für Fensterzustand in Web-App
• Treiber für Fremdhersteller (433 MHz)
• Heizungsventilsteuerung (Ausgänge & Temp.-Lesen schon da)
• Alarmsystem (Bewegung, offene Fenster)
• Hardware-Wetterstation
• Rollläden zu bei Regen & offenem Fenster
• Mehr Unit Tests, Wiki-Doku, Animationen (portieren von NETMF)

Mitwirkung erwünscht! Kontakt bei Interesse (Hardware, Software, Doku).

Code

Komplettes Repository: https://github.com/chkr1011/CK.HomeAutomation.git

Schaltpläne

• Schaltung zum Auslesen von 433-MHz-Fernbedienungscodes
• DHT22-Sensorplatine (pro Raum)
• Pi-Shield (Status-LED, I²C, Interrupt, Schraubklemmen)
• Kombi-Sensor: DHT22 + 433-MHz-Sender (zentral, eines pro Haus)