RaspberryMatic: Raspberry Pi Zero W als „W“LAN Gateway verwenden

Seit der RaspberryMatic Version 2.27.8.20170615 kann man auch eine Raspberry Pi Zero W als „W“LAN-Gateway verwenden und mit einer CCU2 oder HomeMatic Zentrale, auf der RaspberryMatic läuft, verbinden. Dadurch ist es möglich die Reichweite des HomeMatic BidCos-RF Netzes zu erweitern. Diese Lösung hat dann die gleiche Funktion wie das HomeMatic LAN-Gateway. Da dieser Einplatinenrechner sehr klein ist, bietet er sich für besondere Anwendungen geradezu an.

Ich hatte diese Idee, weil ich das Garagentor ebenfalls über HomeMatic steuere und nicht schon fast ins Tor fahren muss, damit die Fernbedienung im Auto die Zentrale erreicht. Da ich noch eine Raspberry Zero bei mir liegen hatte, habe ich mich dafür entschieden, zumal diese Platine in eine Standard Aufputzdose passt. Somit konnte ich das Gateway Staub- und Wassergeschützt direkt von innen hinter dem Garagentor montieren.

Ich betreibe bereits seit Ende März 2017 eine Raspberry Pi3 als LAN-Gateway und habe damit die Servicemeldungen aufgrund von Kommunikationsproblemen fast gegen null reduzieren können. Alle Aktoren im Keller werden jederzeit ohne Probleme erreicht. Eine Beschreibung der Einrichtung findet ihr in dem Artikel „Raspberry Pi 3 als LAN-Gateway verwenden“.

Die Raspberry Pi Zero W hat standardmäßig keinen LAN Anschluss, sondern verfügt „nur“ über eine  WLAN Schnittstelle. Somit ist es dann genau genommen kein LAN Gateway, sondern ein „W“LAN- Gateway. Das macht diese Lösung dann auch für Anwender interessant, die nicht im gesamten Haus eine entsprechende LAN Verkabelung zur Verfügung haben. Es wird somit einfacher die Reichweite von HomeMatic zu vergrößern. Auch die sehr kompakte Bauweise ermöglicht es, das Gateway überall im Haus zu platzieren. Es ist lediglich ein Stromanschluß erforderlich.

In diesem Artikel beschreibe ich wie ihr die Raspberry Pi Zero W einrichten könnt. Es soll neben meinem LAN-Gateway auf der PI3 im Keller mein zweiter Gateway in der Garage werden.

Warum ein LAN-Gateway

In schwierigen Empfangslagen und auf sehr großen Arealen kann es vorkommen, dass die Funksignale der HomeMatic Zentrale CCU2 oder RaspberryMatic weit entfernte HomeMatic Funkkomponenten nicht mehr sicher erreichen. Der Funk-LAN-Gateway soll hier die Lösung für eine höhere Betriebssicherheit sein. Es können maximal 3 LAN-Gateways installiert und in die Zentrale eingebunden werden.

Er wird über das stationäre Computernetzwerk (LAN) an die CCU2/RaspberryMatic angebunden und dient als Funk-Netzwerkknoten, der die Verbindung zu den in seiner Funkreichweite befindlichen HomeMatic Funkkomponenten hält und diese in das Gesamtsystem einbindet.

Dies ist oft die einzig mögliche Lösung bei stark schirmenden baulichen Funkhindernissen, Funkstörungen durch andere Teilnehmer oder sehr große Entfernungen. Dabei bleibt die Funkschnittstelle der CCU2/RaspberryMatic selbst aktiv, sie kann also die in ihrer Reichweite liegenden HomeMatic Komponenten nach wie vor erreichen.

Das LAN-Gateway unterstützt ausschließlich das HomeMatic Funkprotokoll und kann nicht zur Reichweitenverlängerung von HomeMatic IP eingesetzt werden!

Soweit die Theorie. Hier versuche ich das Ganze mit einem  LAN-Gateway auf einer Raspberry Pi Zero W zu realisieren und über meine Erfahrungen damit zu berichten.

Raspberry Pi Zero W, die Hardware

Der Raspberry Pi Zero W wurde offiziell am 28. Februar 2017 vorgestellt und kann seit diesem Zeitpunkt auch in Deutschland online bestellt werden. Anfangs war das nicht so einfach, aber zwischenzeitlich gibt es mehrere Händler, welche den Pi Zero W anbieten. Ich habe  mir das folgende Raspberry Pi Zero W Kit bestellt, weil ich ja für das HomeMatic Funkmodul die GPIO Schnittstelle benötige. Zusätzlich sind auch die notwendigen Adapter für USB und HDMI dabei.

Um diese nutzen zu können, müssen die 40 Pins auf die Platine (Foto links) gelötet werden. Das ist etwas für einen Löt-Profi und daher nichts für mich. An dieser Stelle vielen Dank an Sebastian für die Durchführung der Löt-Arbeiten.

Beim Raspberry Pi Zero W (wireless) handelt es sich um ein Update des Modells Raspberry Pi Zero. Die technischen Daten sind daher weitgehend gleich wie beim direkten Vorgänger. Wie beim Zero ist im Zero W eine Broadcom BCM2835 Single-Core-CPU verbaut, die mit 1 GHz getaktet ist. Auch die weiteren technischen Spezifikationen sind identisch: Insgesamt verfügt der Zero W über 512 MByte Arbeitsspeicher, einen Mini-HDMI-Ausgang sowie einen USB On-The-Go-Anschluss zum Verbinden von Peripherie-Geräten. Dazu kommen Micro-USB, eine 40-pin-GPIO-Stiftleiste, ein Micro-SD-Kartenslot,  ein CSI-Camera-Connector.

Bei all dem sollte man natürlich auch noch mal betonen, wie groß (genauer: wie klein) der Raspberry Pi Zero W ist. Der Mini-Computer ist gerade einmal 6,5 cm lang, 3 cm breit und einen halben Zentimeter hoch.

Technische Daten Raspberry Pi Zero W
Maße	65mm × 30mm × 5mm
CPU	Broadcom BCM2835 1 GHz
RAM	512 MB
WLAN	2.4GHz 802.11n Wireless LAN
Bluetooth	Bluetooth 4.0 und Bluetooth LE
Stromversorgung	5V via Micro-USB-Anschluss
Video/Audio	1080P HD Video & Stereo-Audio via mini-HDMI-Anschluss
Speicher	individuell via Micro-SD-Karte
Ausgänge	Micro USB
GPIO:	40 PIN

RaspberryMatic Image laden

Nachdem wir uns die Hardware genauer angeschaut und die GPIO Schnittstelle aufgelötet haben, müssen wir nun das RaspberryMatic Image auf die Micro-SD-Karte laden. Wie das genau gemacht werden muss, könnt ihr in dem folgendem Artikel nachlesen: HomeMatic: CCU2 auf eine Raspberry Pi auslagern – RaspberryMatic

Zuerst müssen wir die aktuelle Version von RaspberryMatic herunterladen. Das Image findet ihr hier: https://github.com/jens-maus/RaspberryMatic/releases/latest

ACHTUNG!

Bisher gab es nur ein Image für die Raspberry Pi. Seit der Version vom 15.06.2017 existieren abhängig von der Pi Hardware zwei verschiedene Images.

Downloads

Raspberry Pi Zero W, Raspberry Pi Zero, Raspberry Pi Compute Module 1, Raspberry Pi1 (A+ / B+)

• RaspberryMatic-x.xx.x.xxxxxxxx-rpi0.zip

Raspberry Pi3, RaspberryPi3 B+, Raspberry Pi2, Raspberry Pi Compute Module 3 (lite)

• RaspberryMatic-x.xx.x.xxxxxxxx-rpi3.zip

Voraussetzungen

Nachdem das Image auf die SD-Karte geschrieben ist, muss die Raspberry Pi Zero W gestartet werden. Um den Bootvorgang verfolgen zu können und die notwendigen Eingriffe machen zu können, muss sowohl ein Bildschirm wie auch eine Tastatur angeschlossen werden.

Erster Start der Raspberry Pi Zero W

Nachdem das Image auf die SD-Karte geschrieben ist, muss die Raspberry Pi Zero W gestartet werden. Dazu wie beschrieben eine Tastatur, einen Bildschirm und das Netzteil auf der USB Seite anschließen, die SD-Karte in den Slot stecken und erst dann das Netzteil in die Steckdose einstecken.

Nun könnt ihr am Bildschirm den Bootvorgang beobachten und seht diverse Schritte, welche durchgeführt werden. Nach wenigen Minuten kommt beim ersten Start unweigerlich die folgende Fehlermeldung:

Ursache:

Da die WLAN Konfiguration noch nicht an das eigene Netzwerk angepasst wurde, bekommt man diesen Fehler grundsätzlich beim ersten Start. (kann aktuell nicht umgangen werden)

Konfiguration

An dieser Stelle wird dann klar, warum es sowohl einen Bildschirm, als auch eine Tastatur braucht, denn man muss nun die WLAN Konfiguration unter LINUX vornehmen. Dazu sind leider ein paar Befehle an der Konsole einzugeben und am Ende auch über den LINUX eigenen Editor VI eine Datei zu verändern. Dieser Editor ist aus den siebziger Jahren und etwas „unhandlich“, wenn man nicht regelmäßig damit arbeitet. Ich versuche aber die wenigen notwendigen Schritte zu beschreiben, damit es funktioniert.

Um überhaupt auf die Konsole der Raspberry Pi Zero W zu kommen müsst ihr an der Stelle wo die obige Fehlermeldung erscheint, die folgenden Schritte durchführen:

• ALT+F2 drücken
• dann Enter Taste drücken
• nun müsst ihr euch als ‚root‘ einloggen (ohne Passwort)

Damit seid ihr auf der Konsole „angekommen“ und könnt euch nun um die Konfiguration des WLANs kümmern. Grundsätzlich habe ich das in diesem Artikel bereits beschrieben, gehe aber hier nochmal speziell auf die Besonderheiten der Definitionen auf der Raspberry Pi Zero W ein.

Mit dem folgenden Befehl wird die Standard Konfigurationsdatei „wpa_supplicant.con“ aus dem Template Verzeichnis in das Verzeichnis /etc/config/ kopiert. Wenn nach der Eingabe des Befehls keine Fehlermeldung erscheint, hat er funktioniert. Es gibt keine OK Meldung.

cp /etc/config_templates/wpa_supplicant.conf /etc/config/

Danach muss ein Befehl ausgeführt werden, in dem ihr statt „SSID“ den Namen des gewünschten WLANs angeben müsst. Unter „PASSWORT“ bitte euer WLAN Passwort eingeben. In der Ausgabe des Befehls wird das eingegebene Passwort als „passphrase“ ausgegeben. Somit wird später in der Konfigurationsdatei das Passwort nicht in Klarschrift zu sehen sein.

wpa_passphrase „SSID“ „PASSWORT"

Als nächstes wechseln wir mit dem folgenden Befehl in das Verzeichnis /etc/config/

cd /etc/config/

Zur Kontrolle mit dem folgenden Befehl nachschauen ob die Datei „wpa_supplicant.conf“ im oben beschriebenen Verzeichnis vorhanden ist.

ls

Nun die Datei „wpa_supplicant.conf“ mit dem Editor VI im Verzeichnis /etc/config/ editieren und die folgenden Felder verändern:

ssid=“PUT_YOUR_WLAN_SSID_HERE“   =   hier euren WLAN Namen eingeben innerhalb der Anführungszeichen.

psk=PUT_YOUR_PSK_KEY_HERE   =   den hexadezimalen String den das ‚wpa_passphrase‘ Kommando ausgegeben hat (NICHT das Klartext Passwort).

Der VI ist etwas gewöhnungsbedürftig und zur Unterstützung hier ein Link zu einer ganz brauchbaren Beschreibung der möglichen Befehle.

Mit dem folgenden Befehl die Datei im Editor öffnen.

vi wpa_supplicant.conf

ACHTUNG:

In den neueren RaspberryMatic Versionen sind die Zeilen durch das # Zeichen auskommentiert. Daher bitte die im nachfolgenden Screenshot „rot“ markierten # Zeichen löschen. Sonst funktinioniert das nicht!

Mit Hilfe der Cursortasten den Cursor an die Stelle positionieren wo eure SSID eingetragen werden soll. An dieser Stelle dann ein „i“ für „insert“ eingeben. Damit gelangt ihr in ein Einfügemodus und könnt nun den Test „PUT_YOUR_WLAN_SSID_HERE“ durch eure SSID ersetzen (Anführungszeichen müssen beibehalten werden. Die nach rechts verschobenen Zeichen könnt ihr mit der „ENTF-Taste“ entfernen.

Jetzt mit den Cursortasten den Cursor an die Stelle positionieren wo ihr die oben ermittelte Passwortphrase eingeben müsst. Hier wie oben verfahren die Werte einfügen und die verschobenen Zeichen mit „ENTF“ entfernen.

Wenn ihr die beiden Felder nochmal überprüft habt, müsst ihr den Einfügemodus wieder verlassen, ansonsten ist ein Speichern nicht möglich. Dazu müsst ihr die „ESC-Taste“ drücken.

Jetzt “:wq“ eingeben um eure Änderungen zu speichern und die Datei zu verlassen.

Neustart

Seid ihr mit den Änderungen fertig könnt ihr den Raspberry Pi Zero W neu starten. Dazu über SSH den folgenden Befehl eingeben oder kurz vom Strom trennen.

reboot

Wie anfangs könnt ihr den Bootvorgang am Bildschirm verfolgen und wenn alles richtig gelaufen ist und eurer Router keine MAC Tabelle verwendet oder nur bekannte Geräte im WLAN zulässt, sollte am Ende die nachfolgende Meldung stehen. Dort könnt ihr die gestartete RaspberryMatic Version und die verwendete IP Adresse sehen.

Danach könnt ihr eure HomeMatic Zentrale auf der Raspberry Pi Zero W entweder über die oben angezeigte IP-Adresse oder http://homematic-raspi/ in eurem Netzwerk erreichen.

Einrichtung der Raspi Zero als LAN-Gateway

Um diesen Schritt hier nochmas ausführlich niederzuschreiben, verweise ich auf den Artikel „Raspberry Pi 3 als LAN-Gateway verwenden„. Dort findet ihr die notwendigen Schritte und nachdem ihr das Gateway einrichtet und in der Zentrale verbunden habt, könnt ihr hierher zurück kehren.

Einschränkung

Aufgrund der kompakten Bauweise des Raspberry Pi Zero W befinden sich die Onboard WLAN Schnittstelle und das HomeMatic Funkmodul in unmittelbarer Nachbarschaft. Das führt dazu dass sich die beiden Funksignale mit der Standard Antenne so stark beeinträchtigen, dass fast kein Befehl mehr korrekt an die Aktoren gesendet wird (Flut von  Servicemeldungen)

Ich hatte trotz der externen Antenne (zum Artikel) dann auch noch viele Servicemeldungen (Kommunikationsproblem zu Aktoren), weil sich diese dann auch noch zu dicht an der WLAN Schnittstelle befindet. Daraufhin habe ich die „868 MHz Antenne HT250A H-TRONIC“ eingesetzt und seitdem habe ich diese Probleme nicht mehr. Diese Antenne kann aufgrund des 5 Meter langen Kabels weit von der RaspberryMatic entfernt positioniert werden. Diese Einschränkung sollte man bei der Planung beachten, wenn man auf WLAN  umsteigen möchte.

Ich habe auch gelesen, dass durch ein Raspberry Gehäuse aus Metall die Leistung der Onboard WLAN Schnittstelle in ihrer Leistung eingeschränkt wird.

Fazit

Abschließend möchte ich folgendes Zusammenfassen. Die Einrichtung lief auf der Raspberry Pi Zero W wie beschrieben problemlos. Die Stabilität des Systemes ist auch absolut in Ordnung. Meine HomeMatic Test Umgebung auf der Raspberry Pi Zero W läuft seit Monaten ohen Ausfälle.

Für den beschriebenen Einsatzfall einer Verlängerung der HomeMatic RF Reichweite, um das Garagentor frühzeitig öffnen zu können, finde ich die Raspberry Pi Zero als „W“LAN-Gateway echt gelungen.

Die oben erwähnte Antenne funktioniert sehr gut. Seit ihrem Einsatz habe ich keine Servicemeldung bzgl. Kommunikationsprobleme mehr gehabt. Ist sicher grundsätzlich eine Überlegung wert, auch wenn man nicht auf WLAN umsteigen möchte. Sowohl für die Original CCU2 wie auch für die Raspberry Pi Plattform.