Ich schlage vor, wir arbeiten uns von unten nach oben auf dieser Seite durch. Damit meine ich:
Welche Möglichkeiten gibt es, Geräte zu schalten?
Wie entsteht die Zusammenfügung der Geräte im Netzwerk, damit sie alle einfach und sicher online bedient werden können?
Wie steht es mit der Erreichbarkeit aus dem Internet?
Welche zusätzlichen Komponenten gibt es? (Automatisierung, etc.)
Die Komponenten kann man nicht wirklich nur einer dieser Schubladen zuordnen. Vielmehr wurde auf ein gutes Zusammenspiel Wert gelegt.
Vielleicht mal ein Beispiel aus der Industrie-Praxis:
Automatisierte Anlagen in der Industrie
Es gibt tolle automatiserte Anlagen mit Robotern und Maschinen in der Industrie.
Aber vom Grund her bestehen sie aus 2 Arten von Komponenten:
Die Kopfsteuerung, meist eine SPS mit tollem Touch-Screen für die Bedienung.
Die Module, das sind Maschinen, Roboter, etc.
Ist die Anlage in Betrieb, sagt die Kopfsteuerung zu den jeweiligen Modulen: "Du machst jetzt das." Sind die Module fertig damit, melden sie es der Kopfsteuerung zurück. Und das Spiel geht von vorn los.
Allein die Kopfsteuerung bestimmt den Ablauf in der Anlage. Die Module tun blind ihre Arbeit.
Wollen wir als Menschen auch so arbeiten, den ganzen Tag den Chef im Rücken, der uns Anweisungen gibt? Geht oft gar nicht, weil der Chef die einzelnen Tätigkeiten nicht kennt.
So, wie wir Menschen vernünftig zusammen arbeiten können, so soll das UKSwitch-System sein.
Ein WLan-Modul ist ein Objekt des UKSwitch-Systems.
Das WLan-Modul ermöglicht Geräte online im Heimnetz zu schalten.
An einem WLan-Modul können bis zu 8 Geräte angeschlossen werden.
Diese Komponente ist für den Einsatz in Mietswohnungen gedacht, kann aber auch im Garten, etc. genutzt werden.
Es genügt eine geringe Signalstärke des WLan-Netzes, da nur geringe Datenmengen übertragen werden.
Es besitzt weitere folgende Eigenschaften:
Es besitzt einen Server, der bis zu 8 Verbindungen gleichzeitig bedienen kann.
Es besitzt keinen richtigen Webserver, kann aber Webseiten für die Konfiguration senden.
Es kann im Heimnetz direkt ohne weiteres Zutun genutzt werden. Dafür besitzt es sogar eine Hilfe-Funftion (help). Zugang vom Internet aus wäre zwar möglich, sollte aber nicht gemacht werden, da die Datenübertragung unverschlüsselt erfolgt.
Der Eigenbedarf an elektrischer Energieleistung beträgt von 0,1 W (ruhig, normale Nutzung) bis 0,4 W (z.Bsp. 100 Schaltungen pro Sekunde). Dabei lernt das WLan-Modul selbst anhand Euren Nutzungen, wie schnell es sein muss. Wird es eine Weile nicht mehr genutzt, verringert sich der Energieverbrauch, es wird umerklich träger. Parameter für dieses Verhalten sind auf der Webseite oder über Netzwerk einstellbar.
Der Router muss Kanäle im Frequenzbereich 2,4 GHz bereitstellen. Für 5-GHz-Verbindungen sind diese Module noch nicht ausgelegt.
Aufgrund des Einsatzes schwächerer Hardware sind die Anschaffungskosten gering, womit ein gutes Preis-Leistung-Verhältnis erzielt werden soll.
Das WLan-Modul besitzt einen Access-Point-Modus, womit es selbst ein WLan zur Verfügung stellt. Somit kann das Gerät bei Neuerwerb oder Umzug (Änderung des privaten Netzwerkes) konfiguriert werden.
Die Schaltungen des WLan-Moduls müssen auf Euren Gegebenheiten verstärkt werden. Dafür kommen Relais, Solid-State-Relais und vielleicht auch Schütze zum Einsatz. Deshalb arbeiten wir derzeit an kompletten Lösungen (steckerfertig, etc.), die dann auch den entsprechenden Schutzgraden entspricht (IP54, IP65, etc.).
Ein GPIO-Ausgang ist ein Objekt des UKSwitch-Systems.
Viele Kleincomputer wie Raspberry Pis aber auch einige Laptops und PCs besitzen sogenannte GPIOs.
GPIO steht für General Purpose Input/Output. Es sind Anschlüsse, die man selbst als Ein- oder Ausgang nutzen kann.
Nur eine Anwendung kann entsprechende GPIOs nutzen. Somit sind diese GPIOs vergeben.
Das UKSwitch-System kann frei verfügbare GPIOs als Ausgang nutzen. Diese werden im SmServer integriert.
Nachteile von GPIO-Ausgängen
GPIO-Ausgänge haben eine Schaltspannung von 3,3 V und eine Schaltstromstärke von 10 mW. Diese müssen mittels Relais und eventuell Schützen auf Euren benötigten Schaltleistungen hochverstärkt werden. Wir arbeiten an Komplettlösungen daran.
Elektrische Installationsarbeiten sind notwendig. Es müssen Kabel gezogen werden. Verteilerdosen mit den Schaltverstärkern müssen installiert werden.
Vorteile von GPIO-Ausgängen
Selbst häufige Schaltungen beanspruchen kaum CPU-Leistung. Somit lassen sich schon mit einem Raspberry Pi bis zu 2000 Schaltungen pro Sekunde realisieren. Nahezue Echtzeit-Schaltungen sind möglich. Die Schaltzeit bewegt sich im Nanosekundenbereich..
Da die Schaltungen im Servergerät selbst ausgeführt werden, wird keine weitere elektrische Energie für externe Hardware benötigt.
Für das automatisierte Schalten von GPIO-Ausgängen ist keine WLan-Verbindung erforderlich.
Ein Link ist eine Verknüpfung von 2 Objekten des UKSwitch-Systems..
Wenn ein Objekt geschaltet wird, wird automatisch ein anderes Objekt mit geschaltet.
Ein Beispiel: Wenn ich die Schrankwandbeleuchtung einschalte, soll das Wohnzimmerlicht ausgeschaltet werden.
Durch das Anlegen mehrerer Links lassen sich mehrere Objekte miteinander vernüpfen. Also ein Objekt schalten -> 5 andere Objekte werden mit geschaltet.
Ein Pseudo-Objekt ist ein Objekt des UKSwitch-Systems.
Es kann ein-, ausgeschaltet und automatisiert werden.
Was tut es in Wirklichkeit? Nichts. Was soll der Unsinn?
Manchmal werden automatisierte Schaltungen mehrere Objekte gewünscht, dann aber jetzt gerade mal nicht.
Durch das Anlegen von Links zwischen Pseudo-Objekt und anderen Objekten, lassen sich mehrere Geräte gleichzeitig schalten. Jedes einzelne Objekt bleibt hierbei einzeln schaltbar.
Der SmServer ist im UKSwitch-System das Interface (die Schnittstelle) zwischen Anwender und den Objekten.
Als Anwender sind hier Netzwerk-Clients gemeint, die vom Nutzer einfach bedient werden können.
Dem Anwender soll es egal sein, ob ein WLan-Modul oder ein GPIO-Output geschaltet werden soll. Er sendet nur den Namen des Objektes und das auszuführende Kommando.
Der SmServer sucht das zu schaltende Objekt und führt an diesem das entsprechende Komanndo aus. Nach dem Ausführen sendet es eine entsprechende Rückmeldung an den Anwender.
Der SmServer kann theoretisch mit 127 Anwendern gleichzeitig umgehen. Hier ist aber die gesamte Netzwerk-Hardware (Servergerät, Router) zu betrachten. Schließlich müssen ja auch noch Verbindungen zu den WLan-Modulen hergestellt werden, die nicht zu diesen 127 Verbindungen gehören.
Standardmäßig lauscht der SmServer auf Port 6961 mittels TCP und UDP auf unverschlüsselte Verbindungen aus dem privaten Netz.
Auf Port 6963 lauscht der SmServer standardmäßiig mittels TCP auf verschlüsselte Verbindungen. Dieser Port ist für Verbindungen aus dem Internet vorgesehen.
Der SmServer ist quasi die Zentrale des UKSwitch-Systems.
Weitere integrierte Funktionen im SmServer
Attackenschutz
Wenn das UKSwitch-System von mehreren Nutzern gleichzeitig angewendet wird, kann es vorkommen, dass Geräte sehr häufig geschaltet werden und dadurch Schaden nehmen könnten. Deshalb kann jedem Objekt ein Attackenschutz zugeordnet werden, so dass das Objekt frühestens 3 Sekunden nach der letzten Ausschaltung eingeschaltet wird.
Sanftes Ein- und Ausschalten (Smooth-Funktion)
Erfahrene Elektriker kennen das Problem. Sie montieren in einem großen Raum mehrere LED-Leuchten, die etwa eine elektrische Gesamtleistung von 400 Watt benötigen. Also wäre es noch nicht mal Stromstärke von 2 Ampere. Um diesen Stromkreis abzusichern, montiert der Elektriker eine Sicherung für 10 Ampere im Schaltschrank. Alles gut, bis das Licht zum 53. mal eingeschaltet wird, Sicherung hat ausgelöst. Der Elektriker überprüft den kompletten Stromkreis, alles in Ordnung, Sicherung wieder ein. Und nach weiteren 23 Einschaltungen fällt wieder die Sicherung, wieso?
Das passiert durch den Einsatz von Wechselstrom und Netzteile. Befindet sich die Wechselstrom-Sinus-Kurve in der Nähe des oberen oder unternen Scheitelpunktes, ziehen Netzteile beim Einschalten in diesem Moment sehr kurzzeitig bis zu das 100-fache an Stromstärke.
Auch bei uns gingen beim Einsatz von Solid-State-Relays, die mit einer 2-Ampere-Sicherung gesichert sind, diese kaputt, obwohl wir nur Geräte mit 0,1 Ampere Stromstärkebedarf angeschlossen hatten.
Durch den Einsatz der Smooth-Funktion erfolgt der Ein- und Ausschaltvorgang mit vielen Ein- und Ausschaltungen. Dabei liegt die kurzzeitige Einschaltzeit weit unter 0,03 Sekunden. Das ist die Zeit, wo eine flinke Sicherung auslösen sollte.
Die Smooth-Funktion kann auch für ein weiches Ein- und Ausschalten von Beleuchtungen genutzt werden, wenn diese kein Netzteil besitzen.
Blinkfunktionen
Objekte werden ständig ein- und ausgeschaltet. Das kann man bei Warnleuchten etc. einsetzen.
Einschaltzeiterfassung
Für jedes Objekt wird die Einschaltzeit erfasst. Somit kann der Nutzer sehen, wie lang in einem gewissen Zeitraum die Geräte insgesamt eingeschaltet waren.
Energieverbrauchausgabe
Wurde beim Anlegen der Objekte eine durchschnittlicher elektrische Energieleistung der Objekte angegeben, berechnet SmServer den bisherigen ungefähren Energieverbrauch, da er die Einschaltzeiten der Objekte kennt.
Automatisches Ausschalten (Treppenhausschaltung)
Einige Geräte sollen nach dem Einschalten nach x Sekunden ausgeschatet werden.
Manchmal wird auch vergessen, ein Gerät auszuschalten.
Deshalb kann jedem Objekt ein Wert zugeordnet werden, wie lang es maximal eingeschaltet sein darf.
Ein ExternSm-Objekt ist im UKSwitch-System eine Art Verknüpfung zu einem Objekt, das von einem anderen SmServer verwaltet wird.
Als Beispiel kann man so schon mal die Heizung im Ferienhaus von zu Hause schalten oder vielleicht ein Gerät in der entfernten Werkstatt.
Voraussetzung ist, dass beide SmServer miteinander kommunizieren können (z.Bsp. Internet oder privates Netz).
Die Datenübertragung erfolgt verschlüsselt. Dazu benötigt der hierige SmServer den Key des dortigen SmServers.
Da die dortigen Objekte auch vom dortigen Smserver geschaltet werden können, erfolgt eine Aktualisierung der Zustände der dortigen Objekte auf dem hierigen SmServer. Standardmäßig erfolgt das alle 8 Minuten.
Letztendlich lassen sich mit dieser Möglichkeit mehrere SmServer miteinander verketten. Dabei benötigt der eine SmServer nur den Key des nächsten SmServers. Mehr dazu später.
SmClients sind netzwerkfähige Programme für Anwender, die mit dem SmServer kommunizieren.
Normalerweise kann man schon mit netcat den SmServer bedienen. Aber wer nutzt heute ein Terminal mit Texteingabe? Man hätte doch lieber den Klick mit der Maus. Und Bildchen für die Objekte wären auch schön.
SmclientWeb
SmclientWeb ist ein Programm, das von einem Webserver aufgerufen wird.
Als Antwort erhält der Webserver Daten der Objekte als eine HTML-Seite, die diese an Euren Browser sendet.
Somit könnt Ihr mit einem beliebigen Browser auf UKSwitch-Objekte zugreifen, ohne weitere Apps installieren zu müssen.
Darstellung der Webseite auf einem Computer oder Tablet
Darstellung der Webseite auf einem Smartphone
SmclientWeb ist wohl für Anwender die einfachste Nutzung für Zugriffe auf UKSwitch-Objekte. Man benötigt nur den Link der Webseite.
Wie man die Erreichbarkeit aus dem Internet zwecks Sicherheit einrichten sollte folgt später. Ich sage schon mal HTTPS.
