Hausbus3

Hausbus3 Release status: experimental [box doku]

Beschreibung
Autor(en)	tiefpunkt, else
Verantwortliche(r)	else
Letzte Version	v3.0.1

Auf besonderen Wunsch wurde aus der kontinuierlichen Weiterentwicklung des Hausbus2 nun der Hausbus3. Er setzt auf ähnlichen Konzepten auf, ergänzt aber viel sinnvolles noch dazu.

Die Kommunikation auf dem Hausbus3 erfolgt via Message Queues, in diesem Falle MQTT. Zusätzlich ist es je nach Implementierung möglich, über HTTP und HTTPS mit kommunizieren, um auch ohne MQTT auf gewissen Dienste direkt zugreifen zu können.

Vorschläge und Kritik am Konzept sind gerne gesehen.

Überlegungen

Der Hausbus2 sieht ein Pull-Prinzip vor. Ein Teilnehmer, der über Events oder Sensorwerte benachrichtigt werden möchte, muss aktiv Geräte pollen, um den aktuellen Status zu erfahren, und somit eine eventuelle Änderung mitzubekommen.

Nachteile:

Geräte müssen bekannt sein, nachträgliches Hinzufügen ist nur schwierig möglich.
Polling ist doof.

Alternative: Messages werden von den Endgeräten an einen Server gepusht. Hierfür eignet sich z.B. Pubsub Protokoll.

Nach einigen Überlegungen wurde MQTT als Protokoll ausgewählt. Gründe für die Auswahl:

Lightweight, läuft z.B. auch auf Arduinos
Leicht zu implementieren, Libraries für viele Sprachen
Last-Will-Funktion (was passiert wenn Endgerät Verbindung verliert)
bei (Re-)Connect können neue Geräte über das letzte Event informiert werden
Authentifizierung, ACLs etc. möglich.

Low-Cost Devices

Es folgen einige Überlegungen, wie man Arduinos etc. günstig an den Broker anbinden kann.

Leider eignet sich MQTT eher schlecht für kostengünstige Endgeräte wie z.B. einfache Mikrocontroller. Da man nicht unbedingt für jeden Sender einen Raspberry Pi o.ä. verschwenden möchte, stellt sich die Frage nach einer günstigen Anbindung an unseren Broker, die keinen Ethernet bzw. TCP Stack benötigt.

Kabelgebundene Busse wie z.B. CAN oder RS485 haben zwar hohe Reichweiten, allerdings ist der Aufwand für die Verlegung des Kabels relativ hoch, da wir auf jedenfall möglichst an jeder Stelle im Raum Geräte anbinden können möchten, und Abzweigungen nicht einfach möglich sind.

Es bietet sich daher eine Funkübertragung an. Als sehr günstig stellen sich die NRF24L01 Funkmodule auf 2.4Ghz Basis heraus (ca. 1-2€ pro Modul). Die Reichweite soll unter normalen Bedingungen bis zu 30M betragen, es gibt allerdings auch eine Funkmodulversion mit rausgeführter Antenne, die eine deutlich höhere Reichweiten erreicht (leicht teurer, aber auch nicht mehr als 3-4€). Libraries für Atmel, Arduino und Linux (Raspberry Pi) gibt es bereits.

Man könnte ein NRF24L01 Shield für den Raspberry Pi o.ä. entwerfen, der dann wieder die empfangenen Datenpakete auf den MQTT Broker ausleitet. Hierzu würde dann auch noch ein einfaches Protokoll benötigt.

Topics

Im Mai 2014 haben wir begonnen, die ersten Services mit unserem Broker infra.rzl zu verbinden. Es folgt eine Liste von Topics, die momentan auf dem Broker gepublished werden.

service
- fnordcredit
  - transactions - Alle fnordcredit Transaktionen
- status
  - presence - Laboranten im Space (retained, blacklisted)
  - devices - Anzahl Geräte im WLAN (retained)
- plug
  - $plugname - die jeweilige Steckdose
    - state - der aktuelle Zustand (retained)
    - power - aktueller Stromverbrauch in W
    - consumption
    - consumptionTotal

Beispiel zum Subscriben auf der Kommandozeile (offizieller Client):

mosquitto_sub -h infra.rzl -t /service/status/presence

XKeyScore

Else hat ein kleines Perlscript geschrieben, was sich auf das Topics '#' (alle Topics) subscribed und die Daten in unsere MySQL auf db.rzl schiebt, sodass wir später beliebige Statistiken bauen können. Bestimmte Topics können hiervon ausgeschlossen werden (bitte schicke einen Pullrequest). Momentan ist das insbesondere der Anwesenheitsstatus. Hier ein Beispiel, wie Du die Daten auslesen kannst:

1 % mysql --user=xkeyscore-ro --host=db.rzl --password=iedeijuophae6el4xeiniphac9ohqui4 xkeyscore
[...]
mysql> select * from messages order by `when` desc limit 1;
+-----+--------------------------------+---------+------+---------------------+--------+
| id  | topic                          | payload | qos  | when                | retain |
+-----+--------------------------------+---------+------+---------------------+--------+
| 421 | /service/plug/pinkelampe/power | 0       |    0 | 2014-06-29 17:13:52 |      0 |
+-----+--------------------------------+---------+------+---------------------+--------+
1 row in set (0.00 sec)

mysql> Bye

HTTP/HTTPS

HTTP und HTTPS Kommunikation funktionieren fast ähnlich des Hausbus2. WIrd sich aber noch ändern, und dann auch ausführlicher dokumentiert.

(keine Gewährleistung, ob das noch aktuell ist)

Angebundene Geräte

tiefpunkt.vm.rzl

Hostet den MQTT-Broker (mosquitto)
hausbus3-exporters. Exportieren Sensordaten zu aktuell Cosm und OpenTSDB

(keine Gewährleistung, ob das noch aktuell ist)

Heizungssteuerung (heizung.rzl)

Temperatursensoren
Fensterstatus

Broker

infra.rzl

auf infra.rzl läuft ein MQTT Broker für alle zentralen Dienste
TODO: eventuell zusätzlich noch mit tiefpunkts bridgen (oder ersetzen)

premium.rzl

unsere externe VM. Bridge auf infra.rzl (keep-alive 10 Sekunden, automatischer Reconnect)
bridged den gesamten Tree (#) mit QoS Level 2, read-only
lauscht nur auf internem loopback

tiefpunkt.vm.rzl

siehe Angebundene Geräte

Code

Basis-Implementierung: hausbus3-python

Endpunkte:

hausbus3-raumstatus: Transferiert den Raumstatus (Hausbus1) auf den Hausbus3. Tut noch nicht.
hausbus3-exporters: Exportiert auf dem Hausbus3 publizierte Sensorwerte zu Cosm und OpenTSDB.
heizungssteuerung: Heizungssteuerung im Hauptraum. Durch die Nicht-Verfügbarkeit von tiefpunkt.vm.rzl aktuell nur in abgespeckter Version.

needed

Soundserver, der auf Events reagiert. Es gibt bereits einen simplen Soundserver, der allerdings nur über HTTP funktioniert. Gewünscht wäre eine modifizierte Version, die sich auf den gesamten /service Tree subscribed (Topic: /service/#) und bei Events auf unserem Datengrab in einem bestimmten Verzeichnis schaut, ob es für das Topic eine gleichnamige Sounddatei gibt, die dann abgespielt wird. Neue Sounds könnte man dann einfach registrieren in dem man Dateien auf dem Datengrab ablegt.