Balkonkraftwerk Teil 10: Home Assistant mit DTU und Shelly

Helmut 14. Mai 2023 26 Kommentare

Home Assistant ist eine open source Software zur Heimautomatisierung, also eine Steuerungszentrale, die alle Sensoren und Aktoren in einem Gebäude zentral an einer Stelle zusammen führt und so umfangreiche Visualisierungen und Steuerungen möglich macht. Auch Balkonkraftwerker, die gar nicht die Absicht haben ihr ganzes Haus zu automatisieren, greifen gerne zu Home Assistant, schon allein wegen der sehr einfachen Erstellung einer Visualisierung von Energiesensoren. Darüber hinaus sind auch Automatisierungen wie die Steuerung einer Waschmaschine in Abhängigkeit von der Solarenergieerzeugung einfach realisierbar. Am ehesten vergleichbar ist Home Assistant mit dem iobroker, der auch Inhalt des vorhergehenden Artikels war.

Warum Home Assistant für das Balkonkraftwerk?

Gegenüber dem iobroker, hat Home Assistant aber zumindest einen großen Vorteil, der ihn bei Balkonkraftwerkern beliebt macht: Wenn alle Geräte eingebunden sind dann ist eine Visualisierung (für Energiebelange) schon in wenigen Minuten erstellt. Hier zur Einordnung eine kurze Gegenüberstellung vergleichbarer Steuerungszentralen:

	Home Assistant	Shelly Cloud	iobroker	Mosquitto + Node Red + influxdb + Grafana
Offen für Geräte verschiedener Hersteller?	ja	nein	ja	ja
Ein eigener Server erforderlich?	ja	nein	ja	ja
Eigene Daten in fremder Cloud?	nein	ja	nein	nein
App verfügbar?	ja	ja	iobroker.vis für Vis	nein
Datenbank integriert?	ja, SQLite	ja, nur auf Stundenbasis	influxdb Add-on	influxdb
Visualisierung integriert?	frei gestaltbar	ja, aber nicht änderbar	Vis, Jarvis Add-ons, frei gestaltbar	Grafana, frei gestaltbar
Steuerungen möglich?	Auto-matisierungen und Skripte	Shelly Szenen	Blockly, JavaScript Add-on	Node Red
MQTT?	Mosquitto Add-on	nein	mqtt Add-on	Mosquitto
Installation	als eigenes Betriebssystem oder Docker	nicht erforderlich	per Docker	einzeln per Docker
Community unterstützung	sehr stark	kaum, Shelly Cloud und App sind proprietär	stark	eingeschränkt, nur für die jeweils einzelnen Produkte

Installation von Home Assistant

Betrachten wir die Installation dann ist Home Assistant mehr als nur ein Programm, es ist ein komplettes Betriebssystem und es lässt sich auch wie ein solches installieren. Dabei gibt es fertige Images, so dass viel Konfigurationsaufwand eingespart wird. Ich werde in diesem Artikel folgende zwei Installationsarten vorstellen:

• die Installation auf einem Raspberry Pi,
• die Installation als virtuelle Maschine.

Darüber hinaus stellt Home Assistant manuelle Installationsmöglichkeiten zur Verfügung und die per Docker-Image. Das ist aber dann ein gutes Stück komplexer, als die Installation eines vorgefertigten Betriebssystem-Images.

Hardware für Home Assistant

Home Assistant ist eine Serveranwendung, die 24 Stunden am Tag online sein muss, schon allein um von den angeschlossenen Sensoren jederzeit Daten empfangen zu können. Da stellt sich die Frage, welche Hardware man für diesen Zweck verwenden kann. Hier ein paar Vorschläge:

• Virtuelle Maschinen auf einem bereits vorhandenen Server der im Dauerbetrieb läuft. Zum Beispiel Virtual Box, KVM/Proxmox, VMware ESXi/vSphere, VMware Workstation/Player, oder Microsoft Hyper-V
• Raspberry Pi Einplatinencomputer
• Weitere Einplatinencomputer wie Odroid, Khadas VIM oder ASUS Tinker Board
• x86-64 Klein-PCs wie Intel NUC
• andere Rechner auf Windows-, macOS- oder Linux-Basis
• Network Attached Storage (NAS), zum Beispiel Synology, QNAP

Über die offiziell unterstützten Hardwaresysteme hinaus gibt es von der Home Assistant Community zahlreiche gesammelte Installationsanleitungen auch für andere Hardwareplattformen.

Installation auf einem Raspberry Pi

Home Assistant stellt für den Raspberry Pi ein eigenes Betriebssystem zur Verfügung, das sich ebenso wie Raspbian auf eine SD-Karte flashen lässt. Vorgeschlagen wird die Verwendung eines Raspberry Pi 4 oder Pi 3 mit LAN-Kabelanschluss für die Installation (danach auch WiFi).

Das angesagte Tool, zum Flashen der SD-Karte für Raspberry Pis ist seit einigen Jahren der Raspberry Pi Imager, der auf dieser Seite für Windows, macOS und Linux heruntergeladen werden kann. Der Vorteil des Imagers gegenüber anderen Flash-Programmen (wie etwa Etcher) ist, dass Download und Flashen in einem Programm kombiniert sind und man sich nicht darum kümmern muss, woher man die Software bezieht. Wenn also nichts dagegen spricht, sollte man durchaus den Raspberry Pi Imager auch für Home Assistant verwenden.

SD Karte flashen

Die SD-Karte wird über einen entsprechenden Adapter oder Port an einen PC angeschlossen. Dann starten wir den Raspberry Pi Imager. Das Image für das Home Assistant Betriebssystem findet man dann unter Operating System – Other specific-purpose OS – Home assistants and home automation – Home Assistant. An dieser Stelle gibt es ein Image für den Raspi 4 und eins für den 3er. Unter Storage wird dann die SD-Karte ausgewählt und mit Write beginnt der Schreibvorgang, der ein paar Minuten dauert.

Alternativ zur eben beschriebenen Methode mit dem Raspberry Pi Imager, gibt es auch die Möglichkeit, das Home Assistant Image zuerst von Github auf den eigenen PC down zu loaden, um es danach per Imager, oder auch mit Etcher oder dem guten alten Win32DiskImager auf die SD-Karte zu schreiben. Bei Github stehen auch ältere Releases von Home Assistant zur Verfügung und welche für andere Geräte, wie etwa dem Raspberry Pi2 oder Odroid.

Wer den Home Assistant Rechner per LAN-Kabel nutzen möchte (das ist die von Home Assistant empfohlene Methode), der ist an dieser Stelle fertig und kann den nächsten Abschnitt überspringen.

Home Assistant für WLAN vorbereiten

Home Assistant selbst empfiehlt für die initiale Einrichtung eine LAN-Verbindung per Kabel, den späteren Betrieb könne man dann aber auch per WLAN betreiben. Nichtsdestoweniger ist aber auch eine initiale Konfiguration per WLAN möglich, so dass ganz auf einen LAN-Anschluss verzichtet werden kann. Hier die dafür erforderliche Vorgehensweise:

Benötigt wird dazu ein USB-Speicher-Stick. Auf diesem wird Home Assistant eine WLAN-Konfiguration für das eigene Home-WLAN übergeben. Der USB-Stick wird nur für die Einrichtung gebraucht und kann danach entnommen und wieder anderweitig verwendet werden. Er wird für diesen Einsatzzweck allerdings neu formatiert, so dass alle Daten darauf verloren gehen.

1. USB-Speicher-Stick an einem PC einstecken und neu formatieren. Dabei muss die Datenträgerbezeichnung CONFIG lauten. Nebenstehendes Bild stammt von Linux, der Vorgang kann aber ebenso gut an einem Windowsrechner ausgeführt werden. Als Format muss FAT oder FAT32 gewählt werden, nicht NTFS oder Ext4.
2. Nach der Formatierung ist der Stick als Laufwerk mit der Bezeichnung CONFIG im Dateimanager sichtbar. Darauf legen wir jetzt ein Unterverzeichnis mit dem Namen network an.
3. Im Verzeichnis network erzeugen wir eine Textdatei mit dem Namen my-network. In Windows einfach mit dem Editor erzeugen, unter Linux im Terminal in diesem Verzeichnis mit nano my-network. (Achtung Windowsnutzer, die Datei muss my-network heißen und nicht my-network.txt.)
4. In die Datei wird nun folgender Inhalt kopiert, die Datei wie unten beschrieben editiert und dann gespeichert:

[connection]
id=my-network
uuid=<UUID>
type=802-11-wireless

[802-11-wireless]
mode=infrastructure
ssid=<WIFISSID>
# bei einem verstecktem Netzwerk, das keine SSID sendet, 
# in der folgenden Zeile den # entfernen
#hidden=true

[802-11-wireless-security]
auth-alg=open
key-mgmt=wpa-psk
psk=<WIFIPASSWORD>

[ipv4]
method=auto

[ipv6]
addr-gen-mode=stable-privacy
method=auto

Folgende drei Ersetzungen sind in der Datei vorzunehmen (die spitzen Klammern entfallen dabei):

• <UUID> muss mit einer gültigen und eindeutigen UUID ersetzt werden. Eine solche kann man zum Beispiel online mit diesem UUID-Gererator erzeugen. Dort einfach im Header auf Copy drücken. Eine UUID sieht beispielhaft so aus: 3dbcb06f-b0b1-4547-9e3e-3b890a68b714
• <WIFISSID> wird durch die SSID des eingenen WLANs ersetzt, also dem WLAN-Namen
• <WIFIPASSWORD> wird durch das WLAN-Passwort ersetzt

Wenn die Datei gespeichert ist, kann der USB-Stick aus dem Computer entfernt und in den Raspberry Pi eingesteckt werden.

Home Assistant am Raspberry Pi starten

In den Raspberry Pi wird nun die vorgefertigte SD-Karte eingesetzt und falls WLAN gewünscht ist, auch der vorbereitete USB-Memory-Stick. Dann kann das Netzteil in die Steckdose gesteckt werden. Der Raspberry Pi bootet nun und ist kurz darauf im Netzwerk sichtbar unter dem Namen homeassistant. Aufgerufen kann seine Web-Oberfläche jetzt beispielsweise mit
http://homeassistant.fritz.box:8123
wenn der Router eine Fritzbox ist. Falls es mit dem Namen nicht klappt, kann man auch am Router schauen, welche IP-Adresse der RasPi bekommen hat und dann über die IP-Adresse aufrufen
http://192.168.1.xx:8123
wichtig ist immer der Port 8123 – darüber wird generell die Weboberfläche von Home Assistant angesprochen. Das Erkunden des Netzwerks und der darin befindlichen Smarthome-Geräte kann beim Raspberry Pi in der Tat recht lange dauern, also nicht irritieren lassen, wenn obiges Bild länger erscheint.

Installation als virtuelle Maschine

Die einfachste Art, ein Home Assistant Betriebssystem auf ein Linux, Windows oder macOS-System zu bekommen, ist der Weg über eine virtuelle Maschine. Dabei werden von Home Assistant verschiedene Virtualisierungs-Engines unterstützt, wie etwa Virtual Box, KVM/Proxmox, VMware ESXi/vSphere, VMware Workstation/Player, oder Microsoft Hyper-V.

Der Einstieg erfolgt dabei über die Installations-Seite der Home Assistant Website. Hier klicken wir auf das Feld für das eigene Träger Betriebssystem, also Windows, macOS oder Linux und bekommen dann die jeweils für dieses Betriebssystem verfügbaren Images zum Download abgeboten. Im Falle von Vmware würden wir folglich ein Zip-File mit einer enthaltenen .vmdk-Datei downloaden. Das Zip-File entpacken wir und platzieren die .vmdk-Datei in dem Verzeichnis, in dem die virtuelle Maschine dann laufen soll. Nun muss die .vmdk-Datei in der Vmware Workstation oder im Vmware Player nur noch mit File – Open geöffnet werden und kann dann dort gestartet werden.

Nach dem Boot der virtuellen Maschine ist Home Assistant unter dem Namen homeassistant im Netzwerk sichtbar. Aufgerufen wird seine Web-Oberfläche jetzt mit
http://homeassistant.fritz.box:8123
wenn der Router eine Fritzbox ist. Falls es mit dem Namen nicht klappt, kann man auch am Router schauen, welche IP-Adresse virtuelle Maschine bekommen hat und dann den Aufruf über die IP-Adresse machen
http://192.168.1.xx:8123
wichtig ist immer der Port 8123 – darüber wird generell die Weboberfläche von Home Assistant angesprochen.

Einrichten von Home Assistant

Wenn ein Home Assistant Rechner (egal ob Raspberry Pi, virtuelle Maschine oder eine andere Installation) erstmalig in Betrieb genommen wird, erkundet Home Assistant das lokale Netzwerk und versucht Geräte zu finden, die eingebunden werden können. Die erste Aktion danach ist die initiale Konfiguration, die bei Home Assistant Onboarding genannt wird. Danach ist Home Assistant betriebsbereit und kann durch Add-ons erweitert werden.

Onboarding – die initiale Konfiguration

Beim Onboarding wird das System konfiguriert, so dass es arbeitsfähig ist. Dabei werden folgende Dinge abgefragt:

• Name und Passwort des Users,
• Regionale Angaben wie Ort und Zeitzone,
• Datenschutzeinstellungen und
• bereits erkannte Geräte.

Danach läuft Home Assistant und wir können unter Einstellungen – Geräte und Dienste sehen, welche Geräte Home Assistant im lokalen Netz bereits erkannt hat. Das sind (beispielhaft im folgenden Bild) Drucker, Fritzbox und drei Shelly Geräte.

In der Leiste oben erkennt man auch das Wording von Home Assistant. Integrationen sind Bestandteile des Systems, die mit realen Geräten interagieren und diese in HA einbinden können. Ein Gerät ist dann eine konfigurierte Integration, die konkrete Entitäten enthält. Und Entitäten sind das, was iobroker als Objekte bezeichnet, also vor allem einzelne Sensoren und Aktoren.

Übrigens, wer seinem Home Assistant Server einen neuen Netzwerknamen geben möchte, der kann das unter Einstellungen – System – Netzwerk machen. Und ausschalten oder neu starten kann man ihn über Einstellungen – System und den Power-Button oben rechts.

Einbinden von Shelly Geräten

Das Einbinden von Shelly Geräten in Home Assistant ist denkbar einfach, da der Home Assistant Shellies von sich aus im Heimnetzwerk findet. Das kann man im Bild oben gut sehen, da wurden bereits drei Shellies erkannt und unter Integrationen aufgelistet. Voraussetzung dafür ist natürlich dass die Shelly Geräte bereits ordnungsgemäß installiert und ins WLAN eingebunden waren.

Um nun eines der erkannten Shelly Geräte in Home Assistant zu übernehmen, klicken wir bei dieser entdeckten Integration auf Konfigurieren und bestätigen im nächsten Fenster die Aktion. Der Shelly wird nun als Gerät in Home Assistant eingebunden und wir können ihm noch einen Bereich, also einen Raum zuordnen. Den Shelly sehen wir nun unter Einstellungen – Geräte & Dienste – Geräte und seine einzelnen Sensoren und Aktoren unter Einstellungen – Geräte & Dienste – Entitäten. Gleichzeitig erscheinen die wichtigsten Sensoren und Aktoren auf der Übersichtsseite.

Mehr ist nicht zu tun. Home Assistant kommuniziert über das Heimnetz direkt mit den Shelly Geräten, deshalb ist auf den Shellies keine MQTT Konfiguration nötig. Das hat den angenehmen Nebeneffekt, dass ein Shelly Gerät mit Home Assistant und gleichzeitig mit der Shelly Cloud kommunizieren kann. Bei älteren Shelly Geräten wäre das per MQTT nicht möglich, die können nur MQTT oder Shelly Cloud.

Einbinden von Ahoy- und OpenDTU

Ganz so einfach wie die Einbindung der Shelly Geräte in Home Assistant geht es mit Ahoy- oder OpenDTU nicht. Wie man oben im Bild mit den erkannten Integrationen sieht, werden DTUs von Home Assistant nicht automatisch gefunden. Hier müssen wir etwas mehr Hand anlegen und dem Weg über MQTT gehen, aber das ist auch nicht schwierig.

Als erstes brauchen wir einen MQTT-Broker und wie zu erwarten liefert Home Assistant den bereits als Add-on mit, wir müssen es nur noch installieren. Dafür gibt es einen Add-on Store, den man über Einstellungen – Add-ons – Add-on Store erreicht. Hier wählen wir aus den Official add-ons den Mosquitto broker per Klick aus und gehen auf Installieren. Nach der Installation können wir noch die beiden Optionen Beim Booten starten und Watchdog aktivieren. Wenn der Mosquitto Broker dann in den Integrationen auftaucht, dann klicken wir dort Konfigurieren und fügen ihn somit zu den Geräten hinzu. Nun sollten wir noch einen User für MQTT anlegen, das machen wir unter Einstellungen – Personen – Person hinzufügen. Hier vergeben wir einen Namen für den MQTT-User, erlauben ihm das einloggen und vergeben ein Passwort.

Jetzt wird die DTU konfiguriert, so dass sie MQTT Messages an den MQTT-Broker in Home Assistant sendet. Rechts sieht man die MQTT Konfiguration am Beispiel von Ahoy (bei OpenDTU sieht es ähnlich aus). Unter Broker / Server IP geben wir die IP-Adresse des Home Assistant Servers ein und bei Port immer 1883, das ist der MQTT-Port. Dann kommen User und Passwort, die wir in Home Assistant für diese Zwecke angelegt hatten. Der Topic ist hier zweitrangig, er wird zwar von Mosquitto übernommen, von Home Assistant aber ignoriert. Save speichert die Konfiguration und nach einem Reboot von Ahoy sollte unter dem ersten Menüpunkt AhoyDTU eine Meldung erscheinen, dass es eine MQTT-Verbindung gibt, zum Beispiel:
MQTT is connected, xxx packets sent, 0 packets received
Jetzt gehen wir noch einmal in die MQTT-Konfiguration am Ahoy und betätigen den Button Discovery Config – Send. Damit übergibt die AhoyDTU eigene Konfigurationsdaten an Home Assistant.

In Home Assistant gibt es nun ein neues Gerät mit dem Namen des Wechselrichters und zahlreiche neue Entitäten für die verschiedenen Ahoy Sensorwerte. Die sieht man nun auch in der Übersicht.

Visualisierung

Ein Grund für die Beliebtheit von Home Assistant im Photovoltaikumfeld ist die Einfachheit einer ansprechenden Visualisierung. Während der Umgang mit Vis in iobroker sehr komplex ist und Grafana auch nicht gerade einfach, kann Home Assistant mit schnellen Anzeigeergebnissen aufwarten. Die einfachste davon entsteht automatisch:

Übersicht

Die Übersicht ist der erste Menüpunkt in der Home Assistant Sidebar und hier werden automatisch alle erkannten Geräte mit ihren Entitäten dargestellt. Dazu die aktuellen Werte bei Sensoren und ein Schalter bei Aktoren, die Intelligenz in Home Assistant weiß selbst, wie welche Entität darzustellen ist.

Energie

Vorgefertigt ist ebenfalls der Menüpunkt Energie, der allerdings durch einen einfachen Abfragedialog noch konfiguriert werden muss. Hier können Sensoren für folgende Energiearten eingetragen werden (entsprechend den Bezeichnungen bei HA):

• Stromnetz, also ein Sensor, der den Stromzähler ausliest oder ein Shelly 3EM, der den Strombezug am Zähler misst,
• Sonnenkollektoren, das sind DTUs oder Messsteckdosen, die die Leistung einer Photovoltaikanlage messen,
• Batteriespeicher, Sensoren, die Auskunft über Speicherzuführung und Entnahme geben,
• Gasverbrauch,
• Wasserverbrauch,
• und einzelne Geräte, die mit Sensoren ausgestattet sind.

Je nachdem, wie viele und welche dieser Sensoren vorhanden sind, kann Home Assistant mehr oder weniger aussagefähige Grafiken über die Energieflüsse erstellen. So kann zum Beispiel der Eigenverbrauch einer Solaranlage dargestellt werden, als Differenz aus Solarertrag und Netzeinspeisung.

Selbst gestaltete Dashboards

Neben den bereits vorgefertigten Dashboards Übersicht und Energie können selbst weitere Visualisierungsseiten angelegt und frei gestaltet werden. Ein neues Dashboard wird über Einstellungen – Dashboard hinzugefügt, bekommt dort einen Namen und ein Symbol und kann dem linken Seitenmenü zugeordnet werden. Das Dashboard ist erst mal nur eine leere Seite, die dann über Karte hinzufügen mit verschiedenen Anzeige- und Gestaltungselementen ergänzt werden kann. Hier ein Bildbeispiel, wie das Ergebnis aussehen kann:

Grafana

Wem die Möglichkeiten der Home Assistant Dashboards nicht ausreichen, der kann auch Grafana zur Visualisierung verwenden. Dieser Weg ist allerdings wesentlich aufwändiger. Erst müssen influxdb und Grafana als Add-ons in Home Assistant eingebunden und miteinander verbunden werden. Dann wird in Home Assistant konfiguriert, welche Entitäten in der influxdb Datenbank gespeichert werden sollen und schließlich kann ein Grafana Dashboard erstellt werden. Wie das alles gemacht wird zeigt beispielhaft dieses Youtube Video.

Automatisierung

Die Automatisierungsmöglichkeiten in Home Assistant sind umfangreich. Es gibt eine eigene Scriptsprache und so genannte Automatisierungen, die immer aus einer Abfolge von Auslöser – Bedingungen – Aktionen bestehen.

Nebenstehendes Beispiel ist wieder die Waschmaschinenaktivierung aus Teil 7 dieser Artikelreihe:

1. Der Auslöser ist eine Leistungsänderung über die 100W Schwelle gemessen per AhoyDTU am Wechselrichter.
2. Die ergänzende Bedingung fragt den Shelly Plug S ab, ob er er auch tatsächlich ausgeschaltet ist.
3. Nur in diesem Fall tritt die Aktion ein, die den Kontakt im Shelly Plug S und damit die Waschmaschine einschaltet.

Als YAML-Code sieht die Automatisierung dann folgendermaßen aus:

alias: Waschmaschine
description: ""
trigger:
  - type: power
    platform: device
    device_id: 324f2073be4b0d3ce6adb8631bc3386d
    entity_id: sensor.hm_400_p_ac
    domain: sensor
    above: 100
    for:
      hours: 0
      minutes: 0
      seconds: 5
condition:
  - condition: device
    type: is_off
    device_id: 15605a4a8be301fa0de084dd7c4828a6
    entity_id: switch.shellyplug_s_xxxxxxxxxxxx
    domain: switch
action:
  - type: turn_on
    device_id: 15605a4a8be301fa0de084dd7c4828a6
    entity_id: switch.shellyplug_s_xxxxxxxxxxxx
    domain: switch
mode: single

Fazit: Home Assistant ist eine komplette Steuerungsplattform für die Hausautomatisierung. Sie bietet sich auch an für den ambitionierten Balkonkraftwerker, der eine individuelle Visualisierung und/oder eine Ablaufsteuerung mit mehreren verschiedenen Geräten wünscht. Dabei ist Home Assistant als eigenständiges fertiges Betriebssystem-Image sehr einfach zum Beispiel auf einem Raspberry Pi installierbar und bringt alle benötigten Komponenten mit, die als Add-on installierbar sind. Eine erste bereits vorgefertigte Visualisierung der Energiekomponenten ist in wenigen Minuten eingerichtet.

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