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31 ene 21 Concentrador Zigbee basado en software libre: zigbee2mqtt

Llevo ya unos cuantos artículos hablando sobre mi sistema de domótica, y hasta ahora he omitido uno de los puntos centrales del mismo: el concentrador zigbee. Mi sistema de domótica es algo sui generis, ya que es un compendio de distintas piezas que he ido amalgamando con el paso del tiempo. El punto central del mismo es el estupendo software Home Assistant, junto con un servidor MQTT. Sobre este núcleo he ido añadiendo diversos dispositivos, empezando por hardware basado en NodeMCU programados por mí mismo. Empecé con ello en 2016, en Irlanda, pero realicé algunos proyectos preliminares aún antes, pero completamente desacoplados. Pero todo lo hecho ha tenido como hilo común el experimentar con diversas tecnologías.

Como parte de ese proceso de experimentación acabé introduciendo dispositivos Zigbee. Son unos elementos interesantes, y la tecnología en la que se basan ha tenido gran difusión en el ámbito de la domótica doméstica. Para transmitir la señal se basan el frecuencia de 2’4GHz, lo que provoca que en entornos saturados de redes WiFi y Bluetooth estemos añadiendo más elementos que pueden provocar perturbaciones. Sin embargo, no es ese su gran problema. El gran problema que tienen es que estos dispositivos necesitan de un aparato que realice las veces de concentrador de señales, actuando como pasarela entre los dispositivos en sí y el software de control que nos permite interactuar con ellos. Y si este concentrador fuera genérico, no sería demasiado malo, pero cada fabricante requiere que uses el suyo y nada más que el suyo, lo que implica que no es posible mezclar, por ejemplo, luces del sistema TRÅDFRI de Ikea con sensores de temperatura Xiaomi, o interruptores Silvercrest de Lidl, a menos que quieras tener que usar tres concentradores y tres aplicaciones distintas para cada componente. Un verdadero rollo.

Y es aquí donde entra nuestro amigo el software libre. Existe un magnífico proyecto de desarrollo de un concentrador multifabricante que permite precisamente eso: utilizar un solo concentrador abierto para gestionar dispositivos de diversos fabricantes. Ese es el proyecto zigbee2mqtt. La idea de partida es sencilla: escuchar las señales Zigbee de los diversos dispositivos, procesarlas, e inyectarlas en un servidor MQTT para poder ser utilizadas posteriormente como mejor convenga a tus intereses. Sencilla, pero brillante. Y en mi caso, dado que ya disponía de un Home Assistant configurado y mi servidor MQTT, algo que me venía como anillo al dedo.

Arquitectura de zigbee2mqtt

Arquitectura de zigbee2mqtt

Sin embargo, hasta ahora he hablado sólo de sofware, y para construir un concentrador que reciba señales físicas es preciso de algo de hierro. El hardware esencial es el adaptador Zigbee que recibe las señales de los dispositivos. En mi caso hago uso de un adaptador CC2531, que se conecta por USB. Es preciso programarlo con un firmware que en la propia página de zigbee2mqtt se encargan de proporcionar. Y además de eso, hace falta un dispositivo linux donde instalarlo. La respuesta más obvia es una Raspberry Pi, pero hay otras alternativas:

  • En mi caso, allá por 2016, empecé utilizando una Asus Tinker Board, que por aquel entonces ofrecía mucha más potencia que la Raspberry Pi 2 que había disponible. Una placa estupenda, con mucha potencia, y con una versión de linux, Linaro OS, basada en Debian, por lo que ofrecía todo lo que necesitaba. Sin embargo, tenía una cierta pasión por devorar tarjetas microSD, por lo que hace algunos meses acabé migrando el sistema y desconectándola.
  • Otra opción interesante, dado que las necesidades de potencia de zigbee2mqtt son ciertamente reducidas (y ni de lejos requieren hacer uso de algo como una Raspberry Pi 4), es hacer uso de una placa más modesta. En mi caso, estoy teniendo estupendos resultados con una humilde Orange Pi Zero. Eso sí, siempre que cuides de ponerle un sistema de disipación y ventilación, ya el talón de Aquiles de esta placa es su disparatado problema de sobrecalentamiento del micro. Este sistema lo tengo en uso a día de hoy en Forcarey.
  • Y otra opción, perfectamente viable, es hacer uso de una máquina virtual. Este es el caso del entorno que tengo actualmente en Santiponce. Después de desechar la Tinker Board, moví el sistema a una pequeña máquina virtual en un servidor de virtualización basado en Proxmox que tengo en casa. El punto clave en este caso era verificar que el adaptador Zigbee funcionara presentándolo desde el servidor de virtualización a la máquina virtual (ya que, claro, no es posible conectar un hardware físico a una máquina virtual sin conectar el hardware al servidor de virtualización), cosa que hasta el momento ha ido como la seda. Y en cuanto a los recursos de la máquina virtual, no se necesita nada espectacular: con 512 MB de RAM y 1 vCPU hay de sobra para mover Home Assistant, zigbee2mqtt, el servidor MQTT y alguna que otra cosa más que tengo por ahí.
Home Assistant y zigbee2mqtt en Proxmox

Home Assistant y zigbee2mqtt en Proxmox

Una vez determinada qué opción para componer el concentrador, el resto es sencillo: ya hemos hablado del primer paso, que es cargar el firmware en el CC2531. El segundo es desplegar el software zigbee2mqtt en el concentrador. El proceso es bastante sencillo, ya que se trada de una aplicación Node.jsm y se instala tan sólo haciendo uso de un comando npm, una vez preparado el entorno para que pueda ejecutar este tipo de aplicaciones.

Procesos de zigbee2mqtt en Orange Pi Zero

Procesos de zigbee2mqtt en Orange Pi Zero

Por último, para tener el concentrador listo, hay que integrarlo con un servidor MQTT, que se hace mediante un fichero de configuración. Y a partir de ahí, tan sólo es cuestión de sacarle partido. Y es aquí donde entra de nuevo Home Assistant: zigbee2mqtt tiene una integración excelente con este sistema de domótica, siendo posible integrarlo con Home Assistant, y hacer que el proceso de descubrimiento en éste de los dispositivos registrados en zigbee2mqtt sea automático.

Pero he dejado lo mejor de todo para el final. Comentaba que el problema de utilizar concentradores de fabricante es que cada uno soporta solo y exclusivamente sus propios dispositivos. ¿Cuántos dispositivos soporta zigbee2mqtt? Literalmente cientos. A día de hoy, 1217 dispositivos de 189 fabricantes distintos. Y es una lista que no para de crecer. Hace algunas semanas han sido añadidos los Silvercrest de Lidl de los que escribí recientemente, solucionando el problema de que el botón físico de los interruptores no era reconocido dentro de las acciones: ahora sí lo reconoce.

¿Qué cuál es mi configuración? Bueno, a día de hoy es pelín compleja, pero tiene su gracia. Estrictamente hablando, hago uso de dos concentradores zigbee2mqtt, uno en Santiponce, y otro en Forcarey, que reportan a mi servidor MQTT, ubicado en Santiponce. Y manejo los dispositivos desde un único Home Assistant, también ubicado en Sevilla. Cada zigbee2mqtt escribe en el servidor MQTT bajo un topic diferenciado, ya que la cantidad de dispositivos es pelín larga ya. En Santiponce hago uso de:

  • Una luz Ikea TRÅDFRI, que fue la que lo empezó todo, ubicada en el salón. Es la luz que permite variar la calidez de la luz y la intensidad de la misma.
  • Su correspondiente mando, que no está integrado directamente con la luz, sino que se comunica con ella de manera independiente a través de zigbee2mqtt. Esto permite reconocer las acciones del mando en Home Assistant, y llegado el caso permitiría que el mando administrara dispositivos de terceros.
  • Una luz Müller Licht Tint de Aldi, de varios colores.
  • …y su mando a distancia. En este caso la integración no es tan limpia como en el del mando de Ikea, pero funciona bien.
  • Un cubo Aqara, que utilizo no sólo para controlar la luz Ikea del salón, sino para realizar acciones sobre la pérgola del patio. Y esto nos lleva a otra ventaja de utilizar zigbee2mqtt: que se puede interactuar sobre dispositivos que no son Zigbee. En mi caso, sobre un NodeMCU programado por mí mismo, a través de topic MQTT.
  • Tres sensores de apertura de puertas y ventanas Aqara MCCGQ11LM, que reportar la apertura de las mismas mediantes mensajes de Telegran y WhatsApp.
  • Un router CC2530 para mejorar la comunicación de los dispositivos Zigbee con el controlador. Y es que, aunque los dispositivos Zigbee pueden construir una red de tipo Mesh para llegar al concentrador, las comunicación con éste se veía perjudicada por la cantidad de señales en la banda de 2’4GHz y las distancias existentes en el caso de la casa de Santiponce. El uso de este concentrador mejoró de manera ostensible el comportamiento del sistema.
Diagrama de dispositivos de Santiponce

Diagrama de dispositivos de Santiponce

…y en el caso de Forcarey:

  • Los mismos sensores de apertura de puertas y ventanas Aqara MCCGQ11LM que comentaba antes.
  • Varios interruptores Lidl HG06337 para controlar los radiadores eléctricos del piso.
  • Otro Aqara Cube para controlar las luces del salón, que he domotizado mediante unos Sonoff Mini con software Tasmota.
  • Sensores de temperatura, humedad y presión atmosférica Aqara WSDCGQ11LM, que permitirán automatizar el encendido de los radiadores en función de las condiciones de las habitaciones.
Diagrama de dispositivos de Forcarey

Diagrama de dispositivos de Forcarey

No está mal, ¿no?

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25 ene 20 Integración de una estación meteorológica doméstica en el sistema de domótica

Estas Navidades me han regalado una estación meteorológica casera, de las que tienen capacidad para mostrar temperatura y humedad tanto en interior como en exterior, esto último mediante un módulo externo que se deja a la intemperie, y que transmite la información a la estación mediante señal de radio a 433 MHz. Aparte de por el regalo en sí, este tipo de estaciones me venía interesando desde hace bastante tiempo por el hecho de enviar la información utilizando la banda antes mencionada, de la que dispongo unos cuantos receptores. Así que en cuanto abrí el regalo supe que iba a invertir algo de tiempo en intentar integrar el sensor externo en mi sistema de domótica.

Mi nueva estación meteorológica

Mi nueva estación meteorológica

Tras investigar un poco sobre este tipo de estaciones, encontré que la mayoría de ellas hacen uso de protocolos de comunicación bien definidos y relativamente estandarizados, lo que hace que sea razonablemente sencillo encontrar información sobre las mismas, e incluso implementaciones de dichos protocolos para entornos linux o arduino. Dicho lo cual, empecé a hacer algunas pruebas de implementación de un sistema que permitiera recibir la información del emisor externo. Las primeras pruebas las hice con un receptor basado en arduino y un módulo 433 MHz, más la librería rc-switch que tan buenos resultados me había dado en el pasado. No fue este el caso, ya que al intentar capturar paquetes enviados por la estación el programa de captura de paquetes basados en esta librería producía un error de desbordamiento, siendo incapaz de recibir correctamente el datagrama. Hice algunas pruebas en bruto con otras librerías, entre las que se incluían algunas diseñadas específicamente para alguno de los protocolos de envío antes mencionados, con resultados igualmente infructuosos.

NodeMCU con receptor a 433 MHz y módulo externo de la estación

NodeMCU con receptor a 433 MHz y módulo externo de la estación

Ante ello, no me quedó más remedio que cambiar el enfoque. Tocaba acometer el problema desde una perspectiva más basica. Así que me tocó desempolvar un receptor RTL SDR que compré hace algún tiempo para un proyecto similar, e intentar hacer una captura del datagrama a nivel de onda enviada, e intentar decodificar la misma (tirando para ello de programas como Gqrx, audacity, y algo de tiempo. Sin embargo, tuve algo de suerte, y tras seguir investigando un poco más, encontré una referencia a un proyecto, rtl_433, que se dedica a decodificar el tráfico de dispositivos que envían información en esta banda.

Captura de pantalla de rtl_433 capturando tráfico

Captura de pantalla de rtl_433 capturando tráfico

Tras una instalación sencilla en mi equipo con Debian (apt install rtl_433), y tras conectar el receptor RTL SDR al mismo, tuve la suerte de que el programa tuviera perfectamente identificado el tipo de protocolo que mi estación estaba utilizando, en concreto el protocolo “Kedsum Temperature & Humidity Sensor, Pearl NC-7415″. Trasteando un poco con el programa, pude tener algo más de información sobre este protocolo, a saber:

Frame structure:
Byte: 0 1 2 3 4
Nibble: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Type: 00 IIIIIIII BBCC++++ ttttTTTT hhhhHHHH FFFFXXXX
- I: unique id. changes on powercycle
- B: Battery state 10 = Ok, 01 = weak, 00 = bad
- C: channel, 00 = ch1, 10=ch3
- + low temp nibble
- t: med temp nibble
- T: high temp nibble
- h: humidity low nibble
- H: humidity high nibble
- F: flags
- X: CRC-4 poly 0×3 init 0×0 xor last 4 bits

_Modulation = OOK_PULSE_PPM,
-Short_width = 2000,
-Long_width = 4000,
-Gap_limit = 4400,
-Reset_limit = 9400,

Bien, ya tenía identificado claramente el protocolo, y aquí puede verse una captura de la señal recibida:

root@asustinker:/etc/systemd/system# /usr/local/bin/rtl_433 -R 57
rtl_433 version 19.08-147-g639ab8a branch master at 202001210044 inputs file rtl_tcp RTL-SDR
Use -h for usage help and see https://triq.org/ for documentation.

Consider using “-M newmodel” to transition to new model keys. This will become the default someday.
A table of changes and discussion is at https://github.com/merbanan/rtl_433/pull/986.

Registered 1 out of 145 device decoding protocols [ 57 ]
Found Rafael Micro R820T tuner
Exact sample rate is: 250000.000414 Hz
[R82XX] PLL not locked!
Sample rate set to 250000 S/s.
Tuner gain set to Auto.
Tuned to 433.920MHz.
_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _
time : 2020-01-25 15:24:00
model : Kedsum Temperature & Humidity Sensor ID : 226
Channel : 1 Battery : OK Flags2 : 129 Temperature: 60.20 F Humidity : 78 % Integrity : CRC
_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

Bien, esto me planteaba dos problemas: el primero es que la información recibida de temperatura estaba expresada en grados Fahrenheit, por lo que necesitaba hacer una conversión a Celsius. Y por otro lado, el poder transmitir esta información a mi plataforma de domótica, preferentemente a través de MQTT. Este segundo problema quedó solucionado mediante la capacidad del programa rtl_433 de encapsular la información en un JSON, que puede ser retransmitido posteriormente. En mi caso, lo hice mediante un servicio linux que lanza el programa rtl_433 con las opciones adecuadas (formato JSON, protocolo 57 -Kedsum-, e incrustando la hora UTC), que mediante un pipe es procesado por el cliente MQTT mosquitto y enviado a mi servidor MQTT, a un topic específico:

“/usr/local/bin/rtl_433 -R 57 -F json -M utc | /usr/bin/mosquitto_pub -l -h servidor_mqtt -t topic”

…donde posteriormente es procesado gracias a Node Red, en el que se hace la conversión a Celsius, se obtiene también la sensación térmica, y se inyecta la información resultante en formato JSON en un topic específico:

var data=JSON.parse(msg.payload);
//Datagram example: {“time” : “2020-01-22 19:27:58″, “model” : “Kedsum Temperature & Humidity Sensor”, “id” : 226, “channel” : 1, “battery” : “WEAK”, “flags” : 66, “temperature_F” : 54.600, “humidity” : 79, “mic” : “CRC”}
temp_value=((data.temperature_F-32)*5/9).toFixed(2);
humidity=data.humidity;

HI = 0.5*(data.temperature_F + 61.0 + ((data.temperature_F-68.0)*1.2) + (humidity*0.094))
HIc = (((HI)-32)*5/9).toFixed(2); // converting to Celsius

var thing = {
temp: temp_value,
humidity: humidity,
heatindex: HIc
};
msg.payload=thing;

return msg;

…y el resultado de todo esto fue un… ¡exito! Pasé a conectar el receptor RTL SDR a mi Asus Tinker Board donde tengo implementado el sistema de domótica, con excelentes resultados. El sistema, emplazado en la segunda planta de casa, es capaz de recibir las señales del receptor externo emplazado en el patio.

Asus Tinker Board con receptor RTL SDR

Asus Tinker Board con receptor RTL SDR

Por otro lado, quedaba la integración en el sistema de domótica Home Assistant. En este caso, se trataba de alto tan simple como crear los nuevos sensores en base a la suscripción al topic MQTT de salida definido en el flujo Node Red. El resultado, como no podía ser menos, fue perfecto:

Información mostrada en Home Assistant de la estación meteorológica

Información mostrada en Home Assistant de la estación meteorológica

Gráfica de la información histórica recibida

Gráfica de la información histórica recibida

Este artículo podría haber quedado aquí, pero no me encontraba completamente satisfecho con el resultado, ya que me daba la impresión de que utilizar el receptor RTL SDR solo para este propósito era matar moscas a cañonazos. Mi idea originaria era usar un ESP8266 junto con un módulo RF de 433 Mhz para recibir estas señales, y decodificarlas en el mismo, para inyectar la información directamente en el servidor MQTT, y no tener que dar tantos saltos (RTL SDR -> JSON -> MQTT -> Node Red -> MQTT). No tuve éxito en encontrar una codificación del protocolo bajo el nombre de Kedsum, pero sí la tuve con Pearl NC-7415. Encontré un hilo en un foro de Arduino en alemán, que hablaba precisamente de ello: Dekodieren Temperatursensor von PEARL NC7427(NC7415) 433MHz. Gracias, Google Translate. :mrgreen:

En este hilo pude encontrar alguien que había decodificado exitosamente el protocolo, y que compartía el código. Lo descargué y lo probé y… ¡funcionaba perfectamente! Solo tuve que hacer una modificación menor para realizar la conversión de Fahrenheit a Celsius, calcular la sensación térmica, e inyectarlo en el topic MQTT (el original no hacía nada de esto, se limitaba a mostrar la información por pantalla). Y de nuevo, éxito:

Información recibida en ESP8266 y RF, enviada a servidor MQTT

Información recibida en ESP8266 y RF, enviada a servidor MQTT

Sin embargo, esta vía tiene un problema: el receptor apenas es capaz de recibir la señal cuando se encuentra a unas pocas decenas de centímetros del emisor externo. Así que en la práctica ahora mismo es inusable. He probado con varios formatos de antena acoplados al módulo (173mm de largo, en hilo recto, en espiral…) con resultados bastante pobres. Tengo encargada en aliexpress una antena específica, pero aún tardará algunas semanas en llegar. Espero poder reportar mejoras una vez la reciba. :D

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22 may 17 Hello World IPv6!

Hoy he publicado mi primer sitio en IPv6:

Mi primer sitio en IPv6

Mi primer sitio en IPv6

…y no sólo se trata del sitio, que ya mola de por sí, sino lo que estoy utilizando para ello: un servidor NGINX, una Asus TinkerBoard… y las IPs v6 que me da mi proveedor irlandés. Aunque los malditos me hacen CG-NAT en IPv4. :@

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