В этой статье хочу рассказать как я узнал что такое умный дом на примере управления отопительным котлом. Чтобы долго не подводить, скажу сразу, что статья о том, как мне удалось подключить электрический котел Protherm Ray 18, который работает по EBUS, к Home Assistant. Все сейчас работает хорошо, но некоторые проблемы еще не решил. О всем расскажу по порядку.

Предпосылки

Разговоры о том, чтобы сделать управление котлом мы начали еще год назад, а может и больше. Тогда я ничего не знал ни об умном доме, ни о Home Assistant. Вообще котлом я не занимался, им управлял отец. Он придумал такую схему: днем в котле выставлял вручную лимит потребления на 3 кВт, а ночью на 15 кВт. Раньше он отключал котел днем, но трубы в какой-то день замерзли и пришлось их чинить, поэтому надо, чтобы он работал в минимальную силу, а это где-то 3 кВт. Мощность нашего котла 18 кВ и максимальный лимит в 15 кВт, это для того, чтобы оставить лишнюю мощность на остальную технику (например, стиральные машины).

Эта схема хорошо работала, точнее электричество все равно уходит много, но была максимальная экономия. Но в ней есть несколько проблем: нужно каждый вечер ходить включать и выключать котел в подвал, точнее выставлять нужную мощность. Надо вставать в 7:00 утра, чтобы выключать, а в 23:00, чтобы включать.

Подготовительные работы

Идеальный умный дом

Какие-то разговоры об автоматизации управления отоплением может и были, но мне не запомнились. Все же началось с того, что мы пошли в гости к соседу смотреть как он автоматизировал свой дом. Отец давно хотел меня сводить к нему, чтобы тот рассказал, как все обустроил. И это, конечно, сказка. Такое ощущение, что его дом это полигон для всевозможных экспериментов. Большая игрушка для взрослых в которую можно бесконечно играть.

Начинается все с простого, что все лампочки в доме управляются дистанционно, где-то используются RF-метки для открывания дверей, но затем усложняется в виде того, что есть умные датчики движения, камеры, а это все управляется двумя головными устройствами, одно сторожевое (на случай сбоя), а на другом крутится Home Assistant. Тогда я впервые и услышал слово Home Assistant. Там еще прозвучали Raspberry Pi и ESP.

Но больше всего времени мы потратили на изучение как он сделал отопление. Отопление он сделал хитро, делал не меньше года и все итеративно. В основе схемы лежит релейный механизм, т.е. он сделал свою плату, которую подключил к котлу и включает котел когда на улице холодно, а выключает, когда тепло, если просто. Т.е. релейный механизм это просто вкл. / выкл., никакого интеллектуального управления, все интеллектуальное управление, алгоритм, пришлось дописывать самому. Еще есть камеры, которые направлены на показания приборов котла. Есть механические двигатели, которые открывают и закрывают вентиль, но тоже с удаленным управлением.

Мне конечно не нужно такое умное управление, да и релейный механизм нам не подходит, но пища для размышлений была огромная. Получается можно автоматизировать очень много чего в доме, а у нас в доме не было никакой умной системы. На самом деле можно спокойно жить и без умной системы, но желание попробовать и разобраться в этом, у меня сформировалось. К тому же без дела у меня валялась Raspberry Pi.

Начальные данные и поиск решения

Модель нашего котла Protherm Ray (Скат) 18 кВт. В технических данных указывается, что у него есть цифровой интерфейс, EBUS, т.е. им можно программно управлять. Я посмотрел, что есть на рынке, и нашел систему управления ZONT. И сейчас мне кажется она решила бы все наши проблемы, но тогда я не знал этого и думал, что для наших целей надо делать свою систему, т.к. наши запросы специфичные. 

Точнее, нам надо включать и выключать котел по расписанию и задавать ему мощность. Про расписание это легко, даже смотреть не надо, ZONT это полюбому может делать, а вот про мощность я ничего не нашел. Находил, слово модуляция, но что оно значит не говорилось. Модуляция горелки, но у нас же не газовый, а электрический котел? В общем, я сомневался.

С другой стороны все остальное нам не нужно, никакого интеллектуального управления, нас устраивает как это делает наш котел, просто нужен удаленный интерфейс к нему. Поэтому кажется, что должно быть проще сделать свое устройство. Хотя это далеко не всегда так.

Разбираясь дальше я понял, что для того, чтобы работать с котлом по интерфейсу EBUS, нужен адаптер, иначе система ZONT работать будет как реле. Нам нужен EBUS (например, есть и другие, как OpenTherm). Для понимания, програмный интерфейс, такой как EBUS, позволяет узнать у котла его текущие данные, такие как температура, давление, коды ошибок и другое. По реле, этого нету. Другими словами, надо покупать адаптер, т.е. устройство будет стоит не один ZONT, а ZONT + адаптер.

Первая мысль была может напрямую управлять котлом по EBUS, без адаптера, но надо паять свой переходник, в чем у меня опыта не много. В сети, конечно, какие-то статьи есть, но я посмотрел и этот протокол настолько старый, что спецификация вся в архивах, просто так не скачать, а примеров с исходниками практически нету (в том смысле, что для того, чтобы писать свой адаптер). Это мне не подходит. Идея то нравится, но цена ошибки слишком высока, чтобы экспериментировать.

Но все оказалось проще, если вбить в поиск EBUS адаптер, то первым в списке выдаться адаптер ectoControl. Как оказалось, на рынке есть и другие системы, кроме ZONT, например ectoControl. Адаптер ectoControl использует какой-то промышленный интерфейс Modbus и поддерживает множество котлов, т.е. универсальный. Это интересно, т.е. в будущем может пригодится. Но самое важное, то, что его интерфейс открытый, т.е. есть документация как напрямую посылать команды в адаптер, а он котлу.

Я не знал, что такое Modbus и как с ним работать, но предполагал, что можно сделать устройство на Raspberry Pi, которое взаимодействует по этому интерфейсу. Но, опять, если вбить в поиске Modbus, на Озоне, то выдается RS232/485 TO WIFI POE ETH (это я заказывал). К сожалению, сейчас посмотрел, и он уже не продается. 

Хотя я еще долго решался на покупку всего оборудования, но адаптер мне сразу понравился. Я не смог понять как задавать температуру и как управлять мощностью. Т.е. говорю отцу, что вот есть такое решение, а на вопросы будет ли оно работать, ответа дать не мог. Но связка двух устройств (адаптера EBUS и сервера Modbus), которые каждое решает свою задачу и не надо ничего изобретать своего, ни паять платы. ни писать свои серверы, подталкивает меня к тому, что решение должно работать хорошо.

Почему это будет работать

Дальше надо было понять на сколько эта связка из двух устройств рабочая. И я нашел ответ, не сразу, но нашел - вот этот ролик Адаптер OpenTherm - Modbus RTU. Кажется, что это не EBUS адаптер, но у них документация общая, поэтому какое-то представление о том, как управлять адаптером у меня появилось после просмотра этого ролика. Спасибо автору за этот ролик, он мне очень помог. До этого я не понимал, как изменять температуру, а в ролике увидел, что для этого используется регистр отвечающий за установку теплоносителя (у меня это 0x31). Но вопрос как изменять мощность остался актуальным.

Но в этом ролике была существенная проблема, что не используется Home Assistant, а используется устройство ПМ210. Хотя оно и дешевле, но мне нужен был Home Assistant иначе это не имело смысла. Я уже успел посмотреть и Home Assistant поддерживает Modbus. Но это уже хороший старт, значит кто-то уже пробовал делать что-то похожее.

Второй ролик, который окончательно уверил меня, что это сделать более чем реально, был Build a Waveshare Modbus Interface - Home Assistant Tutorial, он как раз использовал устройство Waveshare, которые я выбрал. Здесь я уже понял, что Home Assistant из коробки поддерживает Waveshare и в этом ролике есть моменты, которые указывает как все настроить.

В конце концов оно должно работать и я готов заказывать оборудование, но до сих пор не уверен можно ли менять мощность через адаптер, поэтому написал в техподдержку ectoControl. Я хотел уточнить про два регистра из документации, которые якобы должны устанавливать мощность и спросить правильно ли я думаю, на что мне ответили, что по техническим вопросам ничего ответить не могут. Точнее, есть документация и то, что в ней написано, там смотрите. Тогда я попытался хоть что-то из них вытащить и они дали мне информацию, что с 14-й версией нашего котла должно все работать. Я проверил, у нас 14-я версия и тогда я немного успокоился.

В итоге, даже после общения с техподдержкой я не нашел ответ, можно ли изменять мощность через адаптер. Поддерживается ли этот функционал. Где-то пишут, что не все котлы это поддерживают. В итоге выбора было не много, либо брать готовую систему, по типу ZONT, либо использовать адаптер от ectoControl, либо паять свой переходник или заказывать из Германии eBUS Adapter Shield. Скорее всего, с готовой системой было бы меньше проблем, но я уже постепенно начал осваивать Home Assistant и т.к. этим всем занимался только я, то мне было интересно изучить что-то новое, что в перспективе принесло бы больше пользы, то я решил, что имеет смысл сделать свое устройство, чем брать готовое. Иначе это просто для меня бессмысленно. Мне не хотелось разбираться как работает ZONT и настраивать его, а в Home Assistant с удовольствием потрачу лишнее время и все настрою.

Разработка

Знакомство с Home Assistant

Параллельно изучению вопроса я начал устанавливать Home Assistant на Raspberry Pi. У меня еще есть устройство Pine A64, но быстрый поиск дал понять, что на Raspberry Pi все ставится из коробки, надо только выбрать нужный дистрибутив при записи сд карты, тогда как на Pine A64 надо ставить супервизор и поднимать докер. Просто у меня старый Raspberry Pi 3 Model B с 1Гб памяти, а на Pine A64 их было 2 Гб, поэтому и задумался. В итоге решил, что стабильнее будет использовать связку с Raspberry Pi и до сих пор так думаю, не смотря на меньшую производительность.

Для теста я купил умную розетку Tuya с Wifi и подключил к Home Assistant. Затем я нашел старую usb камеру, установил её на Pine A64 и также подключил к Home Assistant. И мне это начало нравится, т.к. появилось понимание, что это общий хаб, который растет по мере того, как улучшается дом. И хотелось бы, чтобы все управлялось через него. Т.е. когда я выбираю устройство для умного дома, желательно, чтобы была поддержка Home Assistant. Например, не все камеры эту поддержку имеют. К слову, есть даже система ESPHome для встраиваемых систем, которые добавляют эту поддержку (как раз то слово ESP).

Еще важный момент, который чуть не забыл, это настроить выделенный IP Raspberry Pi, на котором крутиться Home Assistant. Если не сделать этого, то до устройства будет не достучаться и им нельзя будет управлять удаленно. Для этого я поднял VPN на старом роутере (NETGEAR WNR3500L на FreshTomato) который подключил к основному роутеру. А к NETGEAR проводом подсоединен Raspberry Pi. Сразу скажу, что изначально я делал не проводом, а по Wifi и Home Assistant очень медленно работал, но благо быстро в этом разобрался. По ходу рассказа мне еще пригодится старый роутер, другой.

Сборка устройства

В конце концов пришло все комплектующее: макетная плата, разъемы 4P4C, разьем питания, винтовые клеммы, сервер Waveshare и адаптер EBUS.

Спаял переходник, по сути это вывод контактов с разьема 4P4C из документации по Modbus и плюс к этому добавлено питание. Такой уровень схемотехники мне по силам.

А разъем 5.5 х 2.1 выбрал, потому что я могу вытащить готовый блок питания из ненужного роутера. В документации допустимое напряжение находится в 7В до 14В и оно подходит как адаптеру EBUS и серверу Waveshare, а блок питания был на 12В. И мощность в 1А должно хватить.

В общем настоящий бомж набор, вышло все дешевле, чем если брать готовый ZONT или то же устройство от ectoControl, но, конечно, не учитывая цену на работу. И мне нравится такой подход, брать по минимальной цене, пока неизвестно будет ли работать система или нет, а уже потом вкладывать сколько нужно.

Все собрать получилось. И оно даже работает! Проблем никаких не заметил. (Но позже контакт от разъема 4P4C стал отходить, возможно я его сломал, когда вставлял кабель, потому что причину я не понял. Позже я спаял новую плату и она стала нормально работать. Хотя и с этим, неисправным, разъемом я все дальше настроил. Советую разъемы брать 4P4C несколько штук, возможно лучше на Алиэкспресс.)

Знакомство с Modbus

Дальше нужно проверить все ли работает корректно. Для этого сначала настраиваю сервер Waveshare по мануалу. Надо указать нужные параметры из документации из адаптера EBUS: скорость 19200 бит/с, 8 бит данных, 1 стартовый и 1 стоповый бит, без контроля четности. По-моему больше ничего не нужно, но в конце концов нужно указать режим Modbus TCP ⇔ Modbus RTU, но для отправки специальных запросов его нужно будет поменять на Transparent Mode.

И вот самое интересное - что отправлять устройству? Для этого можно взять программу SSCOM на странице описания сервера Waveshare. Но мне понравилась больше QModMaster. И для того, чтобы понять, что все работает правильно можно отправить запросы, описанные в конце документации по Modbus. 

Но есть нюанс, чтобы сформировать запрос на чтение регистров нужно знать адрес устройства, а он может быть любой. Чтобы узнать его, нужно выполнить специальный запрос, отправить байты 00 46 80 42. Это можно сделать в программе SSCOM, но не в QModMaster. У меня в ответе пришел адрес устройства 0xe. Еще для того, чтобы выполнить этот запрос надо поставить в сервере Waveshare режим Transparent Mode, а потом вернуть обратно на Modbus TCP ⇔ Modbus RTU.

Дополню, почему-то в QModMaster в поле адреса нужно добавлять еще единичку, не знаю с чем это связано.

Дополню еще, что когда начинает отправлять запросы Home Assistant адаптеру, то QModMaster с ним будет конфликтовать, если начать его использовать, не с первого раза будут запросы отправляться. Но это логично.

В итоге протокол Modbus очень простой, точнее то, что используется адаптером EBUS, кроме специальных команд, которых несколько штук (и которые не нужны). Используются в основном две команды: чтение регистров (0х03), запись регистров (0x10). В спецификации Modbus есть такие команды как чтение или запись одного регистра, но в адаптере EBUS от ectoControl они не поддерживаются. Т.е. только две эти команды.

Настройка Modbus в Home Assistant

Про настройку Modbus можно очень много написать, но я лучше выложу свои конфигурационные файлы Home Assistant, которые сейчас уже работают и это должно принести больше пользы, чем если я начну обучать как все настраивать. В сети достаточно много информации, хоть она и на английском. Но я продолжу.

Home Assistant имеет замечательную поддержку Modbus. Из того, на что стоит обратить внимание, это выбрать тип соединения tcp, а в серевер Waveshare указать, что оно работает в режиме Modbus TCP ⇔ Modbus RTU, как я уже это писал.

Принцип работы достаточно простой, на любой чих создаем сенсоры, они получают данные из регистров адаптера. А на основании этих данных делаем автоматизацию в Home Assistant. Ну там кнопки, ползунки, счетчики. Например, можно показать подключен ли адаптер к котлу, для этого, например, надо считать регистр 0х10, а затем создать шаблон с бинарным сенсором, который проверяет это значение с маской 0x800. Это если надо как-то по особому интерпретировать данные из регистров. 

Но для основных целей достаточно считать значение регистра и все, как например тут (считать значение температуры):

В моей конфигурации есть некоторые особенности. Почему-то адаптер при перезапуске не сохраняет значение последней установленной температуры, поэтому я сделал хак в Home Assistant и сохраняю последнее значение температуры, а потом, при перезапуске его оставляю обратно. Это работает, но не всегда, например, если Home Assistant одновременно перезагружается с адаптером EBUS (выключилось электричество в доме), то этот случай у меня не всегда работает. Пока не знаю как решить, но думаю над этим.

Другая особенность, это увеличенный сканируемый интервал, потому что у меня появляются ошибки в логе, не доходят данные. Когда я увеличил этот интервал их стало в разы меньше, но они не все ушли, не знаю что делать. Все перепробовал, но могу сказать, что когда я включил отладку Modbus в Home Assistant, то увидел в логах, что после этой ошибки происходит переотправка запроса, поэтому должно быть все хорошо. Но осадок остался.

Тут же скажу, что сервер Waveshare очень капризный и плохо ловит у нас в подвале, поэтому я сначала установил ему антенну на вынос, но не помогло, тогда я расширил с помощью старого (другого) роутера сеть через WDS. Правда сначала купил усилитель на озоне, но это глупое устройство, которое не позволяет назначать айпишники расширенной сети. Поэтому старый роутер опять пригодился.

Запуск

Для отца котел очень важный прибор, поэтому он не хотел, чтобы я ставил на нем эксперименты и предложил тестировать летом, когда не будет холода. В целом его опасения были полезны, т.к. я не спешил, правил ошибки и перепаял переходник. Но в то же время я был воодушевлен, уже трачу много сил, хочу помочь и расстраиваюсь, когда решили отложить запуск. Я немного начал сердиться и решили, что надо запустить, посмотреть как работает и вернуть как было. 

Получилось смешно. Я подготовился, собрал все устройства, очень ответственно пошел в подвал. И обнаружил, что у нас нет отвертки, которая открывает крышку котла. В итоге запуск перенесли на неделю, пока за ней ездил.

Через неделю открутил крышку и подсоединил провода к разъемам EBUS на котле. И, да, оно заработало! В Home Assistant отображалась нужная температура и на дисплее котла начал показываться домик, что означает, что котел управляется извне. Он также перестал откликаться на нажатие кнопок и чтобы он начал работать по старому режиму надо было отключить адаптер EBUS и выключить, включить котел. 

Самое главное. Проверка! Температура успешно устанавливается и отображается на дисплее. А что насчет мощности? Под нее есть только один изменяемый параметр и это модуляция. Я стал его изменить и сначала вроде бы ничего не произошло, но потом на котле отобразилось несколько полосок, я уменьшил модуляцию, полосок стало меньше. Оно работает! Позже я выяснил, после замеров по счетчику электричества, что модуляция это прямая мощность котла, то, что и хотели. Ставишь больше и он начинает нагревать. Как понимаю, рассчитывается в процентном отношении от максимального значения.

Видео с устройством в живую:

Что в итоге

Могу сказать, что данная схема хорошо работает, но правда в работе она всего около 2-х месяцев, но все же. Все остальное сделано, осталось собрать корпус и повесить на стену. Еще бы хотелось исправить ошибки, но ни какого понимания как это делать нету, а сильно экспериментировать не хочется.

В итоге это устройство мне обошлось: антенна (345), макетные платы (182), сервер Waveshare (4251), адаптер EBUS (3590), разъем DC (129), разъем 4P4C (454), винтовые клеммы (65). Итого 9016 рублей, не считая роутеров и если ничего не забыл. В общем, видно, что это дешевле, чем если брать ZONT или ectoControl, плюс адаптер, но и функционала будет меньше, точнее столько, сколько добавишь. Т.е. в итоге это не ощущается дешевле, в основном из-за потраченного времени. Но результатом я доволен, хотя из-за ошибок есть неуверенность.

Для тех, кто перешел в самый конец подведу итоги. 

Получившаяся система выполняет то, что и хотелось: устанавливает режимы обогрева по расписанию, как если бы устанавливалось вручную, плюс можно изменять мощность котла, но только это теперь называется модуляцией. Из отрицательных и недоработок осталось решить как восстанавливать значение прошлой температуры при отключении и включения электричества в доме и понять как исправить ошибки в логах Home Assistant, связанных с недополучением данных в ответах.