Open-Source Aktor / Sensor Prints fürs Smarthome
Entwicklung von Leiterplatten zur einfachen Einbindung in ein SmartHome-System
Der aktuelle Markt für SmartHome-Lösungen ist stark fragmentiert und durch herstellereigene Ökosysteme grosser Konzerne wie Apple (Apple HomeKit) oder Samsung (Samsung Smart Things) aufgeteilt. Benutzer sind häufig von Cloud Anwendungen, geschlossenen Systemen und fehleranfälligen Apps abhängig. Daraus entstand diese Arbeit: Es sollte eine unabhängige, vollständig OpenSource-basierte Hardwarelösung entwickelt werden. Das System soll vielseitig einsetzbar sein und komplett ohne Gateway auskommen.
Die Ausgangslage
Heutige Smart-Home-Ökosysteme wie Apple HomeKit oder Samsung SmartThings zwingen Nutzer oft in herstellerspezifische Abhängigkeiten. Apps werden eingestellt, Cloud-Dienste sind fehleranfällig und Nutzerdaten verlassen das heimische Netzwerk. Ziel dieser Arbeit war es, eine solide, kostengünstige und völlig unabhängige Hardware-Basis zu schaffen, die von jedermann nachgebaut, modifiziert und erweitert werden kann. Sämtliche Entwicklungs und Dokumentations-schritte wurden ausschliesslich mit kostenlosen Open-Source-Tools (KiCad, FreeCAD, GitHub) durchgeführt.
Das Hardware-Konzept: Modular und Leistungsstark
Um eine maximale Vielseitigkeit zu gewährleisten, wurde das System in zwei dedizierte Leiterplatten unterteilt.
Der Hauptprint (Sensor-Print):
Das "Gehirn" des Systems.
Basierernd auf dem ESP32-C6 Mikrocontroller, der modernste Standards wie Wi-Fi 6, Thread, ZigBee und Bluetooth 5.3 unterstützt. Ein intelligenter Power-Multiplexer (TPS2116) ermöglicht den automatischen, nahtlosen Wechsel zwischen USB- und Batteriebetrieb. Die Leiterplatte stellt diverse I/O-Funktionen sowie Bus-Anbindungen (I2C, SPI, UART) zur Verfügung und kann via Webserver oder z.B. via Home Assistant angesteuert werden.
Der Relais Expander Print (Aktor-Print):
Diese sehr kompakte Platine wird über den I2C-Bus an den Hauptprint angebunden. Sie bietet 16 potenzialfreie Relais-Kontakte und ist dank eines integrierten DC/DC-Wandlers für eine industriegängige Eingangsspannung von 18-36V (bzw. 24V) ausgelegt. Da bis zu 8 dieser Platinen kaskadierend angehängt werden können, lassen sich umfangreiche Steuerungen realisieren.
Praxistest und Open-Source-Publikation
Die theoretischen Konzepte und Prototypen endeten in funktionsfähigen Release-Versionen (V1.0). Im Rahmen eines Dauertests wurden die Prints in einen eigens entworfenen Schaltschrank integriert. Mit den 16 verbauten Steckdosen, zur Steuerung einer kompletten Büroumgebung (inkl. Monitore, Labornetzteil etc.), wurde der Praxistest realisiert. Umfangreiche Messungen mittels Oszilloskop (Signal-Jitter) und Wärmebildkamera bestätigten die elektrische Stabilität und thermische Funktionalität des Systems.
Um den Open-Source-Gedanken zu vollenden, wurden alle Gerber-Daten, Schaltpläne und 3D-Modelle für Gehäuse auf GitHub veröffentlicht. Erste Reviews aus einer weltweiten Community auf Plattformen wie Reddit unterstreichen den Bedarf und die Praxisrelevanz dieser unabhängigen Smart-Home-Lösung, zeigten aber auch die noch vorhandenen Mängel.
Zukunftsaussichten für die Arbeit
Der aktuelle Stand der Arbeit wird auf Github verweilen. Ich habe vor, vom Projekt einen Fork zu erstellen und sämtliche Entwicklungen auf meinem "Nicht-Schule-Account" fortzuführen.
Linksammlung
Steve Kluser
Gelernter Automatiker und OpenSource Befürworter, Linux Enthusiast
Steveraykluser+Diplomarbeit2026@gmail.com
Datenblätter
Zusätzliche Informationen gebündelt als PDF
Unter diesem Link steht meine Diplomarbeit zur Verfügung, diese darf frei verwendet werden und das darin enthaltene nachgebaut und/oder weitergegeben werden. Eine Haftung meinerseits ist jedoch ausgeschlossen. Bei Fragen könnt ihr gerne eine E-Mail an die angegebene Adresse senden.
Download Diplomarbeit
