Dabei bleibt der Anwendungsfall unverändert: Die Auswertung und Steuerung von ca. 50 Zigbee-Geräten im Außenbereich der Dahlen-Mühle. Leuchtmittel, Sensoren und Steckdosen auf einer Fläche von über 10.000m², ohne direkten Zugang zum Internet und teilweise abseits einer dauerhaften Stromversorgung.

Hardware aktuell

Seinerzeit habe ich einen Raspberry Pi 4 und das Phoscon Raspbee II-Modul als Hardware-Plattform gewählt. Ziel war ein kompakter, unauffälliger Aufbau mit geringem Stromverbrauch. Dieses Ziel wurde erreicht, doch der Betrieb ist nicht frei von Problemen:

• die SD-Karte im Raspberry Pi 4 macht schlapp, obwohl es sich um eine Endurance-Version von Samsung handelt. Gleichzeitig ist es mir nicht auf Anhieb gelungen, den Raspberry von USB-Stick der -Disk zu booten (wie z.B. beim Raspberry Pi 3)
• die Raspbee II-Karte werkelt unsichtbar vor sich hin, aber (ich fürchte) ihre Bauform hat negativen Einfluss auf die Reichweite. Gleichzeitig fehlen ihr moderne Funktionen wie Touchlink
• trotz guter technischer Werte kommt der Raspberry Pi 4 doch an seine Grenzen. Im „Wirkbetrieb“ fällt das wenig auf, aber bei der (remote) Administration kommt es immer wieder zu Wartezeiten

Besonders der letzte Punkt treibt einem die Schweißperlen auf Stirn, wenn man nach einem Reboot aus der Ferne nicht weiß, ob die Kiste einfach noch ein paar Minuten braucht oder man den Weg ins 25km entfernte Elternhaus antreten darf.

Neue Hardware

Die neue Hardware soll entsprechend die identifizierten Ursachen beseitigen und gleichzeitig den unveränderten Anspruch eines unauffälligen 24/7-Betriebs bei geringem Stromverbrauch erfüllen.

Konkret bedeutet dies:

• sparsame x86-Hardware mit angemessener Leistung
• kompakt (was zu Lasten der Flexibilität gehen darf)
• keine beweglichen Teile, wie Lüfter oder mechanische Festplatten
• einwandfreie Unterstützung durch (Ubuntu) Linux
• moderne Zigbee Coordinator-Hardware mit hoher Reichweite

Minisforum N40 Mini-PC

Der Minisforum N40 (Datenblatt) Mini-PC erfüllt die gestellten Kriterien und ist für den angedachten Anwendungsfall mehr als ausreichend:

• Intel Celeron N4020 CPU (2 Kerne, bis zu 2,8 GHz)
• 4 GB RAM (DDR4, nicht erweiterbar)
• 64 GB „eMMC“ SSD
• 3 USB-A 3.0-Anschlüsse
• RJ45 GbE LAN und IEEE 802.11ac Dual-Band Wi-Fi

Bei Bedarf kann eine zusätzliche SSD (M.2 2242 SATA 3.0) verbaut werden. Ich habe aber darauf verzichtet, weil nach der Installation und Konfiguration nur 8,5 GB der verfügbaren 56 GB der eMMC belegt waren.

Das Netzteil (DC 12V, 1,5A) liefert bis zu 18 Watt, der tatsächliche Verbrauch des N40 in meiner Konstellation liegt zwischen 3 und 5 Watt. Die CPU ist mit Grafikeinheit, für den Anschluss an Fernseher / Monitor (während der Installation) steht ein Standard-HDMI Port zur Verfügung.

Die Kantenlänge des N40 entspricht übrigens ziemlich genau dem Durchmesser einer Audio CD (wer es noch kennt). Die CPU wird passiv gekühlt, das gesamte System gibt keinerlei Geräusche von sich und wird nicht warm.

SONOFF ZBDongle-P

Bei der Wahl der neuen Coordinator-Hardware fiel die Wahl auf das SONOFF Zigbee 3.0 USB Dongle Plus (kurz: ZBDongle-P), welches auf der Adapter-Seite von Zigbee2MQTT als „recommended“ aufgeführt wird und über einen modernen Texas Instruments CC2652P Chip mit zusätzlichem Verstärker verfügt.

Direkt eingesteckt steht das Dongle deutlich über den N40 hinaus. Allerdings wird bei USB 3.0 und Zigbee wg. möglicher Interferenzen der Einsatz einer USB-Verlängerung empfohlen, was eine relativ freie Platzierung des Dongles erlaubt. Genau wie der Minisforum N40 wird das Dongle auch bei max. Verstärkung von 20dBm nicht warm.

Der Einsatz des Dongles mit Zigbee2MQTT ist problemlos und es liefert „vernünftige“ LQI-Werte. Beim Raspbee II steigen diese mit der Zeit von 0 bis 255 und starten dann wieder erneut. Die Aussagekraft des Link Quality Indicators ist zwar begrenzt, aber stabile Werte sind dennoch von Vorteil.

Software: Home Assistant

Unverändert soll Home Assistant in der „Container„-Edition zum Einsatz kommen, in Verbindung mit Zigbee2MQTT. Jedoch werden die bestehende Installation und Konfiguration verworfen und neu aufgebaut. Nach diversen Iterationen des technisch „Machbaren“ gebe ich dem Wunsch meiner Eltern nach und reduziere auf „das Nötigste“: Licht an bei Bewegung in der Dunkelheit.

Auf dem Gelände sind mehrere, batteriebetriebene Bewegungssensoren von Philips Hue verteilt. Diese werden via Automatiken in Home Assistant mit einen oder mehreren Gruppen von Leuchten verbunden und agieren entsprechend – aber nur wenn es draußen dunkel ist.

Die „Sun„-Integration von HA wird verwendet, um über Dunkelheit zu entscheiden: Sie beginnt 15min nach Sonnenuntergang und endet 30min vor Sonnenaufgang. Alternativ kann die tatsächliche Helligkeit als Indikator dienen, denn die Hue Sensoren liefern ensprechene Angaben. Damit wären dunkle Phasen tagsüber abgedeckt (z.B. bei schlechtem Wetter).

Für meine Belange habe ich ein Repository auf Github angelegt, welches aber ausreichend generisch ist und auch für andere Einsteiger hilfreich sein könnte. Quelle und Instruktionen finden sich unter https://github.com/m0wlheld/homeassistant-zigbee2mqtt/.

Leider bedeutet ein Wechsel der Zigbee-Controller-Plattform (von Raspbee II auf den TI CC2652P des Sonoff Dongle) immer auch eine erneute Einbindung (Pairing) der Zigbee-Geräte. Ein Wochenende mit Leiter, Schraubendreher und Wäschekörben voller smarter LEDs ist also garantiert …

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Der „Alte“

Der N54L Generation 7 (G7) ist ein Microserver auf Basis der AMD Turion II Neo Dual-Core CPU. Sie ist auf einem HP Custom Mainboard verlötet und bietet 2x 2,2 GHz. Ihr zur Seite stehen aktuell 8 GB RAM und 4x 2 TB HDDs (WD Red) im RAID 5 Verbund.

Auf diesem Server laufen Dienste, welche in unserem Haus durch mich und andere Familienmitglieder genutzt werden. Zunächst natürlich Homegear und Home Assistant zur Heimautomatisierung. Aber auch Datenbanken und Datei-Freigaben für die Windows-Geräte im Haus. Und eben auch mehrere Minecraft Server – zur Unterhaltung.

All das bringt die CPU immer deutlicher an ihre Grenzen, es kommt zu Mikrorucklern („Lags“) in Minecraft und zwischen auslösendem Ereignis und Reaktion des Smart Home können schonmal Sekunden vergehen. Man liegt also bereits im Dunkeln, wenn die Beleuchtung endlich angeht.

Der „Neue“

Zeit also für etwas Neues, was größer (= leistungsstärker) und gleichzeitig kleiner (= raumsparender) ist. Von den insgesamt 5,6 TB Plattenplatz waren nämlich dauerhaft nie mehr als 600 GB belegt.

Es war schnell klar, dass ein Eigenbau zum Einsatz kommen sollte. Möglichst klein, doch mit ausreichend aktueller Hardware und Platz für mindestens 2 Festplatten. Intel NUC oder Gigabyte BRIX Systeme kamen daher nicht infrage. Außerdem sollte wieder Ubuntu Linux zu Einsatz kommen. Damit schieden NAS-Systeme von Synology oder QNAP aus.

Nach einiger Recherche stieß ich auf System, das für meine Anforderung wie gemacht schien: Den ASRock DeskMini A300 Barebone.

ASRock DeskMini A300

Der DeskMini A300 ist ein Barebone im Mini-STX Format. Die Abmessungen des Gehäuses betragen 155x155x80 mm. Auf dem Mainboard befindet sich ein AM4 Sockel mit A300 Chipsatz für moderne AMD CPUs der Picasso, Raven Ridge oder Bristol Ridge Familie.

Somit sind viele aktuelle AMD Athlon und Ryzen CPUs nutzbar, solange die TWP nicht 65 W übersteigt. Außerdem muss eine CPU mit integrierter Grafik (APU bzw. iGPU) zum Einsatz kommen. Das Bild-Signal kann via HDMI, Display Port oder D-SUB/VGA abgegriffen werden.

Verfügbar sind weiterhin M.2 Slots (Type 2280), SATA 6GB/s, Gigabit-LAN und USB 3.1 vorhanden. Der maximale Speicherausbau beträgt 64 GB und im Gehäuse haben 2 2,5″ HDDs bis max. 9mm Dicke Platz.

AMD Athlon 200GE

Die AMD Athlon 200GE APU ist eine Low-Cost CPU aus der Raven Ridge Familie mit 2 Kernen in Zen-Architektur. Sie bietet 4 logische CPUs und taktet mit bis zu 3,2 GHz.

Neben der CPU ist noch eine Vega 3 Grafikeinheit verbaut, so dass auf eine dedizierte Lösung verzichtet werden kann. Mit 35 W TWP passt sie locker in die Spezifikation des DeskMini A300 und liegt leistungstechnisch doch weit über dem Turion II des N54L.

Speicher

Ein Barebone muss neben der CPU natürlich noch mit flüchtigem und permanentem Speicher bestückt werden. Der Athlon 200GE unterstützt DDR4-2666 Speicher, entsprechend den Vorgaben des Boards kommt ein 2x 8 GB Kit von Crucial zum Einsatz.

Als Medium für das Betriebssystem (Ubuntu Server 18.04 LTS) kommt eine Samsung PM981 256 GB SSD im M.2 2280 Format zum Einsatz. Über NVMe angesteuert, können bis zu 3GB/s gelesen werden. Als „Bulk Version“ ohne Kühlkörper ist sie für knapp 50 EUR erhältlich.

Die eigentlichen Nutzdaten werden auf 2 Seagate BarraCuda 2000 GB HDDs abgelegt, welche über md-tools zu einem RAID 1 (also gespiegelt) verbunden sind. Bis zu 125 MB/s lesender Transfer sind möglich. Aufgrund der beengten Platzverhältnisse können keine HDDs höher als 9 mm verbaut werden, die Seagates sind 7,5 mm dick.

Fazit

Der Eigenbau auf Basis des DeskMini A300 erfüllt meine Anforderungen bis dato in vollem Umfang. Er ist klein, leistungsstark, dabei leise und günstig in Anschaffung und Unterhalt. Der gesamte Setup hat ca. 450 EUR gekostet.

Der Zusammenbau war kinderleicht, lediglich die Montage der zweiten HDD ist etwas aufwendiger, dann muss das Mainboard demontiert werden.

Die Geräuschentwicklung mit dem „boxed“ Kühler des Athlon 200GE ist moderat, für Wohn- oder Schlafzimmer sicher zu laut, steht mir allerdings ein eigener Raum für die „Haus-IT“ zur Verfügung.

Ausblick

Die Migration des N54L auf den neuen Server wird sicherlich einige Zeit in Anspruch nehmen. Vorteilhaft ist, dass schon auf dem alten Server Docker und Docker Compose zum Einsatz kommen. Nutz- und Konfigurationsdaten der Anwendungen sind daher leicht identifizier- und kopierbar.

Um meine „Skills“ im Bereich Container Orchestrierung auszubauen, werde ich wohl Kubernetes oder Rancher K3s installieren. Letzteres läuft schon auf den Raspberry Pis im Haus, so dass ein Cluster mit 4 Nodes entstünde.

Sollte da neue System wider Erwarten an seine Grenzen stoßen, bleiben mir mehrere Möglichkeiten der „vertikalen“ Skalierung: Eine leistungsstärkere CPU und/oder mehr Hautpspeicher. Auch eine „horizontale“ Skalierung ist möglich, durch mehrere Duplikate des neuen Systems. Das Volumen eines N54L (ca. 14 Liter) ist auf jeden Fall ausreichend für bis zu 6 ASRock DeskMinis.

Weiterführende Informationen

Software und Dokumentation

• Ubuntu Server
• Docker Community Edition für Ubuntu
• Rancher K3s
• Prometheus
• Homegear
• Home Assistant
• Minecraft

Produkte*

• ASRock DeskMini A300 Barebone (Produktseite)
• AMD Athlon 200GE APU boxed (YD200GC6FBBOX) (Produktseite)
• Crucial DDR4-2666 16GB Kit (CT2K8G4SFS8266)
• Samsung PM981 256GB M.2 SSD (MZVLB256HAHQ)
• Seagate BarraCuda 2000GB HDD (ST2000LM015) (Datenblatt)
• Western Digital RED 2TB 3,5″ HDD (WD20EFAX)

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