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RasPi Zero Hub – Architektur & Datenfluss

Veröffenticht am 21.02.2026 von Raab Wolfgang in der Kategorie Projekt: RasPi Zero Hub, Raspberry Pi bisher keine Reaktionen

In den bisherigen Beiträgen habe ich Projektidee, Hardware, Aufbau und die Installation der benötigten Bibliotheken beschrieben.

Dieser Artikel setzt dort an, wo die eigentliche Struktur des Systems sichtbar wird: in der inneren Organisation der Software.

Ziel ist es nicht, den vollständigen Code zu erläutern oder einzelne Zeilen zu erklären.

Vielmehr geht es darum, nachvollziehbar zu machen:

wie die einzelnen Komponenten zusammenspielen
wie Sensordaten ihren Weg durch das System nehmen
warum bestimmte Architekturentscheidungen getroffen wurden

Der vollständige Code ist separat verfügbar. Die hier gezeigten Ausschnitte dienen ausschließlich der strukturellen Verankerung.

1. Überblick: Komponenten des Systems

Der RasPi Zero Hub besteht softwareseitig aus vier klar getrennten Ebenen:

Sensor-Ebene (Hardware & Treiber)
Python-Steuerung (Logik & Koordination)
Visualisierung & Interaktion (Display, Touch, WebSocket)
Persistenz & externe Anbindungen (SQLite, API, OpenWeather)

Diese Trennung ist bewusst gewählt.

Sie erlaubt es, einzelne Bereiche unabhängig zu erweitern oder auszutauschen, ohne die Gesamtarchitektur zu verändern.

2. Sensor-Ebene: Rohdaten als Grundlage

Im Standardaufbau kommen drei Sensortypen zum Einsatz:

BME280

Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Luftdruck (Innen)
DHT22

Temperatur und Luftfeuchtigkeit (Innen, zweite Quelle)
AM2301 / AM3201

Temperatur und Luftfeuchtigkeit (Außen)

Jeder Sensor liefert Rohwerte.

In dieser Phase findet noch keine Bewertung statt – es geht ausschließlich um Messung.

Die Sensoren werden bewusst getrennt behandelt, um:

Plausibilitätsprüfungen zu ermöglichen
Mittelwerte bilden zu können
Erweiterungen offen zu halten

3. Python als Zentrale: Lesen, Verarbeiten, Verteilen

Die zentrale Python-Anwendung übernimmt drei Hauptaufgaben:

Zyklisches Einlesen der Sensoren
Aufbereitung und Aggregation der Werte
Weitergabe an Anzeige, Logik und Speicher

Der Ablauf ist strukturell immer gleich:

Sensoren lesen

→ Werte prüfen

→ Mittelwerte berechnen

→ Logik anwenden

→ Daten verteilen

Wichtig ist:

Es gibt nur eine Quelle der Wahrheit – die Python-Logik.

Display, Webinterface und API greifen niemals direkt auf Sensoren zu.

Übernahme der Messwerte

Die Sensoren werden zunächst lokal eingelesen. Erst danach werden die Werte gesammelt in den globalen Systemzustand übernommen.

while True:
    # --- Sensoren lokal einlesen ---
    local_bme_temperatur = bme280.get_temperature()
    local_bme_luftfeuchtigkeit = bme280.get_humidity()
    local_bme_luftdruck = bme280.get_pressure()

    local_dht_humidity, local_dht_temperature = Adafruit_DHT.read_retry(dhtSensorWeissTyp, dhtSensorWeissGpio)
    local_am_humidity, local_am_temperature = Adafruit_DHT.read_retry(dhtSensorAM3201Typ, dhtSensorAM3201Gpio)

    # --- Atomare Übernahme der Messwerte ---
    with state_lock:
        bme_temperatur = local_bme_temperatur
        bme_luftfeuchtigkeit = local_bme_luftfeuchtigkeit
        bme_luftdruck = local_bme_luftdruck
        dht_humidity = local_dht_humidity
        dht_temperature = local_dht_temperature
        am_humidity = local_am_humidity
        am_temperature = local_am_temperature

while True:

# --- Sensoren lokal einlesen ---

local_bme_temperatur = bme280.get_temperature()

local_bme_luftfeuchtigkeit = bme280.get_humidity()

local_bme_luftdruck = bme280.get_pressure()

local_dht_humidity, local_dht_temperature = Adafruit_DHT.read_retry(dhtSensorWeissTyp, dhtSensorWeissGpio)

local_am_humidity, local_am_temperature = Adafruit_DHT.read_retry(dhtSensorAM3201Typ, dhtSensorAM3201Gpio)

# --- Atomare Übernahme der Messwerte ---

with state_lock:

bme_temperatur = local_bme_temperatur

bme_luftfeuchtigkeit = local_bme_luftfeuchtigkeit

bme_luftdruck = local_bme_luftdruck

dht_humidity = local_dht_humidity

dht_temperature = local_dht_temperature

am_humidity = local_am_humidity

am_temperature = local_am_temperature

Die Werte werden zunächst in lokalen Variablen erfasst.

Erst anschließend erfolgt eine atomare Übernahme in den globalen Zustand – abgesichert durch state_lock.

Damit wird verhindert, dass Display, WebSocket oder LED-Logik mit inkonsistenten Zwischenwerten arbeiten.

Logik anwenden: Mittelwert & Schwellenwert

Die eigentliche Bewertung erfolgt ausschließlich in der Python-Zentrale.

Ein Beispiel ist die Prüfung der Luftfeuchtigkeit.

def ist_luftfeuchtigkeit_ueber_schwellenwert():
    global raumklima, bme_luftfeuchtigkeit, LUFTFEUCHTIGKEIT_SCHWELLENWERT, am_humidity, dht_humidity

    innen_mittelwert = berechne_mittelwert(bme_luftfeuchtigkeit, dht_humidity)

    if innen_mittelwert is None or am_humidity is None:
        raumklima = True
        return

    if innen_mittelwert &gt; LUFTFEUCHTIGKEIT_SCHWELLENWERT and am_humidity &gt; LUFTFEUCHTIGKEIT_SCHWELLENWERT:
        raumklima = False
    else:
        raumklima = True

def ist_luftfeuchtigkeit_ueber_schwellenwert():

global raumklima, bme_luftfeuchtigkeit, LUFTFEUCHTIGKEIT_SCHWELLENWERT, am_humidity, dht_humidity

innen_mittelwert = berechne_mittelwert(bme_luftfeuchtigkeit, dht_humidity)

if innen_mittelwert is None or am_humidity is None:

raumklima = True

return

if innen_mittelwert > LUFTFEUCHTIGKEIT_SCHWELLENWERT and am_humidity > LUFTFEUCHTIGKEIT_SCHWELLENWERT:

raumklima = False

else:

raumklima = True

Die Entscheidung basiert auf:

einem Mittelwert zweier Innen-Sensoren
einem konfigurierbaren Schwellenwert
einer Fail-safe-Strategie bei fehlenden Messwerten

Diese Logik existiert ausschließlich im Backend.

Das Frontend übernimmt keine Berechnungen.

4. Messwert-Mapping: Klar definierte Bedeutungen

Zur Konsistenz über alle Ebenen hinweg ist das Messwert-Mapping eindeutig definiert:

Feld	Bedeutung
sensorwert_a	BME280 Temperatur innen
sensorwert_b	BME280 Luftfeuchtigkeit innen
sensorwert_c	BME280 Luftdruck
sensorwert_d	DHT22 Temperatur innen
sensorwert_e	DHT22 Luftfeuchtigkeit innen
sensorwert_f	AM2301 Temperatur außen
sensorwert_g	AM2301 Luftfeuchtigkeit außen

Abgeleitete Werte werden nicht persistent gespeichert, sondern bei Bedarf berechnet.

Beispiel:

Temperatur innen (Ø) = (a + d) / 2
Luftfeuchtigkeit innen (Ø) = (b + e) / 2

Das vermeidet Redundanz und hält die Datenbasis transparent.

5. Interaktion: Display, Touchsensor & WebSocket

Der RasPi Zero Hub ist kein passives Messgerät.

Display & Touchsensor

Das LCD zeigt verschiedene Informationsseiten
Der Touchsensor wechselt zyklisch zwischen Ansichten
Keine Menülogik, keine Hierarchien – bewusst einfach gehalten

WebSocket als Konfigurationskanal

Über das Webinterface können Laufzeitparameter verändert werden:

Schwellenwerte
Anzeigezeiten
API-Aktivierung
Speicherintervalle

Änderungen wirken sofort – ohne Neustart.

if "daten_speicherintervall" in data:
    daten_speicherintervall = data["daten_speicherintervall"]

konfiguration_speichern(
    sensor_name,
    sensor_standort,
    terminalausgabe,
    LUFTFEUCHTIGKEIT_SCHWELLENWERT,
    display_anzeige_dauer,
    OWM_API_Activ,
    OWM_API_KEY,
    OWM_Lat,
    OWM_Lon,
    extern_datenbank_aktiv,
    extern_datenbank_api_key,
    extern_datenbank_speicherintervall,
    beginn_led_steuerung,
    ende_led_steuerung,
    daten_speicherintervall
)

if "daten_speicherintervall" in data:

daten_speicherintervall = data["daten_speicherintervall"]

konfiguration_speichern(

sensor_name,

sensor_standort,

terminalausgabe,

LUFTFEUCHTIGKEIT_SCHWELLENWERT,

display_anzeige_dauer,

OWM_API_Activ,

OWM_API_KEY,

OWM_Lat,

OWM_Lon,

extern_datenbank_aktiv,

extern_datenbank_api_key,

extern_datenbank_speicherintervall,

beginn_led_steuerung,

ende_led_steuerung,

daten_speicherintervall

)

Die WebSocket-Nachricht ändert zunächst die Runtime-Variablen.

Anschließend wird die Konfiguration persistent gespeichert.

Damit gilt:

Änderungen wirken sofort
bleiben nach Neustart erhalten
werden ausschließlich zentral verwaltet

Der WebSocket dient dabei nur der lokalen Steuerung, nicht der Fernbedienung.

6. Speicherung: Lokal zuerst, extern optional

Lokale Speicherung (SQLite)

Jeder Messzyklus wird lokal gespeichert – unabhängig von Netzwerk oder API.

def sensordaten_speichern(timestamp, sensor_id, temperature, humidity, pressure):
    with sqlite3.connect(sensordata_db_path) as conn:
        c = conn.cursor()
        c.execute(
            "INSERT INTO sensordaten (timestamp, sensor_id, temperature, humidity, pressure) VALUES (?, ?, ?, ?, ?)",
            (timestamp, sensor_id, temperature, humidity, pressure)
        )
        conn.commit()

def sensordaten_speichern(timestamp, sensor_id, temperature, humidity, pressure):

with sqlite3.connect(sensordata_db_path) as conn:

c = conn.cursor()

c.execute(

"INSERT INTO sensordaten (timestamp, sensor_id, temperature, humidity, pressure) VALUES (?, ?, ?, ?, ?)",

(timestamp, sensor_id, temperature, humidity, pressure)

)

conn.commit()

Die lokale Datenbank ist die stabile Basis des Systems.

Externe Dienste sind optional – niemals Voraussetzung für den Betrieb.

Externe Speicherung (API)

Optional können Daten zusätzlich an eine externe API übertragen werden.

Zweck:

Langzeitarchivierung
Zentrale Auswertung
Dashboard-Anbindung

Wichtig:

API-Key-basiert
Rate-limitiert
Zeitstempel-validiert

Die externe Speicherung ergänzt die lokale Datenbank – sie ersetzt sie nicht.

7. Externe Daten: OpenWeather als Vergleichswert

Zusätzlich können Wetterdaten von OpenWeather eingebunden werden.

Diese Daten:

werden nicht mit eigenen Sensoren vermischt
dienen als Referenzwerte
fließen nur in Anzeige und Vergleich ein

Die Kernlogik basiert ausschließlich auf eigenen Messungen.

8. Fazit: Ein bewusst modularer Ansatz

Die Architektur des RasPi Zero Hub folgt drei Grundprinzipien:

Trennung von Messung, Logik und Darstellung
Lokale Funktionalität ohne externe Abhängigkeiten
Optionale Erweiterbarkeit statt Zwang

Die Python-Zentrale bildet den stabilen Kern.

Alle anderen Ebenen – Display, Webinterface, externe API – greifen auf diesen Kern zu, ohne ihn zu umgehen.

In den nächsten Beiträgen gehe ich gezielt auf einzelne Teilbereiche ein – beginnend mit der Sensorik und der Messwert-Aufbereitung.

Wenn du diese Artikelserie bisher nicht kennst, hier sind die bisher erschienenen Einträge des Projekttagebuchs.

Der vollständige Projektcode des RasPi Zero Hub steht als Download zur Verfügung.
Alle Python-Dateien, Konfigurationen sowie die Weboberfläche sind dort gebündelt abrufbar:

👉 Zum Download des vollständigen Projektcodes

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Wolfgang Raab – Betreiber von webnist.de

Mein Name ist Wolfgang, ich beschäftige mich nun schon seit 1985 mit der EDV und im Besonderen mit der Software- und Webentwicklung.

Auf diesem Blog schreibe ich über Dinge, die mich begeistern, beschäftigen und ich der Meinung bin, es könnte für andere interessant und hilfreich sein.

Als großer Fan des Raspberry Pi finde ich es spannend, wie man den kleinen Computer in Verbindung mit dem IoT und Smart Home nutzen kann. Deshalb behandeln viele Beiträge auch genau dieses Thema.

Ich bin ein leidenschaftlicher Leser und Fotograf. Wenn ich nicht gerade in einem spannenden Roman versinke, bin ich oft unterwegs, um die Schönheit der Welt mit meiner Kamera einzufangen und zu teilen.

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