Funk/LAN-Gateway.
aktualisiert am 06.02.2015
Status: Projekt abgeschlossen


Netzwerkkomponenten benötigen einen Netzwerkanschluss, Funk-Komponenten ein Gateway um mit der Zentrale der Haussteuerung kommunizieren zu können.
Dieses ist vergleichbar mit einem Accespoint für´s WLan. Die Daten, die per LAN empfangen werden sendet das Gateway per Funk an die "zuhörenden" Geräte und Daten die per Funk ankommen werden vom Gateway per LAN an den anfragenden Steuerrechner (noch ein PC) weiter geleitet.
Das bisherige Gateway war mit einem Transceiver RFM12BP der Firma HopeFM ausgestattet. Max. 0.5 Watt Sendeleistung waren vollkommen ausreichend. Nachteil war, dass mehrere Versorgungsspannungen zum Betrieb nötig waren. 3,3 Volt für die Logig-Einheit und 12 Volt für die Sendeendstufe. Den gesamten Datenaustausch musste die Software erledigen, jedes Byte musste einzeln abgeholt werden. Vor einiger Zeit hat HopeFM einen neuen, sehr leistungsfähigen Tranceiver auf den Markt gebracht. Bis zu 1 Watt Sendeleistung, eine Datenrate bis zu 256 Kbps, FSK, GFSK und OOK Modulation und vielen weiteren interessanten Features. Und das alles mit einer Versorgungsspannung (5 Volt).

Die Anzahl programmierbarer Register lassen einem erst einmal den Schweiss auf die Stirn treiben. Aber halb so wild. Das bekommt man schnell in den Griff. Der Empfang und das Senden wird vom Modul allein abgewickelt. Wurde ein komplettes Datenpaket empfangen, löst es einen Interrupt aus und man muss nur noch den Empfangsbuffer auslesen. Senden ist genau so einfach. Daten in den Empfangsbuffer legen und den Sendebefehl geben. Das gesamte Protokoll einschliesslich Header und Syncronisation erledigt das FRM23BP selbsständig.

Das Modul ist auch einiges kleiner, so wird die gesamte Elektronik nun auch kompakter.
Herzstücke des Gateway sind ein Transceiver vom Typ RFM23BP mit bis zu 1 W Ausgangsleistung und das LAN-Modul 812MJ von Wiznet. Die sehr hohe Leistung des RFM23BP schafft Distanzen von mehreren Kilometer! Hier sollte durch Versuche die Sendeleistung auf das Notwendigste gedrosselt, und natürlich auch die Vorgaben der Bundesnetzagentur beachtet werden. Da die Datenpakete sehr klein sind, werden natürlich auch die erlaubten DutyCycle-Vorgaben eingehalten.

Mit diesem neuen Modul haben sich auch meine Probleme mit den Funkstrecken innerhalb des Hauses erledig. Es ist erstaunlich wie stark Bruchsteinwände und Eichenbalken dämpfen. Allerding muss man auch erwähnen, dass die Wände teilweise bis zu 60 cm dick sind.
Mit dem alten Gateway und 500 mW Ausgangsleistung war es senderseitig kein Problem die anderen Funk-Devices zu erreichen. Allerdings haben die Endgeräte NUR einen RFM12 on Board und dieser liefert max. 2 mW. Auf freier Strecke kein Problem, aber innerhalb des Hauses war teilweise kein "durchkommen". Nun werden nach und nach alle "Endgeräte" auf das RFM23BP umgerüstet.

altes Gateway Gateway:
Links das alte Model mit einem RFM12BP, rechts das Neue mit einem RFM23BP. neues Gateway

Das neue Gateway benötigt deutlich weniger Bauteile. Rechts oben das RFM23BP, unten in der Mitte der Lanadaper WIZ812MJ. Es ist deutlich kleiner ausgefallen, als Controller werkelt ein PIC18F2520.
Die Software ist nun in C geschrieben, deutlich einfacher als Assembler. Das Finder-Relais ist wichtig für die Programmierung in der Schaltung und trennt die Programmierleitungen wärend des Brennvorgangs von der übrigen Schaltung ab. Diese Programmiermethode hat sich sehr bewährt.

Nun fehlt nur noch ein passendes Gehäuse....



Display
Das Display zeigt den aktuellen Status. Mit 4 Zeilen á 20 Zeichen bleibt nicht viel Platz für lange Texte, reicht aber für die wichtigsten Infos. Mittels eines Taster kann zwischen der normalen Anzeige und der RSSI-Anzeige (Empfangsstärke) umgeschaltet werden.

Display-Anzeige:
Das Display zeigt in der ersten Zeile den aktuellen Status des Lanadapter an. (close, open, listen, connect usw.) Zeile 2 zeigt den übertragenen Befehl. Hier 000:206 (Messdaten) und die eNum. Die dritte Zeile zeigt an, dass gerade Daten von der Wetterstation empfangen wurden (Device-Typ 150) mit der Adresse 1.13 und in der letzten Zeile wird angezeigt, zu welcher IP-Adresse die empfangenen Daten weiter geleitet werden.


Zur Funktion:
Die gesamte Steuerung für Haus und Grundstück laufen (im Moment noch) auf einem PC. Dieser steuert die Außenbeleuchtung in Abhängigkeit von Uhrzeit und Helligkeit, übernimmt die Steuerung für den Poolfilter und Umwälzpumpe, regelt die gesamte Heizung im Haus, überwacht die Zufahrt uns vieles mehr.
Einige Steuereinheiten arbeiten über LAN andere über Funk. Z.B. die Wetterstationen, die Raumthermostate und Funkfernbedienungen sind typische Anwendungen für Funk. Zwar habe ich eine Stromversorgung an der Wetterstation aber kein Netzwerkkabel. Gleiches gilt für den Pool, das Gartenhaus, die Terassen- und Gartenbeleuchtung. Je nach Konfiguration senden diese Geräte ohne Aufforderung in regelmäßigen Abständen oder sie werden vom PC abgefragt. Dazu sendet der PC ein Anfrage an das jeweilige Gerät. Hier kommt das Gateway ins Spiel. Die Daten vom PC werden in Funksignale umgesetzt und gesendet. Empfangene Funkdaten werden über das Netzwerk an den PC gesendet. Über ein Protokoll mit fester Headerstruktur und variablen Datenbereich werden die Daten transparent hin und her geschickt. Das Gateway "routet" die Datenpakete also einfach nur weiter, ohne irgendwelche Änderungen vorzunehmen. Mittels einer Prüfsumme wird die Richtigkeit jedes Datenpaketes überprüft.


Die Schaltung:
Im Gateway werkelt ein PC18F2520 von Microchip. Mit 12 Mhz getaktet schafft der Pic es locker die Lan- und Funkdaten zu verarbeiten. Der Lanadapter wird über die SPI-Schnittstelle angesprochen, für das Funkmodul habe ich per Software diese Schnittstelle nachgebildet, da der PIC leider nur eine SPI-Schnittstelle besitzt und ich es bisher auch nicht geschafft habe das Funkmodul darüber anzusprechen. Mit der nachgebildeten Schnittstelle funktioniert der Datenverkehr dafür ohne Probleme. Ein 4-zeiliges Display zeigt den aktuellen Status an.
Der Lanadapter arbeitet mit 3,3 Volt, die restliche Schaltung mit 5 Volt. Im Gegensatz zum Funkmodul hat der Lanadapter 5V-tolerante Eingänge. Deshalb müssen Pegelwandler oder wie hier Widerstände zum Einsatz kommen um die max. Grenzwerte nicht zu überschreiten.
Die Stromaufnahme liegt leider bei ca. 230 mA


Schaltplan:
Den Schaltplan des Gateway als PDF gibt es hier.
Die Software (als Hexfile) sende ich gern auf Anfrage per Mail zu. Da ich immer mal wieder eine Kleinigkeit ändere ist dieser Weg für mich einfacher und muss nicht immer alle Softwaremodule auf dieser Seite aktualisieren.
Die Erweiterung betriff im Wesentlichen die Programmierung der Parameter um Ziel-IP, Sendeleistung usw. per Software konfigurieren zu können.


Schlußbemerkung:
Seit Anfang 2011 ist das Gateway mit dem RFM23BP in Betrieb und arbeitet ohne Ausfall. Seit Februar 2015 ist das neue Gateway mit dem RFM23BP paralell dazu im Einsatz, da noch einige der Funk-Devices mit dem alten Protokoll arbeiten. Beide Geräte arbeiten bisher ohne Ausfälle. Auf eine gedruckte Schaltung kann ich verzichten, da bei mir kein weiteres Gateway erfoderlich ist. Ausserdem hält sich der Aufwand zum Bau in Grenzen, so dass ein Gerät schnell von Hand aufgebaut werden kann.




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