Ziel des Projektes ist ein selbst entwickelter Hausbus der schrittweise erweitert werden kann und diverse Komfort- und Sicherheitsfunktionen bietet.

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Vorbetrachtung

Übertragungs-Standard

Da die Grundfläche des Hauses sehr groß ist und dadurch relativ lange Verkabelungswege erwartet werden, kommen nicht viele Übertragungsstandards in Frage. Meine engere Wahl fiel auf RS-485 und CAN. Beide Systeme haben in der Umsetzung Vor- und Nachteile. Im direkten Vergleich wird jedoch deutlich, dass CAN einige wichtige Vorteile gegenüber RS-485 hat:

 RS-485CAN
Maximale Bus-Länge 1,2 km @100 kbit/s 1,6 km @50 kbit/s
Interface UART CAN-Controller
Kollisionserkennung nein ja (CSMA/CR)
Multimasterfähig nein ja

Gerade die Multimasterfähigkeit ist für mich im Smart-Home interessant. Es gibt zwar Protokollimplemtierungen die auch RS-485 multimasterfähig machen und auch Kollisionserkennung ermöglichen, doch diese sind in meinen Augen nicht mehr zeitgemäß; zumal entsprechende CAN-Controller dies bereits hardwareseitig unterstützen. Nachteile die CAN mit sich bringt sind vor allem der Datenoverhead.

Leitungen

Die Verkabelung erfolgt mit handelsüblichen CAT-7A-Kabeln. Dies Kabel besitzen 4 verdrillte Aderpaare die folgendermaßen belegt werden:

CAN HI →
CAN LO →
24V
GND
Video +
Video - 

CAN HI ←

CAN LO ←

Aufgrund der verwendeten Topologie die im folgenden Abschnitt erklärt ist, werden zwei Adernpaare für die CAN-Signale verwendet. In einem weiteren Adernpaar wird die Versorgungsspannung für die Sensor-Knoten und eine Masseleitung mitgeführt. Das verbleibende Adernpaar bleibt vorerst ungenutzt und soll später eventuell für Video-Übertragung der Gegensprechanlage genutzt werden. Aufgrund der langen Kabelwege würde das Videosignal auf beiden Adern symmetrisch übertragen. Der Schirm des Kabels wird an einem Punkt auf den Schutzleiter gelegt.

Bus-Topologie

  • TopologieTopologie

Rein logisch wäre eine Stern-Topologie die beste Variante. Alle Sensordaten laufen auf einen Punkt im Haus zusammen. Beim verwendeten CAN hingegen ist die Bus-Topologie streng vorgegeben. Alle Teilnehmer werden an einem Hauptstrang angeschlossen. Eine Leitung vom Hauptstrang zum Knoten darf nur wenige Meter betragen. Da mir dies nicht praktikabel erschien, habe ich mich dazu entschlossen physikalisch einen Stern zu erzeugen und diesen logisch als Bus anzulegen. Fällt nun ein beispielsweise ein Knoten aus, kann ich diesen einfach in der Zentrale abklemmen. Auch das Hinzufügen neuer Knoten ist weniger aufwändig. In der Praxis sieht der Bus nun folgendermaßen aus:

Alle Netzwerk-Knoten besitzen zwei CAN-Leitungs-Paare die in einem Kabel geführt werden. Alle Kabel laufen zentral auf ein Patchfeld zusammen. Mit entsprechenden Patch-Kabeln werden anschließend alle Knoten physisch hintereinander gehängt. Der letzte Knoten erhält auf dem Patchfeld einen entsprechenden Abschlusswiderstand.

Knotentypen

Im Netzwerk wird es verschiedene Knotentypen geben. Einige davon sind für den Benutzer sichtbar verbaut, andere befinden sich versteckt im Hintergrund und steuern beispielsweise die Heizungsanlage oder liefern diverse Sensorwerte. Die meisten Knotentypen werden mehrfach im Haus verbaut und bieten immer die gleiche Funktionalität.

Standard-Knoten

Der am häufigsten verbaute Knotentyp sind die Standardknoten. Sie sind in jedem Lichtschalter im Haus eingesetzt und verfügen immer über den gleichen Aufbau. Sie sehen von außen wie ein normaler Lichtschalter aus und können über maximal zwei Dimmer oder Relais die im Raum angeschlossene Lampen betätigen. Zudem werden über diverse Sensoren Daten über die Umgebung erfasst. Über ein optionales Funkmodul (eins pro Raum) können Heizkörperventile oder Funksteckdosen angesprochen und gesteuert werden.

Durch die Vernetzung der Knoten untereinander, können auch das Licht, die Steckdosen und die Heizkörper von einem anderen Knoten aus gesteuert werden.

Steckdosenknoten

Die Steckdosenknoten werden über Funk mit einem Standardknoten verbunden und können von diesem aus gesteuert werden. Neben einem Relais zum Schalten der Steckdose, soll ein Stromsensor vorhanden sein, der den Stromverbrauch messen kann und beispielsweise bei Überlast eine Warnung sendet. Auch das Aufzeichnen der Stromverbräuche soll damit möglich sein.

Display-Knoten

Dieser Knotentyp wird an der Stelle der bisherigen Raumthermostate der Heizung montiert und ersetzen diese. Zusätzlich verfügen Sie über ein Touch-Display und bieten dem Nutzer hiermit Zugang zum Netzwerk. Außerdem werden diese Knoten über eine Sprechanlage (Intercom) verfügen mit der zu andere Display-Knoten Sprachverbindungen aufgebaut werden können (Halbduplex-Betrieb reicht dabei aus). Damit soll es möglich sein Personen in anderen Räumen anzurufen bzw. einen Rundruf zu starten oder die Türsprechanlage zu bedienen (Gegensprechen und Türöffnen). In einer späteren Ausbaustufe wäre das zusätzliche Anzeigen eines Kamerabildes der Tür vorstellbar.

Wetter-Knoten

Mindestens ein Wetter-Knoten soll zentral alle möglichen Wetterdaten erfassen. Folgende Sensoren sollen eingesetzt werden:

  • Temperatur
  • Luftdruck
  • Luftfeuchte
  • Helligkeitssensor
  • Geiger-Zähler
  • Windgeschwindigkeit und -richtung
  • Niederschlag
  • Gewitterwarner (AS3935)

Management-Knoten

In diesem Knoten können  automatisierte Regeln eingespeichert werden, deren Komplexität die Regelverwaltung der anderen Knotentypen übersteigt. Eine Anforderung wären beispielsweise zeitgesteuerte Aktionen. Bei der Definition der Regeln soll es dabei möglich sein auf sämtliche Aktoren und Sensoren des Netzes zuzugreifen um beispielsweise die Heizung oder das Licht zu steuern. Außerdem sollen hier bei Bedarf zentral alle im Netz anfallenden Daten erfasst und abspeichert werden. Die Daten sollen dann beispielsweise über einen integrierten Webserver oder über die Display-Knoten einsehbar sein um beispielsweise das Wetter oder den Stromverbrauch der letzten 24 Stunden einzusehen. Vermutlich wird dieser Knoten als normaler Windows- oder Linux-Rechner umgesetzt und bietet gleichzeitig die Möglichkeit das gesamte Netzwerk zu verwalten (anmelden neuer Knoten, etc.)

Weitere Knotentypen

Zusätzlich sollen folgende Spezialknoten mit spezieller Sensorik eingesetzt werden:

  • Bei der Waschmaschine ein Wasser-Detektor zur Leckage-Erkennung
  • Bei Gasanschluss und Heizung einen Gasdetektor
  • Erfassen der Zählerstände an Strom-, Wasser- und Gaszähler

Hardware

Verkabelung

Die Verkabelung ist bereits komplett erfolgt. Von jedem Lichtschalter aus wurde ein CAT-7A-Kabel zum Serverschrank im Hausanschlussraum gezogen und dort auf zwei Patchfelder gelegt. Bei mehreren übereinander sitzenden Lichtschaltern wurde jedoch nur ein Kabel gezogen. Insgesamt wurden so 820 m Kabel verlegt. Außerdem wurden 155 tiefe Unterputzdosen verbaut um in jeder Steckdose und jedem Lichtschalter genug Platz für die Elektronik zu haben. Teilweise wurden auch besonders große Elektronik-Dosen verbaut.

Im Serverschrank erfolgt zentral die Einspeisung der 24 V-Versorgungsspannung für die Netzwerkknoten. Auch bestimmte Busknoten, wie etwa der Managementknoten werden hier zentral verbaut.

Netzwerkknoten

Mein Ziel ist es möglichst wenig verschiedene Knotentypen zu entwickeln und alle mit der gleichen Grundsoftware auszustatten, die dann durch Parametrisierung angepasst wird. Alle Knoten die physisch mit dem Bus verbunden sind, verfügen über ein Baseboard welches bereits über einen großen Teil der Hardware verfügt. Je nach Anwendung kann dann ein Board mit spezieller Peripherie aufgesteckt werden um weitere Aktoren und Sensoren hinzuzufügen.

Baseboard

  • BasisboardBasisboard

Das Baseboard dient als Grundbaustein für jeden Netzwerkknoten. Er verfügt über folgende Komponenten:

  • Mikrocontroller (Atmega ATSAM4E16C)
  • Spannungsregler für 12 V (MC7812CDT), 5 V (LM2940) und 3,3 V (LP38693)
  • Strommessung (ACS712)
  • Spannungsmessung 24V (Spannungsteiler)
  • CAN-Tranceiver (SN65HVD232)
  • EEPROM (24LC64)
  • Cryptochip (ATSHA204A)
  • Temperaturmessung (MCP9700)
  • Funk (NRF24L01)
  • LSA+-Anschluss für die Netzwerkleitungen

Auf das Baseboard können weitere Boards aufgesteckt werden die dann maßgeschneidert für jede Anwendung sind und über Tastereingänge, Relais, Dimmer, Strommesser etc. verfügen. Hierfür stehen insgesamt 27 Verbindungspins zur Verfügung über die sowohl Spannungen bereitgestellt als auch Verbindungen für UARTs, SPI, I²C, PWM, Timer, ADC, Interrupts, ermöglicht werden.

Mit dem Strommesschip wird der Eigenverbrauch des Netzwerkknotens gemessen. Über eine einfache Spannungsmessung kann dann die Leistung berechnet werden.

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