Ziel des Projektes ist ein selbstentwickelter 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-485 CAN
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 handeslüblichen 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

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.

Funktionalität

Mein Ziel ist es möglichst wenig verschiedene Netzwerkknoten zu entwickeln und alle mit der gleichen Grundsoftware auszustatten die dann durch Parametrisierung angepasst wird. Neben Standardknoten sollen noch eine Reihe von spezialisierten Knoten eingesetzt werden.

Standard-Knoten

Die Hauptfunktionalität sollen die Standardknoten leisten die in jedem Lichtschalter im Haus eingesetzt werden und immer über den gleichen Aufbau verfügen. Statt des Lichtschalterschalters wird ein Touch-Display zu sehen sein mit dem wie bei einem normalen Schalter über Relais das Licht im Raum ein- und ausgeschaltet werden kann, zudem werden über diverse Sensoren Daten über die Umgebung erfasst (Temperatur-, Rauch-, Gas-, Bewegungs-, Helligkeitssensor). Über ein Funkmodul 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.

Außerdem sollen manche Knoten über eine Sprechanlage (Intercom) verfügen mit der zu andere Knoten Sprachverbindungen aufgebaut werden können (Halbduplex-Betrieb reicht dabei aus). Damit soll es möglich sein Personen in anderen Gebäudeteilen anzurufen bzw. einen Rundruf zu starten und die Türsprechanlage zu bedienen (Gegensprechen und Türöffnen). In einer späteren Ausbaustufe wäre das zusätzliche Anzeigen eines Kamerabildes der Tür vorstellbar.

Zeitsteuerungs-Knoten

In diesem Knoten können zeitgesteuerte Aktionen eingespeichert werden. Diese werden dann zur progammierten Zeit ausgeführt. Es sollen dabei sämtliche Aktoren des Netzes zur Verfügung stehen um beispielsweise die Heizung oder das Licht zu steuern.

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.

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)

Speicher-Knoten

Ein Knoten im Netz soll zentral alle im Netz anfallenden Daten erfassen und abspeichern. Die Daten sollen dann beispielsweise über einen integrierten Webserver oder über die Standard-Knoten einsehbar sein.

Weitere Knoten

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 Versorgungsspannung für die Netzwerkknoten. Auch bestimmte Busknoten, wie etwa der Speicher- und Zeitsteuerungsknoten werden hier eingesetzt.

Netzwerkknoten

Die Ansteuerung des CAN-Buses wird über einen MCP2515 (CAN-Controller) und einen MCP2561 (CAN-Transceiver) erfolgen. Der Mikrocontroller kann somit direkt über eine serielle Schnittstelle auf den CAN-Bus zugreifen.

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