Unterschiede

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--- de:tech:gardenled [2022/11/13 18:32] – [Downloads] bullar
+++ de:tech:gardenled [2022/11/14 15:56] (aktuell) – bullar
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 ===== Motivation =====
-Unser Grundstück ist - wie häufig hier in Thailand - von einer zwei Meter hohen Mauer eingerahmt. Das hält einige Tiere wie streunende Strassenhunde aber auch Schlangen oder ähnliches etwas ab. Von innen kann man diese Wand natürlich begrünen.
+Unser Grundstück ist - wie häufig hier in Thailand - von einer zwei Meter hohen Mauer eingerahmt. Die hält Tiere wie streunende Strassenhunde aber auch Schlangen oder ähnliches ab. Von innen kann man diese Wand natürlich üppig begrünen.
 {{ :tech:villa_garden.png?direct&400 |Garden wall}}
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 ===== Lösungsansatz =====
-Im Garten liegt eine 230V Versorgung die aber nicht schaltbar oder dimmbar ist, da andere Verbraucher wie Aussensteckdosen und das Bodenlicht daran angeschlossen sind.
+Im Garten liegt bei uns eine 230V Versorgung, die aber nicht schaltbar oder dimmbar ist, da andere Verbraucher wie Aussensteckdosen und das Bodenlicht daran angeschlossen sind.
-Eine Zusatzverdrahtung zum Haus habe ich ausgeschlossen nachdem ich versucht habe den Verlauf der unterirdischen Rohre zu verfolgen. Also muss etwas drahtloses her, das (wie immer) auch in [[https://www.home-assistant.io|Home Assistant]] einbindbar ist.
+Eine Zusatzverdrahtung zum Haus habe ich ausgeschlossen, nachdem ich erfolglos versucht habe den Verlauf der unterirdischen Rohre zu erfassen. Also muss etwas drahtloses her, das (wie immer) auch in [[https://www.home-assistant.io|Home Assistant]] einbindbar ist.
 Vorab habe ich schon die LED Spots nach Aussehen, Leistung, Preis und Größe ausgewählt. Dabei fiel die Wahl auf einen 5W/600lm Strahler mit 12V AC/DC Versorgung im IP65 Gehäuse vom thailändischen Amazon: LAZADA.
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 {{ :tech:led_spotlight.png?direct&300 |}}
-Bei einem Preis von unter 4€ pro Stück kommt das ganze wirklich in einem wasserfesten Alugehäuse mit einer internen Steuerplatine und funktioniert! Lichtgeber ist eine 3mm LED die mit 21.5V bei einem Konstantstrom von 266mA betrieben wird. Die höhere Spannung wird durch einen Boost Regler (BP1808) erreicht, der auch einen ungenutzten DIM Eingang hat. Dieser kann analog oder über ein PWM Signal angesteuert werden. Ein erster Test mit einer 500Hz PWM zeigt das gewünschte Dimmverhalten.
+Bei einem Preis von unter 4€ pro Stück kommt das ganze wirklich in einem wasserfesten Alugehäuse mit einer internen Steuerplatine und funktioniert! Lichtgeber ist eine 3mm LED die mit 21.5V bei einem Konstantstrom von 266mA betrieben wird. Die höhere Spannung wird durch einen Boost Regler [[http://www.bpsemi.com/en/product_result.php?id=236|(BP1808)]] erreicht, der auch einen ungenutzten DIM Eingang hat. Dieser kann analog oder über ein PWM Signal angesteuert werden. Ein erster Test mit einer 500Hz PWM zeigt das gewünschte Dimmverhalten.
-{{:tech:bp1808_front.png?direct&200|LED driver front side}} {{:tech:bp1808_back.png?direct&200|LED driver back side}}
+<WRAP group>
+<WRAP half column>
+{{ :tech:bp1808_front.png?direct&200|LED driver front side}}
+</WRAP>
+<WRAP half column>
+ {{:tech:bp1808_back.png?direct&200 |LED driver back side}}
+</WRAP>
+</WRAP>
-Jetzt brauchen wir nur ein Idee wie wir die im Home Assistant individuell gewählte Dimmung für jedes Spotlight als PWM Signal bereitstellen. Das Gehäuse der LED erlaubt dabei keine voluminöse Lösung. [[https://en.wikipedia.org/wiki/DMX512|DMX512]] erscheint hier etwas überdimensioniert. Also warum nicht auch mal einen proprietären Ansatz wagen.
+Jetzt brauchen wir nur ein Idee wie wir die im Home Assistant ausgewählte Dimmung für jedes Spotlight als PWM Signal bereitstellen. Das Gehäuse der LED erlaubt dabei keine voluminöse Lösung. [[https://en.wikipedia.org/wiki/DMX512|DMX512]] erscheint hier etwas überdimensioniert. Also warum nicht auch mal einen proprietären Ansatz wagen.
-Erste Versuche mit einer Kommunikation über Niedrigvoltleitungen schlugen aus Zuverlässigkeits- und Skalierungsgründen fehl. Dazu gibt es aber einen pfiffigen Ansatz: [[https://www.electronicdesign.com/technologies/communications/article/21799727/simple-circuit-communicates-over-lowvoltage-power-lines|Simple Circuit Communicates Over Low-Voltage Power Lines]]. Das ganze mit einem ATTINY85 implementiert hat grundsätzlich mit zwei Transceiver über 10m bei 2400 Baud funktioniert.
+Erste Versuche mit einer Kommunikation über Niedrigvoltleitungen schlugen aus Zuverlässigkeits- und Skalierungsgründen fehl. Dazu gibt es durchaus einen pfiffigen Ansatz: [[https://www.electronicdesign.com/technologies/communications/article/21799727/simple-circuit-communicates-over-lowvoltage-power-lines|Simple Circuit Communicates Over Low-Voltage Power Lines]]. Das ganze mit einem ATTINY85 implementiert hat grundsätzlich mit zwei Transceiver über 10m bei 2400 Baud funktioniert, ist für den hiesigen Anwendungsfall out-of-the-box aber nicht geeignet.
-Für Datenübertragungen über mehrere 10m kommt einem immer auch [[https://en.wikipedia.org/wiki/RS-485|RS485]] in Sinn. Passende Treiber-IC sind zuhauf verfügbar und eine Standard-UART reicht aus als Kommunikationsschnittstelle. Um es vorweg zunehmen, diese Idee hat dann auch zum Erfolg geführt. Hier die Beschreibung ...
+Für Datenübertragungen über mehrere zehn Meter kommt einem immer auch [[https://en.wikipedia.org/wiki/RS-485|RS485]] in den Sinn. Passende Treiber-IC sind zuhauf verfügbar und eine Standard-UART reicht aus als Kommunikationsschnittstelle. Um es vorweg zunehmen, diese Idee hat dann auch zum Erfolg geführt. Hier die Beschreibung ...
 ===== Hardware =====
-Der LED Boost Driver mit dem BP1808 muss um eine Schaltung für den. Empfang von seriellen Daten über RS485 erweitert werden und das ganze möglichst klein. Der Innenraum des Lampengehäuses fasst nur ca. 40mm x 20mm. Als Steuer-CPU fiel die Wahl auf ein [[https://www.microchip.com/en-us/product/ATtiny85|ATTINY85]] von MicroChip den es im kleinen 8-pin SOIC Gehäuse gibt. Zudem verfügt er über ein EEPROM (z.B. für die Lampen ID), Oszillator on Chip und eine debugWIRE Schnittstelle. Die erlaubt in-place Debugging und vereinfacht so die Softwareentwicklung. Den RX485 Driver gibt es z.B. von [[https://www.maximintegrated.com/en/products/interface/transceivers/MAX485.html|MAXIM]] auch im 8-pin SOIC Gehäuse.
+Der LED Boost Driver mit dem BP1808 muss um eine Schaltung für den Empfang von seriellen Daten über RS485 erweitert werden und das ganze möglichst klein. Der Innenraum des Lampengehäuses fasst nur ca. 40mm x 20mm. Als Steuer-CPU fiel die Wahl auf einen [[https://www.microchip.com/en-us/product/ATtiny85|ATTINY85]] von MicroChip den es im kleinen 8-pin SOIC Gehäuse gibt. Zudem verfügt er über ein EEPROM (z.B. für die Lampen ID), Oszillator on Chip und eine debugWIRE Schnittstelle. Die erlaubt in-place Debugging und vereinfacht so die Softwareentwicklung. Den RX485 Driver gibt es z.B. von [[https://www.maximintegrated.com/en/products/interface/transceivers/MAX485.html|MAXIM]] auch im SOIC8 Gehäuse.
 ==== Schaltplan ====
-Alles zusammengefasst sieht der Schaltplan so aus:
+Alles zusammengefasst sieht der Schaltplan dann so aus:
 {{ :tech:gardenled_schematic.png?direct&400 |}}
-Der LED Boot Driver ist identisch zur Originalversion und nur durch die PWM-Ansteuerung ergänzt. Da ich bei den ersten Versuchen ein paar Hardwareausfälle (ATTINY85 + BP1808) wegen Überspannung hatte, habe ich das PWM Signal galvanisch mit einem Optokopller (OC1) getrennt. An der RS485 Schnittstelle sind auch optional die Abschlusswiderstände vorgesehen (R1,R3,R4). Der MAXIM Baustein Arbeit im Halb-Duplex, daher steuern wir die Richtung (Empfangen oder Senden) auch über den ATTINY85. Der letzte freie Ausgang an der COU steuert eine Status-LED (LED1). Die hilft beim Debugger und der Inbetriebnahme wenn man die POWER-LED abgeklemmt lässt.
+Der LED Boot Driver ist identisch zur Originalversion und nur durch die PWM-Ansteuerung ergänzt. Da ich bei den ersten Versuchen ein paar Hardwareausfälle (ATTINY85 + BP1808) wegen Überspannung hatte, wird das PWM Signal galvanisch mit einem Optokoppler (OC1) getrennt. An der RS485 Schnittstelle sind auch optional die Abschlusswiderstände vorgesehen (R1,R3,R4). Der MAXIM Baustein arbeitet im Halb-Duplex, daher steuern wir die Richtung (Empfangen oder Senden) zusätzlich über den ATTINY85. Der letzte freie Ausgang an der CPU steuert eine Status-LED (LED1). Die hilft beim Debuggen und der Inbetriebnahme, vor allem wenn man die POWER-LED abgeklemmt lässt.
 ==== PCB ====
-Bei den geometrischen Vorgaben kommen wir um eine beidseitige Bestückung nicht herum. Aber auf der zweiten Seite befinden sich nur die vier SS14 Dioden (D3-D6) des Brückengleichrichters und der große Thru-hole Kondensator C. Diese Komponenten müssen dann handgelötet werden aber der Rest kann vorab im Reflow-Ofen (T-962) 'garen'.
+Bei den geometrischen Vorgaben kommen wir um eine beidseitige Bestückung nicht herum. Aber auf der zweiten Seite befinden sich nur die vier SS14 Dioden (D3-D6) des Brückengleichrichters und der große Thru-hole Kondensator C8. Diese Komponenten müssen dann handgelötet werden aber der Rest kann vorab im Reflow-Ofen (bei mir T-962) 'garen'.
 {{ :tech:gardenled_pcb.png?direct&400 |}}
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 {{ :tech:garden_led_real_pcb.png?direct&500 |PCB fron & back side}}
+Um die Platine elektrisch isoliert in das Gehäuse einzubauen, drucke ich aus flexiblem TPU ein zweiteiliges Cover. An beiden Enden über die Platine geschoben bleibt dann alles vor ungewollten Kurzschlüssen geschützt. Das STL File ist im Downloadbereich zu finden.
+{{ :tech:gardenled_case.png?direct&300 |Case}}
 ===== Firmware =====
-Den physikalischen Layer haben wir mit RS485 gewählt aber wir brauchen noch einen Data Link Layer der die Fehlerfreiheit der Übertragung erhöht, schließlich sollen die Spotlights nicht flackern nur weil auf dem Bus gerade eine unerlaubte Signalparty stattfindet. Im Netz fand ich eine schlanke Lösung, die auch eine Python Version für den PC beinhaltet. Sie heißt [[https://github.com/min-protocol/min|MIN (Microcontroller Interconnect Network )]]. Der Payload läßt sich frei definieren und der Inhalt ist über eine 32-bit CRC abgesichert.
+Den physikalischen Layer haben wir mit RS485 festgelegt aber wir brauchen noch einen Data Link Layer, der die Fehlerfreiheit der Übertragung erhöht, schließlich sollen die Spotlights nicht flackern nur weil auf dem Bus gerade eine unerwünschte Signalparty stattfindet. Im Netz fand ich eine schlanke Lösung, die auch eine Python Version für den PC beinhaltet. Sie heißt [[https://github.com/min-protocol/min|MIN (Microcontroller Interconnect Network )]]. Der Payload läßt sich frei definieren und der Inhalt ist über eine 32-bit CRC abgesichert.
 In meiner Implementierung besteht ein Frame aus 13 Bytes:
-  * drei Header Bytes (0xAA)
+  * 3x Header Bytes (0xAA)
-  * des ID Bytes (0..15)
+  * 1x ID Bytes (0..15)
-  * drei Bytes Payload
+  * 3x Bytes Payload
     * Function (0...255)
     * Value (0...255)
     * Delay (0...255)
-  * vier CRC Bytes (32-bit)
+  * 4x CRC Bytes (32-bit)
-  * ein EOF Byte (0x55)
+  * 1x EOF Byte (0x55)
-der je nach Funktion vom Spotlight beantwortet wird. Bei Broadcastbefehlen erfolgt keine Antwort der Gegenseite. Hier die kurze Befehlsübersicht:
+der je nach Funktion vom angesprochenen Spotlight beantwortet wird. Bei Broadcastbefehlen erfolgt keine Antwort von der Gegenseite. Hier die kurze Befehlsübersicht:
 <code>
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 In den Spotlights lassen sich auch individuelle Helligkeits- und Fadewerte abspeichern, die dann bei Broadcast Befehlen unterschiedliche Helligkeiten ermöglichen. Im Module ''min.c'' ist das Protokoll implementiert. Zusätzlich benötigen wir noch eine Software UART Emulation, da der ATTINY85 keine H/W Variante besitzt. Die Baudrate ist auf 9600 Baud festgelegt damit keiner ins Schwitzen kommt, die Framelänge liegt so bei ca. 14ms. Mit Hilfe der kostenlosen IDE MPLAB und der kostenfreien Variante des XC8 C-Compilers von MicroChip läßt sich die S/W kompilieren und auf den Chip bannen.
 ==== Programmierung ====
-In der Werkseinstellung des ATTINY85 ist das //debugWIRE// Interface ausgeschaltet und eine Programmierung nur über ISP möglich. Das bindet mehrere Pins des Prozessors und geht nicht on-board. Daher sollte man sich einen kleinen Programmieradapter (Sockel) für das Package SOIC8 (200mil) zulegen und die //Fuses// vor dem Bestücken damit programmieren. Danach läßt sich der Software auch über das 1-pin Interface //dWire// programmieren.
+In der Werkseinstellung des ATTINY85 ist das //debugWIRE// Interface ausgeschaltet und eine Programmierung nur über ISP möglich. Das bindet mehrere Pins des Prozessors und geht nicht on-board. Daher sollte man sich einen kleinen Programmieradapter (Sockel) für das Package SOIC8 (200mil) zulegen und die //Fuses// vor dem Bestücken damit programmieren. Danach läßt sich die Software auch über das 1-pin Interface //dWire// programmieren.
 {{ :tech:soic_adapter.png?direct&200 |SOIC8 Adapter}}
-Das Debug- und Programmingtool der ersten Wahl ist und bleibt //SNAP (PG164100)//. Alle diese Tools sind im Online Markt oder der Bucht einfach und für den DIY-Geldbeutel erschwinglich zu finden.
+Das Debug- und Programmingtool der ersten Wahl ist und bleibt der //SNAP (PG164100)//. Alle diese Tools sind im Online Markt oder der Bucht einfach und für den DIY-Geldbeutel erschwinglich zu finden.
 {{ :tech:pg164100.png?direct&300 | SNAP (PG164100) Programer}}
 ===== Integration =====
-Hat man die Spotlights wie oben beschrieben programmiert, können die LEDs schon über einen USB-RS485 Wandler mit dem PC angesprochen werden. Für das Protokoll steht auch eine Pythonvariante zur Verfügung.
+Hat man die Spotlights wie oben beschrieben programmiert, können die LEDs schon über einen USB-RS485 Wandler mit dem PC angesprochen werden. Für das MIN Protokoll steht auch eine Pythonvariante zur Verfügung.
-Mein Wunsch es aber die Spotlights in Home Assistant (HA) zu integrieren. Dazu brauchen wir ein Gateway dass die Spotlights als //Lights// in HA abbildet und zusätzlich einen UART Server damit wir auch beliebige Befehle an die LEDs senden können. Klingt kompliziert ist es aber mit ESPHome nicht.
+Mein Ziel ist es aber die Spotlights in Home Assistant (HA) zu integrieren. Dazu brauchen wir ein Gateway, das die Spotlights als //Lights// in HA abbildet und zusätzlich einen UART Server beinhaltet, damit wir auch beliebige Befehle an die LEDs senden können. Klingt kompliziert ist es aber mit ESPHome nicht.
-Für den UART server gibt es schon [[https://github.com/oxan/esphome-stream-server|hier]] eine schicke Lösung im Netz. Den Code müssen wir nur leicht anpassen, in dem wir vor und nach dem Senden die Richtung des RS485 Driver anpassen. Die Zeilen mit **###** wurden in die Senderoutine zusätzlich eingebaut. Der gesamte veränderte Code ist im Downloadbereich zu finden.
+Für den UART Server gibt es schon [[https://github.com/oxan/esphome-stream-server|hier]] eine schicke Lösung. Den Code müssen wir nur leicht anpassen, in dem wir vor und nach dem Senden die Richtung des RS485 Driver anpassen. Die Zeilen mit **###** wurden in die Senderoutine zusätzlich eingebaut. Der gesamte veränderte Code ist im Downloadbereich zu finden.
 <code C>
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 </code>
-Für die Einbindung der LEDs als Lights schreiben wir wieder ein //custom component//. Das folgende C-Program ''garden-leds.h'' stellt einen //Float Output// für Home Assistant zur Verfügung und beinhaltet eine sehr schlanke Codierung des MIN Protokolls.
+Für die Einbindung der LEDs als Lights schreiben wir wieder ein //custom component//. Das folgende C-Program ''garden-leds.h'' stellt einen //Float Output// für Home Assistant zur Verfügung und beinhaltet eine schlanke Codierung des MIN Protokolls.
-<file C garden-less.h>
+++++ garden-leds.h |
+<file C garden-leds.h>
 #include "esphome.h"
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 };
 </file>
+++++
 ----
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 Zu guter Letzt das Setup des //Light// und des //Servers//:
-<code>
+<code yaml>
 uart:
   id: uart_min
@@ Zeile 389: / Zeile 404: @@
     output: led_pwm
 </code>
+Gegebenenfalls müssen die Pins ''tx_pin, rx_pin'' für die serielle Schnittstelle und der Richtungspin ''DIR_PORT'' in ''garden-leds.h'' für die eigene Hardware angepasst werden.
 ==== Hardware Gateway ====
-An das ESP Modul der Wahl muss nun vor der Inbetriebnahme nur noch an ein RS485 Wandler angeschlossen werden. Das gibt es auch wieder fertig in der Bucht.
+Für die H/W brauchen wir neben dem ESP Modul der Wahl, einen AC/DC Step-Down Regler von ~12VAC auf +5VDC, level shifter  5V<->3V und ein RS485 Driver Modul. Das gibt es auch wieder fertig in der Bucht. Die Verdrahtung ist einfach, hier meine Version:
-Die Verdrahtung ist einfach.
+^ ESP8266 ^ RS485 Driver ^
+| GPIO1 | DI |
+| GPIO3 | RO |
+| GPIO13 | RE+DE |
+| +5V | VCC |
+| GND | GND |
+Das Ganze dann auf einer Lochrasterplatine aufgelötet und in einem wasserfesten Gehäuse verpackt sieht dann so aus:
+{{ :tech:gateway_hardware.png?direct&200 | Gateway hardware in waterproof housing}}
+==== Gesamtverdrahtung ====
+Zwischen den Spotlights und dem Gateway wird ein 4-adriges Kabel benötigt. Da ich Aussen in einem wasserdichten Rohr verlege, reicht mir eine PVC-Schlauchleitung H03VV-F4G0,75. Bei der Verdrahtung einfach die 12VAC und die beiden Signale A + B untereinander verbinden:
+^  Gateway  ^  Spot 1  ^  Spot 2  ^  ...  ^  Spot n  ^
+|  ~12V  |  ~12V  |  ~12V  |  ...  |  ~12V  |
+|  ~12V  |  ~12V  |  ~12V  |  ...  |  ~12V  |
+|  A  |  A  |  A  |  ...  |  A  |
+|  B  |  B  |  B  |  ...  |  B  |
+Je nach Anzahl der Spots brauchen wir noch einen leistungsfähigen Trafo für ~230V auf ~12V. Hier kann man z.B. einen gebrauchten Halogentrafo wiederverwenden. Die finden sich zuhauf in Gebrauchtwarenmärkten. Meinen 200W Trafo von ABB inkl. Sicherungen gab es dort für 8,-€.
+===== Inbetriebnahme =====
+Schliessen wir nun das fertig verdrahtete Konqlumerat an, steht uns das Licht mit DImmfunktion in Home Assistant zur Verfügung. Die Fadezeit kann auch dort festgelegt werden und steht standardmässig auf 1s. Durch den Stream-Server können wir aber auch mit z.B. einem PC auf die LEDs zugreifen. Dazu habe ich ein kleines Pythonprogramm geschrieben (Source Code im Downloadbereich).
+{{ :tech:gateway_python.png?direct&400 |}}
+Damit lassen sich alle Funktionen auf alle oder einzelne LEDs ausführen. Mit **CHK** wird nach angeschlossen LEDs gesucht und im unteren Bereich steht ein einfacher Skript Editor zur Verfügung der die Programmierung von Abläufen erlaubt, bei einer Stepzeit von 100ms also 10Hz. Ein Gimmick für Silvester oder andere Parties.
+===== Erfahrungen =====
+Im Moment gibt es nur einen Testaufbau mit zwei Spotlights der sehr gut funktioniert. Die vollständige Installation im Aussenbereich erfolgt erst 2023. Ich werde berichten...
 ===== Downloads =====
-  * {{:tech:led_rs485.pdf| Schaltplan (,pdf)}}
+  * {{:tech:led_rs485.pdf| Schaltplan (.pdf)}}
-  * {{:tech:led_rs485_bom.csv.zip| Bestückungsliste (BOM) als .csv}}
+  * {{:tech:led_rs485_bom.csv.zip| Bestückungsliste (BOM) (.csv)}}
   * {{:tech:led_rs485.brd.zip| PCB Eagle File (.brd)}}
+  * {{:tech:led_case.stl.zip | PCB case (.stl)}}
   * {{:tech:firmware.zip| Firmware for ATTINY85}}
   * {{:tech:stream_server.zip | Stream-Server files}}
+  * {{| LED Test Tool Wifi (.py)}}

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