Selbstbau CUL

Selbstbau CUL
Selbstbau CUL auf Breadboard
Allgemein
Protokoll	diverse
Typ	Transceiver
Kategorie	CUL
Technische Details
Kommunikation	Funk 433MHz oder 868MHz
Kanäle	N/A
Betriebsspannung	5V
Leistungsaufnahme
Versorgung	USB
Abmessungen
Sonstiges
Modulname	CUL
Hersteller	du selbst

Ein CUL ist ein Transceiver zum Empfangen und Senden von Funknachrichten. Er besteht im Wesentlichen aus einem Atmel ATmega Mikrocontroller und einem CC1101 Funkmodul sowie einer USB-Schnittstelle zur Verbindung mit dem Host Computer auf dem z. B. FHEM läuft. Als Firmware wird die quelloffene culfw verwendet.

Mittlerweile sind diese Baugruppen einfach und kostengünstig einzeln beschaffbar. Daher ist es relativ einfach möglich eine in der Funktionalität zum CUL vergleichbare Hardware selbst zu bauen.

Mit dem Maple existiert inzwischen eine Weiterentwicklung, die einen wesentlich größeren Funktionsumfang aufweist. Details sind auf der Seite Maple-SignalDuino zu finden.

Verwendete Hardware

Die Arduinos sind weit verbreitete Boards mit dem ATmega328p. Für den Selbstbau CUL ist insbesondere der Arduino nano gut geeignet. Er ist relativ klein, hat eine USB-Schnittstelle und kann eine 3,3V Spannungsversorgung für den CC1101 zur Verfügung stellen.

Module mit dem CC1101 Funkchip gibt es in unterschiedlichen Ausführungen. Wichtig ist die Unterscheidung nach der verwendeten Funkfrequenz, für den Einsatz in Europa sind das 433MHz und 868MHz. Zwar kann der Chip grundsätzlich auf beide Frequenzen eingestellt werden - für eine optimale Sende- und Empfangsleistung muss aber der Antennenkreis auf die verwendete Frequenz abgestimmt werden. Damit ist nicht nur die Antenne selbst gemeint, auch die Hardware auf dem Modul ist unterschiedlich.

Zwar kann die culfw temporär auf eine andere Frequenz umschalten, aber das führt oft nur zu unbefriedigenden Ergebnissen. Es sollte daher das Modul verwendet werden, das zu dem Funkprotokoll passt, welches hauptsächlich zum Einsatz kommen soll.

Die unterschiedlichen Ausführungen des Funkmoduls

Die Module gibt es von unterschiedlichen Herstellern die auch unterschiedliche Anschlüsse verwenden. Daher muss die genaue Anschlussbelegung ermittelt werden und kann nicht einfach blind aus einem Beispiel übernommen werden.

Einige Hersteller bestücken die Module statt mit dem CC1101 mit dem CC110L, einer Low-Cost-Version des CC1101 mit eingeschränktem Funktionsumfang. Es ist nicht garantiert, dass alle Funktionen der culfw auch mit dem CC110L fehlerfrei arbeiten.

Die Module für die unterschiedlichen Frequenzbereiche werden von den Anbietern leider nicht immer genau spezifiziert. Man kann die Auslegung eines Moduls anhand der Bestückung des Antennenfrontends im Vergleich zur Referenzschaltung von TI selber prüfen.

Ausgehend vom CC1101-Chip her fängt die 868MHz Schaltung mit zwei Induktivitäten Richtung Antenne an. Optisch also zwei gleiche Bauteile. Die 433 MHz Schaltung hat zwei unterschiedliche Bauteile, eine Induktivität und einen Kondensator. Die 868 MHz Version hat dagegen zwei Induktivitäten in Reihe und dazwischen einen Kondensator auf Masse. Die 433 MHz Version hat zuerst einen Kondensator und dann eine Induktivität in Reihe sowie dazwischen noch mal einen Kondensator auf Masse.

Kondensatoren sind bräunlich, Induktivitäten weiß bzw. grün.

Auf diesem Bild sieht man 433MHz Module im Vergleich zur Referenzschaltung:

Dieses Bild zeigt dagegen ein echtes 868MHz Modul:

In diesem Forenbeitrag ist der Schaltplan mit Pinbelegung zum Anschließen des CC1101 mit 868MHz verlinkt.

Bezugsquellen

Die original Arduinos sind relativ teuer. Es gibt aber billige Kopien, entweder bei den bekannten Auktionshäusern und Handelsplattformen oder direkt in China.

Eine mögliche Vorgehensweise, mehrere FTDI mit gleicher ID eventuell doch benutzen zu können, ist in diesem Forenbeitrag beschrieben.

Dort ist ein nano für unter 5€ beschaffbar. Es sollte aber darauf geachtet werden, dass als USB-Seriell-Wandler auf dem nano ein FTDI FT232RL Chip oder ein anderer Chip mit eindeutiger ID verwendet wird. Nur dann sind mehrere CULs gleichzeitig ohne Probleme in FHEM nutzbar.

Auch die CC1101 Module werden dort in unterschiedlichen Ausführungen angeboten. Die 433MHz Versionen sind i.A. leichter erhältlich als die 868MHz Versionen. Wenn keine guten Lötkenntnisse vorhanden sind, sollte darauf geachtet werden, ein Modul mit als Stiftleiste im 2,54mm Raster herausgeführten Anschlüssen zu verwenden.

Schaltplan

Schaltplan des Selbstbau CUL (geänderte Version mit Pegelanpassung)

Das Funkmodul ist hier nur über seine acht Anschlüsse dargestellt. Hilfreich ist der Anschluss einer LED mit passendem Vorwiderstand. Diese hilft bei der Inbetriebnahme und als grobe Funktionskontrolle.

Achtung! Der CC1101 darf nur mit maximal 3.6V betrieben werden. Eine passende Versorgungsspannung stellt der Arduino nano bereit. Aber auch die Signalleitungen sind laut Datenblatt nicht 5V tolerant. Diese haben beim nano aber 5V Pegel. In der Praxis funktionieren die Module bisher trotzdem. Langzeiterfahrungen gibt es aber nicht und es ist nicht ausgeschlossen, dass die Module dadurch beschädigt werden.

Wer sicher gehen will, verwendet in den Signalleitungen Pegelanpassungen 5V -> 3,3V. Das ist mit fertigen Bausteinen (Levelshifter) möglich oder im einfachsten Fall mit Widerständen als Spannungsteiler. Zu der Dimensionierung der Spannungsteiler siehe auch diesen Hinweis im Forum: für eine bessere Signalübertragung wurde 470 Ohm/1000 Ohm genommen, statt 4.7k/10k Variante in einer früheren Darstellung.

Um Empfangsproblemen vorzubeugen, sollte ein Pullup-Widerstand (R2, 10k) am CSN Pin des Moduls verwendet werden.

Aufbau

Beispielhafter Aufbau auf einer Lochrasterplatine für ein Modul mit 10-poligem Anschluss.

Am einfachsten ist der Aufbau auf einem Steckbrett (Breadboard). Damit lässt es sich schnell in Betrieb nehmen und mögliche Fehler können einfach korrigiert werden. Für einen permanenten Aufbau kann z. B. eine Lochraster oder Streifenrasterplatine verwendet werden.

Wer nicht löten will kann auch ein Breakoutboard mit Schraubklemmen für den Arduino nano verwenden, z. B. ein Angebot bei eBay.

Im diesem Beitrag im Forum findet sich eine Fritzing-Datei, wenn man eine Leiterplatte damit erstellen will.

Ebenso gibt es in diesem Forenbeitrag Schaltpläne, wenn eine WLAN-Anbindung (mit einem ESP01 mit ESP-Link-Firmware) erfolgen soll. Hierbei wurde allerdings kein CUL, sondern ein SIGNALduino erstellt - die Schaltpläne sind aber identisch, nur die Firmware unterscheidet sich.

Software

Es gibt mittlerweile mehrere alternative Versionen der culfw. Diese implementieren zusätzliche, noch experimentelle Features, sind dafür aber möglicherweise instabiler als die offizielle culfw. Siehe dazu auch

• erweiterte Intertechno und Tempsensoren Unterstützung und
• Bessere Unterstützung von Homematic

Um die culfw zu kompilieren, müssen ein AVR C-Cross-Compiler sowie dazugehörige Tools installiert sein. Bei einem Debian-basierten Linux geht das mit

sudo apt-get install make gcc-avr avrdude avr-libc

Anschließend die neueste Version der culfw als ZIP-Datei herunterladen und auspacken.

Dann in das Verzeichnis culfw/Devices/nanoCUL wechseln. In dieser Auslieferung sind alle von der culfw unterstützten Protokolle mit Ausnahme vom Wireless M-Bus aktiviert. Bei Bedarf können einzelne Protokolle durch Änderungen der entsprechenden defines in der Datei board.h aus- oder eingeschaltet werden.

Wenn ein 868MHz Modul verbaut ist, sollte in der Datei board.h die Zeile

#define HAS_CC1100_433

auskommentiert werden.

Wird ein Arduino mit einer Taktfrequenz von nur 8MHz, wie ein Pro Mini 3,3V, verwendet, so muss die Zeile

#define HAS_16MHZ_CLOCK

in der Datei board.h auskommentiert werden.

Mittels

make

wird dann die Übersetzung gestartet, die ohne Fehler durchlaufen sollte. Dabei wird die Datei nanoCUL.hex erzeugt.

Diese muss dann anschließend noch auf den Arduino geflasht werden.

Wenn der Arduino das einzige per USB angeschlossene Gerät mit serieller Schnittstelle ist, geht das ohne weitere Änderungen mit

make program

Hinweis: Wenn der Arduino bereits in FHEM konfiguriert ist, muss vor einem Flashen erst FHEM beendet werden, damit die Schnittstelle freigegeben wird. Andernfalls wird avrdude einen Fehler melden.

Inbetriebnahme

Nach dem Flashen sollte die LED einmal pro Sekunde blinken. Blinkt sie schneller oder langsamer, ist die Frequenz des Controllers nicht richtig eingestellt. Ursache können z.B. falsche Fuses sein, so dass der Controller den internen RC-Oszillator statt des externen 16MHz Quarz nutzt. Die culfw ist für eine Verarbeitungsgeschwindigkeit von 8MHz ausgelegt, daher wird beim nanoCUL die externe Frequenz von 16MHz direkt beim Start heruntergeteilt.

Bevor der Selbstbau CUL mit FHEM verwendet wird, kann man noch eine Funktionskontrolle mit Hilfe eines Terminalprogramms wie screen, picocom, cutecom oder minicom vornehmen. Dabei müssen die Kommunikationsparameter 38400/8N1 sein.

Kommandos an die culfw müssen jeweils mit einem Zeilenumbruch bestätigt werden damit sie verarbeitet werden.

Nach der Eingabe von V und Bestätigung mit Return sollte die Versionsinformation ausgegeben werden. Nach ? werden die unterstützen Protokolle ausgegeben, siehe die Dokumentation der culfw für Details.

Um zu prüfen, ob der Empfang prinzipiell funktioniert, kann das Kommando X08 verwendet werden. Wird auf der eingestellten Frequenz irgendwas empfangen, erfolgt eine Ausgabe.

Hinweise zum Betrieb mit FHEM

Der Selbstbau CUL wird fast genauso wie ein "richtiger" CUL verwendet, die entsprechende Dokumentation gilt also auch hier. Der einzige Unterschied ist der Bootloader. Der bereits bei fabrikneuen Arduinos vorhandene Bootloader ist nicht kompatibel zu dem Bootloader der culfw. Daher funktioniert das Kommando B zum rebooten des Selbstbau CULs nicht. Der Selbstbau CUL gerät dann in eine Endlosschleife, die sich nur durch aus- und einstecken beenden lässt. Das Problem tritt aber im normalen Betrieb nicht auf.

USB-Geräte werden bei jedem Systemneustart neu enumeriert. Daher kann es vorkommen, dass ein Gerät, das mal unter /dev/ttyUSB0 erreichbar war, nach dem Neustart unter /dev/ttyUSB1 ist. Das führt natürlich zu Problemen, wenn FHEM das Gerät unter /dev/ttyUSB0 erwartet. Um dieses Problem auszuschließen, empfiehlt es sich, den CUL unter seiner eindeutigen ID anzusprechen. Die entsprechende Gerätedatei findet sich unter /dev/serial/by-id.

Ein Beispiel für eine Definition in FHEM könnte so aussehen:

define nanoCUL CUL /dev/serial/by-id/usb-FTDI_FT232R_USB_UART_A903N5T5-if00-port0@38400 1234

Wichtig ist es, die Übertragungsrate von 38400 bit/s anzugeben.

Bekannte Probleme

Viele der Arduino nano haben eine sehr grell leuchtende blaue Stromversorgungs-LED. Diese lässt sich nicht per Software ausschalten. Sollte sie stören, kann entweder die Lötverbindung zur LED durchtrennt oder die LED z.B. mit einem schwarzen Lackstift übermalt werden.

Bei den nachgebauten nanos gibt es wohl viele mit einem Fehler in der Schaltung (unverbundener Testpin des FT232RL). Das kann dazu führen, dass er nicht richtig am USB Anschluss funktioniert.

Da der Arduino so langsam an seine Grenzen (Geschwindigkeit, Flash und SRAM) kommt, gibt es mittlerweile eine Portierung auf eine leistungsfähigere Hardware.

Als Hardware wird der STM32F103CBT6 Maple Mini verwendet:

• 128 Kbytes Flash
• 20 Kbytes SRAM
• 2 SPI

Der Maple kann optional mit einem LAN Modul (USR-ES1 W5500) erweitert oder aber per serieller Schnittstelle mit einem ESP verbunden und ins WLAN integriert werden. Details dazu auf der Seite Maple-SignalDuino.

Weblinks

• Blog [1]
• Forumsthread zu diesem Thema
• Detaillierte Anleitung für Aufbau auf einer Lochstreifenplatine [2]
• Weitere Konfigurationsoptionen auf der Seite über CUL