Mit zwei fertigen Modulen und ein paar Elektronikbauteilen kann ein 4 bis 20 mA Stromsignaleingang für das Hausautomationssystem HomeMatic realisiert werden. Viele in der Industrie eingesetzte Sensoren verwenden dieses Einheitssignal zur Übermittlung ihres Messwertes, sodass vielfältigste Sensoren (z.B. Bodenfeuchte, pH, Chlor, Füllstand, Druck) in die Hausautomatisierung integriert werden können.
Der Messwert wird als 4 bis 20 mA Einheitssignal vom Messwertumformer angeliefert. Das Stromsignal wird durch einen Widerstand (47 Ohm) in eine Spannung (0 bis 1.1V) umgewandelt. Diese wird vom Analog-Digital-Konverter des Arduinos in ein Zahlenwert (0 bis 1023) konvertiert. Nach Prüfung der Gültigkeit (z.B. Messbereichsgrenzen) wird der Analogwert auf einen Zahlenbereich von 0 bis 254 abgebildet. Alle Fehler werden auf den Zahlenwert 255 abgebildet. Dieser Zahlenwert wird dann binär über 8 Leitungen an das HomeMatic HM-MOD-EM-8Bit zur Übertragung an die CCU weitergegeben.
In der CCU werden durch ein Programm die auf Kanal 3 des HM-MOD-EM-8Bit angelieferten Zahlenwerte auf den physikalischen Messbereich (z.B. Füllstand in Metern) umgerechnet und in eine Systemvariable geschrieben.
- Arduino Nano V3
- HomeMatic 8-bit Sendemodul (HM-MOD-EM-8Bit)
- 24V-Netzteil, min. 200 mA
- Diode 1A (z.B. 1N4004)
- Elektrolytkondensator 100 µF / 35 V
- 3 Stk. Kondensatoren 100 nF
- Spannungsregler 7812
- 2 Stk. 2-polige Schraubklemmen
- Selbstrückstellende Sicherung 100 mA oder Feinsicherung 100 mA flink 5 x 20 mm mit Halter
- Widerstand 47 Ohm / 1W / 2%
- Widerstand 4,7 kOhm
- Zenerdiode 3,3 V / 1W
- Lochrasterplatine (o.ä.) oder Experimentier-Steckboard 640/200
Der Schaltplan ist in folgender Abbildung zu sehen:
Ein prototypischer Aufbau ist auf dem folgenden Bild zu sehen:
Die Programmierung des Arduino Nano erfolgt über Visual Studio Code mit der Erweiterung PlatformIO.
Die Quelldatei src/main.cpp ist entsprechend dem Anwendungsfall zu konfgurieren und das Projekt auf den Arduino Nano zu laden.
Am Anfang der Quelldatei befinden sich etliche Konfigurationsoptionen. Folgende Optionen müssen gegebenenfalls für die eigene Anwendung angepasst werden:
| Name | Einheit | Standardwert | Bedeutung |
|---|---|---|---|
| LOOP_CURRENT_MIN | mA | 2,0 (inkl. 12,5% Messbereichsunterschreitung) | Minimal zu messender Strom vom Sensor; Sendewert 0 |
| LOOP_CURRENT_MAX | mA | 22,0 (inkl. 12,5% Messbereichsüberschreitung) | Maximal zu messender Strom vom Sensor; Sendewert 254 |
| SEND_INTERVAL_MIN | s | 60 | Minimales Sendeintervall; Dies beschränkt den Duty Cycle, wenn sich der Messwert häufig ändert. |
| NUM_SAMPLES | - | 8 | Durch mehrere AD-Konvertierungen wird das Rauschen vermindert. |
Das Sendemodul muss wie folgt eingestellt werden:
Der Kanal 3 vom Sendemodul muss wie folgt eingestellt werden:
Falls der Arduino an den Eingängen INL1 bis INL8 angeschlossen worden ist, so sind alle Häkchen bei Dateneingang invertieren zu entfernen.
Falls für das Trigger-Signal der Pin DU30 vom Homematic-Modul verwendet wird, ist die Datenübertragungsbedingung auf Modus 2 zu setzen.
Folgende Systemvariable ist anzulegen. Der Name und der Wertebereich sind anzupassen:
In der CCU ist folgendes Programm für die Messwertauswertung zu erstellen:
Im Dann-Zweig ist ein Skript einzutragen. Mindestens folgende Optionen sind dem Anwendungsfall entsprechend anzupassen:
| Name | Bedeutung |
|---|---|
| SV_name | Name der Systemvariable (s.a. voriger Abschnitt) |
| M_rangeBegin | Messbereichsanfang der Sonde (Messwert bei einem Ausgangsstrom von 4 mA) |
| M_rangeEnd | Messbereichsende der Sonde (Messert bei einem Ausgangsstrom von 20 mA) |
Beispiel-Skript für eine Füllstandsmessung von 0 m bis 5 m:
! *** configuration ***
var SV_name = "Zisternenfüllstand"; ! system variable name
var SV_precision = 3; ! number of decimal digits for rounding
var M_rangeBegin = 0.0; ! measurment value at 4.0 mA
var M_rangeEnd = 5.0; ! measurement value at 20.0 mA
var M_error = -100.0; ! replacement value for invalid measurements
var I_rangeBegin = 4.0; ! [mA]
var I_rangeEnd = 20.0; ! [mA]
var I_min = 2.0; ! LOOP_CURRENT_MIN in main.cpp
var I_max = 22.0; ! LOOP_CURRENT_MAX in main.cpp
! *** do not change the following lines ***
var k = (M_rangeEnd - M_rangeBegin) / (I_rangeEnd - I_rangeBegin);
var M_max = ((I_max - I_rangeBegin) * k) + M_rangeBegin;
var M_min = ((I_min - I_rangeBegin) * k) + M_rangeBegin;
var sv = dom.GetObject(ID_SYSTEM_VARIABLES).Get(SV_name);
var src = dom.GetObject("$src$");
if (sv && src) {
var val = src.State();
if (val == 255) {
sv.State(M_error);
} else {
val = (((M_max - M_min) * val) / 254.0) + M_min;
sv.State(val.Round(SV_precision));
}
}
Eine ungültige Messung kann bei Bedarf auch anders behandelt werden. Anstatt sv.State(M_error); kann eine beliebige andere Aktion ausgeführt werden. Beispiele:
- Ungültige Messung ignorieren.
- Alarmvariable setzen.
Nach jeder Messung wird über die LED des Arduino Nano ein Status ausgegeben:
| Anzahl | Bedeutung |
|---|---|
| 1 | Das minimale Sendeintervall ist noch nicht erreicht. |
| 2 | Der ADC-Wert liegt innerhalb des Deltas und wird nicht gesendet. |
| 3 | Der Sendewert hat sich nicht geändert. |
| 4 | Ein neuer Messwert wurde gesendet. |
Debug-Meldungen werden über die serielle Schnittstelle bzw. dem USB-Port gesendet. In PlatformIO können über den Serial Monitor die Meldungen angezeigt werden.
Folgende Ideen für Erweiterungen und Anpassungen existieren bereits:
- Erhöhung des Shunt-Widerstandes von 47 Ohm auf 150 Ohm und Umstellung der ADC-Referenzspannung von 1,1 V auf 3,3 V. Dies verringert das Rauschen des Messwertes. Allerdings sollte vorab geprüft werden, ob der eingesetzte Sensor mit der verringerten Restspannung (ca. 20V) noch sicher betrieben werden kann.
Fragen zum Projekt können im HomeMatic-Forum gestellt werden.
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