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Vorgeschichte:
Auf dieser Webseite sind verschiedene Bauanleitungen mit Verwendung der äußerst vielseitigen und preiswerten Arduino-Module im Zusammenspiel mit der Homematic vorgestellt. Zur einfachen Anwendung auch für den weniger versierten Elektroniker ist ein sehr praktisches Anschlußboard IO-Shield20 entstanden. In Verbindung mit der kostenlosen Homeduino Software lassen sich damit eine Vielzahl von Sensoren über einfache Schraubklemmen anschließen und die Sensorsignale über LAN oder WLAN an die Homematic übertragen. . Mehr dazu hier:
https://www.stall.biz/?project=vielseitiges-io-shield-board-2-0-fur-fast-alle-arduinos
https://www.stall.biz/project/homeduino-3-0-das-ultimative-io-modul-fuer-die-hausautomation
Der Vorteil bei Verwendung des IO-Shield-Plus als Homeduino-Sensormodul ist, daß auf der Homematic keinerlei komplizierte Skripte o.ä. installiert werden müssen. Lediglich ist für jede Meßgröße eine entsprechende Systemvariable in der CCU festzulegen. Die Aktualisierung mit den Meßwerten aus dem Homeduino erfolgt automatisch, aber nur wenn sich der Meßwert ändert. Damit entsteht ein sehr geringer Traffic im Netz, was insbesondere bei vielen Homeduinos von Vorteil ist.
Warum ein weiteres IO-Shield ?
Das hier vorgestellte IO-Shield-Plus ist nicht ein Ersatz für das bisherige IO-Shield20, sondern eine wichtige Ergänzung. Dabei spielt eine wesentliche Rolle, daß für die Verwendung von weiteren Shields beispielsweise zur LCD-Anzeige und zur Bereitstellung des WLAN oft recht viele Pins des Standard-Arduino-Pinouts für den Betrieb des Shields belegt werden. Für die eigentliche Automatisierungsaufgabe bleiben dann oft nur wenige Funktionspins übrig. Aber gerade beim MEGA2560 sind ja noch viele IO´s auf dem hinteren Teil der Platine verfügbar, die mit diesem Erweiterungsshield an Schraubklemmen verfügbar gemacht werden können. Vorne lassen sich dann Shields beispielsweise für ein alphanumerisches Display oder ein Touch-Display aufstecken. Weiter unten sind Beispiele für typische Konfigurationen.
Eigenschaften des IO-Shield-Plus
Das IO-Shield-Plus wird mit Stiftleisen auf die hinteren Pins des MEGA2560 aufgesteckt. Mittels Schraubklemmen lassen sich verschiedene Sensoren anschließen. Für die WLAN-Module sind Steckplätze vorhanden. Man kann dort das sehr leistungsfähige Wifi-Modul CC3000 von Texas Instruments und das besonders preisgünstige Modul ESP8266-01 einstecken. Das folgende Bild zeigt das IO-Shield-Plus von der Bestückungsseite:
Alle Inputs sind mit 470Ohm-Widerständen gegen Kurzschluß geschützt. Ein 3,3V-Spannungsregler versorgt aktuell das Wifi-Modul, kann aber auch zur Versorgung von anderen 3.3V-Verbrauchern verwendet werden. Für den Anschluß der potentialfreien S0-Schnittstellen sind 4 Optokoppler ebenfalls auf der Platine. Mit Jumpern kann für jeden Port ein 10kOhm-Pullup-Widerstand zugeschaltet werden (im Schemabild unten als schwarzer Juzmper gekennzeichnet). Ein 470Ohm Reihen-Widerstand ist als Schutzwiderstand in jeder Portzuleitung vorhanden, der aber per Jumper überbrückt werdeb kann (im Schemabild unten als grüner Juzmper gekennzeichnet). Bei Verwendung des Ports als Ausgang kann dieser Widerstand auch als Vorwiderstand für eine LED o.ä.verwendet werden.
Hier die Eigenschaften des IO-Shield-Plus im Detail:
- insgesamt 24 digital und analog nutzbare Funktionsports werden insgesamt nach außen auf Schraubklemmen geführt . Diese Inputs sind individuell aufgeteilt nutzbar als…
- 24 digitale Inputs
- 4 Impulseingänge direkt oder über Optokoppler (S0-Schnittstellen) ,
(in Verbindung mit dem CC3000 sind nur 3 Impulseingänge verfügbar) - 8 analoge Inputs mit Eingangsspannung alle von 0 bis 5V oder 0 bis 1V (wenn Uref umgeschaltet wird )
- 8 NTC-Temperatursensoren 10kOhm mit über Jumper zuschaltbarem 10kOhm-Widerstand
- 24 1Wire-Temperatursensoren DS18B20
- 24 DHT-22 digitale Temperatursensoren
- 24 Ultraschallsensoren
Da IO-Shield-Plus hat eine Größe von 100mm x 65mm und kann mit den Stiften auf der Unterseite direkt auf die entsprechenden Buchsenleisen des MEGA2560 aufgesteckt werden. Dabei läßt sich das Shield alleine betreiben aber auch in Kombination mit dem universellen IO-Shield20:
Anwendungsmöglichkeiten
Natürlich läßt sich das Shield ganz normal in einem StandAlone-Arduino betreiben, um etwas zu steuern und zu regeln. Aber bei der Auslegung des IO–Shield-Plus wurde besonderer Wert auf eine einfache Anbindung über WLAN an die CCU der Homematic gelegt. Deswegen sind Stecksockel für geeignete Wifi-Module auf dem Board, so daß sehr einfach eine WLAN-Funktionalität erreicht werden kann. Damit bleibt der „normale“ Steckplatz für andere Shields frei und somit eröffnen sich flexible Kombinationsmöglichkeiten mit vielen Standard-Shields. Die folgenden Bilder sollen dazu einen Eindruck verschaffen:
Installation des WLAN-Moduls CC3000
Als Wifi-Module können der CC3000 von Texas Instruments verwendet werden, aber auch der sehr preisgünstige Chip ESP8266-01 eines chinesischen Herstellers. Die Steuerung des CC3000 erfolgt über die sog. SPI-Schnittstelle, welche auf dem MEGA2560 mit den Datenpins D50 bis D53 verfügbar ist. Zusätzlich werden noch die Pins D46 und D18 verwendet. Dabei ist zu beachten, daß der D18 im IO-Angebot des IO-Shields-Plus nicht mehr für eine Zählerfunktion o.ä. verwendet werden kann.
Das CC3000-Modul ist als sog. Breakout in einschlägigen meist chinesischen Internet-Shops bereits für etwa 20€ verfügbar. Suchbegriff z.B. bei Aliexpress oder ebay „cc3000 breakout“.
Das Breakout-Modul ist nahezu fertig; es muß lediglich die mitgelieferte Stiftleiste eingelötet werden. Dabei hat man die Wahl, die Stiftleisten auf der Rückseite oder der Bestückungsseite einzulöten. Dementsprechend zeigt das Modul später im eingesteckten Zustand auf dem Board nach hinten oder nach vorn. Ich habe die Stifte auf der Rückseite eingelötet:
Zusammenbau des IO-Shield-Plus
Das IO-Shield-Plus ist in meinem Shop als Bausatz erhältlich. https://www.stall.biz/produkt/io-shield-plus-neue-version Das Board ist bereits mit allen Widerständen, Kondensatoren usw. bestückt. Lediglich einige Steckleisten müssen zugeschnitten und verlötet werden. Dies ist auch für den weniger versierten Elektroniker gut machbar. Das folgende Bild zeigt den Lieferumfang:
Zur Hilfestellung beim Zusammenbau gibt´s hier auch eine Bauanleitung.
Anschlussschema
Der Anschluss der Sensoren und Module erfolgt im wesentlichen mit den vielen verfügbaren Schraubklemmen. Für alle Ports sind noch per (schwarzem) Jumper zuschaltbare 10kOhm-Pullups vorhanden, was beispielsweise für die einfache Applikation von 10kOhm-NTC-Thermosensoren hilfreich ist. Auch typische Sensoren mit Pullup-Bedarf wie der digitale Temperatursensor DS18B20 kann so ohne Zusatzbauelemente an den entsprechenden Ports betrieben werden.
Jeder Port ist mit einem seriellen Widerstand von 470 Ohm gegen Kurzschluss geschützt. Dieser Widerstand kann aber mit einem Jumper (grüner Jumper) überbrückt werden. Man kann diesen Schutzwiderstand bei Bedarf auch als Vorwiderstand für eine LED o.ä. verwenden.
Für Anschluß von verbreiteten Modulen mit I2C-Bus ist auch ein Lötanschluß verfügbar. Der auf dem Board integrierte 3,3V-Spannungsregler ist auch für weitere externe 3,3V-Module verwendbar, wenn zur drahtlosen Kommunikation der ESP8266 nicht verwendet wird.
Die Wlan-Module haben beide einen Steckanschluss und müssen seitenrichtig einfach nur eingesteckt werden.
Der Rest wird mit der Homeduino-Software eingestellt und konfiguriert. Die aktuelle Version der Software ist hier: https://www.stall.biz/project/homeduino-3-0-das-ultimative-io-modul-fuer-die-hausautomation
Viel Spaß und Erflog mit dem Teilchen :))
Wo bekommt man das IO-Shield-Plus?
Wer das IO-Shield-Plus nachbauen möchte, kann über meinen Webshop einen Bausatz mit allen Teilen außer dem Wifi-Modul beziehen.
https://www.stall.biz/produkt/io-shield-plus-neue-version
Haftungs- und Sicherheitshinweise
Beim Nachbau müssen natürlich alle wichtigen einschlägigen Sicherheitsvorschriften für den Umgang mit gefährlichen Spannungen eingehalten werden. Fundierte theoretische und praktische Fachkenntnisse der Elektrotechnik und für den Umgang mit gefährlichen Spannungen sind unverzichtbar!!
Durch eine unsachgemäße Installation gefährden Sie ihr Leben und das Leben ihrer Mitmenschen! Darüberhinaus riskieren Sie erhebliche Sachschäden , welche durch Brand etc. hervorgerufen werden können ! Für alle Personen- und Sachschäden durch falsche Installation etc. ist nicht der Hersteller sondern nur der Betreiber verantwortlich.
Ich verweise hier unbedingt auf die „Sicherheitshinweise und Haftungsausschluss„-Seite dieses Blogs.
