Verbesserte WLAN-Konnektivität mit externen Antennen für WIFFI, WEATHERMAN und andere Module mit ESP8266

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1. Warum eine externe Antenne für’s WLAN?

In fast allen meinen Modulen wie WEATHERMAN, RAINYMAN, PULSECOUNTER, WIFFI3.0 , WIFFI-pump usw.  werkelt ein ESP8266 als Mikrocontroller. Dieser Chip wird bei den genannten Modulen als  WEMOS D1 mini eingesetzt, weil dieses Bauteil eine einfache Programmierung über USB ermöglicht. Die Verbindung zum häuslichen Netzwerk bzw. Router erfolgt ausschließlich über das WLAN.  Die Antenne dafür ist bereits im Modul als Leiterbahn-Antenne integriert. Das hat viele Vorteile, erfordert aber auch im ganzen Haus und evtl außerhalb eine gute WLAN-Konnektivität. Gerade in enger Bebauung ist das aber nicht so einfach zu realisieren, weil sich auf den wenigen WLAN-Sendekanälen viele Nachbarn ebenfalls „tummeln“. Das führt oft zu deutlicher Verringerung der Datenraten,  obwohl die Feldstärken (gekennzeichnet mit dem sog. RSSI-Wert) eigentlich ganz ordentlich sind.  

Die üblichen Lösungsansätze sind die Verwendung von WLAN-Repeatern. Diese sind sicher eine gute Lösung , aber verschärfen das Problem der vielen Sender auf dem schmalen Frequenzband noch weiter! Deshalb möchte ich hier andere Lösungsansätze kochrezeptartig vorstellen, die relativ kostengünstig eine gute Alternative zum Repeater sind. 

2. Einige Grundlagen.. 

Wichtig ist, daß man sich über die nicht ganz trivialen Ausbreitungsbedingungen der WLAN-Wellen  klar wird. Gefunkt wird auf 2400Mhz oder 2,4Ghz. Das ist das 24 fache der UKW-Frequenzen!! Die Folge ist, daß die „WLAN-Wellen sich fast schon wie Licht ausbreiten. Es entstehen Dämpfungen, Reflexionen und Interferenzen im ganzen Haus. Ergebnis ist ähnlich wie früher der TV-Empfang mit einer Zimmerantenne: an einer Stelle ist der Empfang super, an anderer Stelle 10cm daneben ist fast kein Empfang. So ist das mit den Funkwellen im Haus: Man muß fast immer probieren, um die optimale Position und Stellung der Antenne zu ermitteln. Die Verwendung von Richtantennen mit zig dB Gewinn ist im Haus kontraproduktiv!! In der Regel reicht ein einfaches Lambda-Viertel-Stäbchen als Antenne, aber dieses sollte möglichst weg vom Störnebel des Mikrocontrollers positioniert sein und dessen genaue Ausrichtung muß per try & error individuell optimiert werden.

Um diese mühsame Optimierung einfacher zu gestalten, habe ich in die Firmware fast aller meiner Module eine Messmöglichkeit eingebaut. Gemessen/angezeigt wird der RSSI-Wert und die Zeit für die Übertragung eines Zeichens zum Browser. Der RSSI-Wert wird in negativen dB angezeigt , weshab kleine Zahlenbeträge besser sind als große. In der Regel sollten die dB-Zahlenbeträge kleiner als 70 sein, um passablen Empfang zu haben. Allerdings ist das aber keine Gewähr für Empfang, denn wenn andere auf der gleichen Frequenz senden, dann kann manchmal gar nichts gehen. Der RSSI-Wert ist also „mit Vorsicht zu genießen“, zumal die Werte auch nicht kalibriert sind. 

Eine bessere Aussage liefert die Zeit für die Übertragung eines Zeichens zum Browser. Damit kann  die Qualität der gesamten Übertragungsstrecke viel besser bewertet und optimiert werden. Ich habe in meinen Modulen einen selbst festgelegten Maßstab verwendet:

  • gut ist eine Übertragungszeit von bis zu 0,2 msec/Zeichen 
  • o.k. ist eine Übertragungszeit bis 1,0 msec/Zeichen
  • nicht o.k. sind größere Zeiten.

3. Die einfachste und preiswerteste Verbesserung

Wie schon gesagt, arbeiten auf den wenigen Funkkanälen oft viele WLAN-Geräte. Deshalb sollte man sich über die Verwendung des Funkkanals schon einige Gedanken machen. Meist wählt der Router automatisch den Funkkanal aus. Das ist aber nicht immer die beste Lösung, denn der Router schaut sich die Bandelbegung an, die er  an seinem Standort „sieht“. Das kann aber Unterschiedlich zu der Situation sein, die seine WLAN-Klienten sehen. Beispielsweise sieht die WLAN-Kanalbelegung für den im  Garten angebrachten WEATHERMAN u.U. ganz anders aus , als beim Router im Haus.

Deshalb sollte man sich einen WLAN-Monitor auf dem Smartphone installieren. Entprechende Apps gibt’s in den Play-Stores zuhauf. Damit kann man dann viel zielgenauer am jeweiligen Ort die Bandbelegung ansehen und  im Router den optimalen Sendekanal festlegen.

4. Drahtstummel mit positiver Wirkung

Der WEMOS D1 mini hat auf dem ESP8266-Modul eine einfache kleine Leiterbahn-Antenne.Das ist die mäanderförmige Leiterbahn unten im folgenden Bild. Um einfach eine externe Drahtantenne anzuschließen, wird an das Ende der Antenne ein Drahtstück genau wie im Bild angelötet. Die Länge des Drahtstückes ist Lambda/2 also etwa 62 mm . Als Drahtstummel verwendet man am besten eine weiche Litze, weil sonst die Leiterbahn sich leicht ablösen kann. Wichtig ist beim Anlöten, daß kein versehentlicher Kontakt mit der naheliegenden LED hergestellt wird.

5. Ein „richtige“ externe Antenne

Dazu fertigt man sich aus einem mehr oder weniger langen Stück  50-Ohm-Koaxkabel eine selbstgemachte Antenne. Ich habe Koaxkabel RG-179 verwendet und ein Kabelstück entsprechend dem folgenden Bild konfektioniert und vorbereitet.

Der Anschluß an den WEMOS erfogt wie im folgenden Bild erläutert:

Zur Zugentlastung kann man das Kabel noch am Abschirmgehäuse festkleben und die Antenne mit einem Schrumpfschlauch kontaktmäßig schützen. Fertig sieht das  dann so aus:

6. Die Luxus-Lösung

Die beste aber auch teuerste Lösung ist die Verwendung des WEMOS D1 miniPro. Dieser Baustein hat eine Keramikantenne an Bord, aber auch einen sog. IPX-Anschluß für den alternativen Anschluß einer externen WLAN-Antenne.

Die eingebaute Keramikantenne ist nach meinen Erfahrungen schlechter, als die Leiterbahn-Antenne beim einfachen WEMOS D1 mini. Oftmals wird mit dem Modul auch ein das sog.Pigtail (Anschlußkabel) und eine Antenne mitgeliefert. Für den Anschluss darf man aber nicht vergessen, den Antennen-Umschalter auf die Verwendung der externen Antenne umzulöten.  Wie man das mit einem kleinen Drahtstückchen macht, sieht man im folgenden Bild:

7. Bewertung

Ich habe alle Lösungen an der gleichen Stelle mit dem gleichen Programm getestet. Die Unterschiede lassen sich nach der individuellen Optimierung jeder Lösung aufzeigen:

  • die Standard Leiterbahn-Antenne des WEMOS D1 min:  RSSI ca. -63dB
  • die einfache Lambda/2- Antennenverlängerung  : RSSI ca. -60dB
  •  die einfache externe Antenne aus Koaxkabel: RSSI ca. 56dB
  • die „Fertigantenne“ am WEMOS D1 miniPro  : RSSI ca. -56 dB

Die Messung der Übertragungszeit pro Zeichen habe ich (noch) nicht durchgeführt. Aber die RSSI-Ergebnisse zeigen bereits sehr deutlich, daß eine externe Antenne meist die bessere Lösung ist , als sein Haus mit stromfressenden Repeatern auszustatten.

Fähigkeiten

Gepostet am

5. Juli 2020

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