Wenn im Homematic-Funknetz die Datenverbindung gestört ist…
Jeder Homematiker kennt die leidige Servicemeldung „Gerätekommunikation gestört“. Dieser Artikel soll Hilfestellung geben, um dieses Problem deutlich zu reduzieren oder ganz zu beseitigen. Dazu muß man sich aber mit der Technik einer funkbasierten Kommunikation etwas genauer auseinandersetzen.
Die Homematic als Smarthome-System ist sehr gut mit den verschiedensten Funksensoren und Aktoren bestückt. Im Gegensatz zu „wired“-Modulen kommunizieren die Funkmodule bei einer Funkfrequenz von etwa 868,3Mhz mit der Zentrale. Die Funkzentrale ist dabei entweder eine originale CCUx oder eine kompatible Alternative wie RaspberryMatic, piVCCU, debmatic usw.. Die kompatiblen Alternativen verwenden alle ein sog. Funkmodul, das entweder über USB oder direkt an die GPIOs des meits verwendeten Raspberrys angeschlossen wird.
Allen Funk-Lösungen gemeinsam ist, daß die gesamte Kommunikation über nur die eine Antenne der CCU oder des Funkmoduls erfolgt!
Dabei ist es umso erstaunlicher, daß gerade diesem so wichtigen Nadelöhr so wenig Aufmerksamkeit gegeben wird. Denn wie ist es sonst zu verstehen, daß gerade diese Antenne einfach nur als ein Stückchen Draht (in Lamda-Viertel-Länge) ausgeführt ist, das mehr oder weniger sinnvoll einfach im Gehäuse eingeklemmt ist. Bei den kompakten Sensor- und Aktormodulen ist es noch schlimmer; da ist dieser Antennendraht irgendwie in das meist sehr kleine Gehäuse „reingequetscht“. Klar, wenn die Entfernung zwischen CCU und Sensor nur wenige Meter beträgt, dann ist das ziemlich egal, aber wenn Haus oder Wohnung größer sind, Betondecken und Wände haben, dann macht sich das Defizit mit dieser Antenne deutlich bemerkbar! Kommunikationsprobleme oder sogar Nichterreichbarkeit sind dann oft die Folge.
Die Lösung ist für einige User schnell klar: Repeater und ähnliche Module müssen her, um die ganze Wohnung funkmäßig abzudecken. Abgesehen von den Kosten wird das System damit komplizierter und manchmal auch störanfälliger. Dabei ist in den meisten Fällen die Lösung mit einer verbesserten Antenne nur bei der Funkzentrale (CCU) schon völlig ausreichend. Ich verkaufe schon seit vielen Jahren solche externen Antennen und kann dies aufgrund des positiven Feedbacks vieler Kunden aus Erfahrung bestätigen. Ein unzuverlässiges, instabiles HM-Funksystem wird mit der richtigen Antenne deutlich stabiler gemacht! Nahezu jede externe Antenne für die HM-CCU bringt schon Vorteile gegenüber dem original eingebauten Drahtstummel, aber wenn man die richtige Antenne verwendet, dann schöpft man diese Potential optimal aus.
Zu diesem Thema habe ich bereits einige Artikel im Homematic-Forum und hier auf meiner Webseite veröffentlicht. Dabei wird gezeigt, daß mit einer externen Antenne die Stabilität des heimischen Funknetzes deutlich verbessert werden kann. Hier für den Interessierten noch weitere Informationen dazu:
Externe Antenne für Raspberrymatic
Externe Stabantenne für CCU und andere HM-Komponenten
Externe Flachantenne
Groundplane-Antenne für Homematic
2 Antennen gleichzeitig an der CCU
DualBeam für besonders schwierige Funkbedingungen
Homematic Usertreffen 2018: Was man über Antennen für die drahtlose Hausautomation wissen sollte
Was ist die „optimale“ Antenne?
Die Leute, welche sich professionell mit Funk beschäftigen, machen das meist, um eine möglichst große Entfernung per Funk sicher zu überbrücken. Dafür sind ganz bestimmte Antennentypen entwickelt worden, welche die Funkleistung möglichst in Richtung Horizont konzentrieren. Solche Antennen weisen einen sog. Antennengewinn aus, der aus dieser Richtwirkung zum Horizont resultiert. Je mehr Gewinn, umso besser für die Funkstabilität ist die Devise bei dieser Art der Kommunikation! Doch gilt dieser Satz auch für die Nahfeldkommunikation im Haus ??
Die Älteren kennen das noch, wenn man früher einen portablen Fernseher im Haus installieren wollte. Dann ist man mit der Zimmerantenne auf „Jagd gegangen“, um den optimalen Platz und richtige Ausrichtung der Zimmerantenne zu finden. Oft waren schon 10cm ganz entscheidend für den Empfang eines vernünftigen TV-Bildes. Manchmal hatte auch die Bewegung der Menschen im Raum einen Einfluß auf das Bild.
… und genauso ist es mit den Funkmodulen im Smarthome!!
Im Haus breiten sich die Funkwellen mehr oder weniger chaotisch aus, weil Wände, Betondecken, Alu-Dampfsperren etc. die Funkwellen reflektieren, dämpfen oder die Polarisationsrichtung verändern. Daduch sind an einigen Stellen gute Funkbedingungen, an anderen Stellen manchmal sogar gar kein Empfang. Daraus ergeben sich für eine Hausautomations-Antenne folgende Anforderungen:
– Antenne möglichst mit Rundstrahlcharakristik (auch nach oben und unten!),
– professionelle 868Mhz-Aussenantennen mit Richtwirkung (Antennengewinn) sind für’s Smarthome weniger geeignet.
– mehrere Antennen möglichst räumlich versetzt positionieren, um Interferenzen zu reduzieren und verschiedene Polarisationsrichtungen zu erzeugen.
DualBeam 2 …die perfekte Antenne für alle Homematic-CCUs
Es gibt bereits eine DualBeam-Antenne, die seit vielen Jahren in meinem Webhop als Bausatz erhältlich ist. Dieses Modul erfordert aber einiges Bastlergeschick beim Aufbau, weshalb ich nach einfacheren Lösungen gesucht habe. Die neue Antenne DualBeam2 kann auch von weniger löterfahrenen Usern zusammengebaut werden.
Die Funktion der DualBeam2 soll an nachfolgendem Schemabild erläutert werden. Als Antenne fungieren zwei Lamda-Viertel-Stabantennen, deren Strahlungsrichtung mit einem fussseitigen Gelenk verändert werden kann. Diese Stabantennen haben eine Fußpunkt-Impedanz von 50Ohm. Die Homemtic-Funkmodule haben ebenfalls eine Ausgangsimpedanz von 50Ohm. Eine einzelne Stabantenne kann deshalb direkt oder über ein 50Ohm Koaxkabel an das Funkmodul angeschlossen werden.
Um aber zwei dieser Stabantennen anzuschließen, braucht man einen sog. Impedanzwandler. Das sind normalerweise entweder Ringkerne mit Wicklungen oder eine sog. Lamda-Viertel-Leitung aus Koaxkabel mit einem bestimmten Wellenwiderstand. Bei der hier verwendeten Frequenz von 868Mhz kann man aber auch schon sog. Microstrip-Leitungen verwenden. Dadurch ist die Herstellung des Impedanzwandlers als doppelseitige Platine sehr einfach. Das folgende Schemabild verdeutlicht die Funktion:
Um die beiden Stabantennen mit jeweils 50Ohm parallel an das Funkmodul zu schalten, muß jede Antenne auf 100Ohm transformiert werden. Das geschieht mit den hier verwendeten speziell ausgelegten Streifenleitungen. Beide Leitungswege sind parallelgeschaltet und ergeben so die gewünschte Ausgangsimpedanz von 50Ohm zum angepassten Anschluß an die Funkmodule.
DualBeam2 optimiert für den Homematic-Funk
Die fertige DualBeam2-Antenne ist auf folgendem Bild gezeigt. In dem Gehäuse ist der Antennentransformator untergebracht, so daß an den zwei RP-SMA-Antennenbuchsen an der Seite die verwendeten Stabantennen recht stabil angeschraubt werden können. Die Antennen können so auch individuell ausgerichtet werden.
Die DualBeam2-Antenne wurde mit spezieller Messtechnik für die Belange im Smarthome optimiert .
Dabei ist es wichtig, das sog. Stehwellenverhältnis (VSWR) möglichst auf den Wert von 1 zu bekommen, weil dann die Antenne optimale Sende- und Empfangseigenschaften hat. Mit der angeschlossenen 3m-Anschlussleitung ergibt sich ein Stehwellenverhältnis bei nahezu 1 , was die sehr gute Anpassung dokumentiert.
Vergleich mit anderen Antennen
Um einen möglichst objektiven Eindruck zu bekommen, was eine DualBeam2-Antenne gegen über dem normalerweise eingebauten 8cm-Drahtstummel an Gewinn bringt, habe ich ein spezielles HM-Skript entwickelt, das besser als das eingebaute „devconfig“-Programm die Empfangsfeldstärken (RSSI) in den verschiedenen HM-Modulen und in der CCU zusammenbringt und den Mittelwert davon bildet. Mit diesen Messwerten lassen sich verschiedene Antennen am individuell sehr verschiedenen Einbauort vergleichen und insbesondere die Ausrichtung der einzelnen Stabantennen optimieren. Hier dazu mehr!
Um mit verschiedenen Antennen brauchbare Vergleichsergebnisse zu bekommen, wurden alle Vergleichskandidaten an der gleichen Stelle platziert. Dazu wurde an der CCU ein 3m langes RG174-Verlängerungskabel angeschlossen und die jeweilige Testantenne dann am Messort angeschlossen. Als Messort habe ich eine Kommodenauflage in meinem Wohnzimmer gewählt, weil dieser Ort ziemlich mittig in meinem Haus liegt. Das folgende Bild zeigt die 3 verwendeten Antennen.
der normale 8,6cm-Drahtstummel die Stabantenne die DualBeam2
Die Messung mit dem Skript muß über einen längeren Zeitraum erfolgen, so daß mit hoher Wahrscheinlichkeit nahezu alle Funkmodule im Smarthome irgendwann mal aktiviert wurden. Denn nur bei Aktivierung wird in den meisten Fällen der RSSI-Wert im Modul und in der CCU aktualisiert. Also Kurzzeitmessungen bringen recht wenig bei der Optimierung z.B. der Antennenposition und Ausrichtung. Die im folgenden Bild dargestellten Messergebnisse wurde über 2 Tage ermittelt (siehe x-Achse). Die Empfangsstärke in dBm ist auf der y-Achse aufgetragen.
Diese Ergebnisse haben mich doch sehr überrascht. Die Verbesserungen gegenüber dem originalen Drahtstummel sind mit 4dB bei meiner Stabantenne und sagenhafte 7,2dB bei meiner DualBeam2 Antenne doch erheblich. Das was ich über Jahre nur subjektiv feststellen konnte, ist jetzt mit konkreten Messergebnissen bestätigt.
Mit geringem Aufwand ist mit einer geeigneten Antenne das ganze „Theater“ mit Repeatern etc. meistens gar nicht notwendig! Die Antenne macht’s wirklich!
DualBeam2 … einfacher Nachbau
Für den Nachbau der DualBeam2-Antenne wurde eine Bausatz zusammengestellt. Das folgende Bild zeigt die verwendeten Bauteile:
Es gibt einen DualBeam2-Bausatz für die originalen Homematic-Zentralen CCUx mit einer 3m-Anschlußleitung für eine flexible Positionierung der Antenne (Bild oben). Mit dem mitgelieferten 20cm-Antennenanschluß mit RP-SMA-Buchse muß zusätzlich am CCUx-Gehäuse der notwendige Anschluß für eine externe Antenne hergestellt werden.
Ein weiterer Bausatz ist für die Ausrüstung der verschiedenen Raspberry-Funk-Sticks. Da diese Funk-Sticks entweder mit einer USB-Leitung oder GPIO-Leitungen räumlich abgesetzt vom Raspberry angeschlossen werden, entfällt die 3m-Koax-Anschlußleitung.
Die folgende Beschreibung zeigt, wie einfach der Zusammenbau ist:
Mit der noch nicht verlöteten Platine werden zuerst die notwendigen Bohrungen für die Gehäuseschale angezeichnet: 
Danach die RP-SMA-Stecker und Buchsen genau wie auf folgendem Bild auf die Platine löten und das Ganze in die Gehäuseschale einbauen . 
Dann wird die 3m-Koaxleitung angeschlossen und an der Gehäuseschale nach Belieben eine geeignet Aussparung für das Kabel angebracht .
Wenn eine CCUx verwendet wird, dann muß man mit der mitgelieferten 20cm-Kabelpeitsche noch den Anschluß für eine externe Antenne an der CCUx herstellen. Wie das geht ist u.a. hier beschrieben.
DualBeam2 für Funksticks am Raspberry
Bei Verwendung von HM-Zentralen unter Verwendung von Raspberry oder anderen Mini-Computern werden sog. Funk-Sticks verwendet. Am Beispiel des aktuellen Funk-Sticks HmIP-RFUSB wird gezeigt, wie die DualBeam2-Antenne angeschlossen wird. Die Platine wird dazu aus dem Stick genommen und anstelle des Drahtstummels die mitgelieferte 20cm-Kabelpeitsche angeschlossen. Die folgenden Bilder sagen eigentlich schon alles:
Haftungs- und Sicherheitshinweise
Nur HM-Module mit Spannungsversorgung aus Batterie oder galvanisch getrennten schutzisolierten externen Netzteilen umrüsten. Keinesfalls HM-Module mit internem/integriertem Netzteil oder 230V Netzspannung modifizieren, da über die Antennenverbindungen gefährliche Berührungsspannungen entstehen können.
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 hafte für keinerlei Schäden im Zusammenhang mit den beschriebenen technischen Lösungen. Ich verweise hier unbedingt auf die „Sicherheitshinweise und Haftungsausschluss„-Seite dieses Blogs.
Tipps für die Fehlersuche
Normalerweise ist der Anschluss der Antenne völlig problemlos und in wenigen Minuten erledigt. Wenn dennoch Probleme bleiben, dann können die nachfolgend aufgelisteten Lösungsvorschläge möglicherweise helfen:
- Die Kabelpeitsche mit der SMA-Buchse muß an die entsprechenden Lötpunkte am Sendemodul angelötet werden. Beim Abisolieren kann durch zu heftiges Ziehen am Innenleiter der Innenstift der SMA-Buchse zurückgezogen werden. Deshalb beim Abisolieren den Innenleiter immer festhalten!
- Nach dem Anlöten mit einem Ohmmeter prüfen, ob die Verbindung zwischen dem Innenstift der SMA-Buchse und dem Innenleiter-Lötpunkt am HM-Sendemodul vorhanden ist.
- Mit dem Ohmmeter prüfen, ob der Aussenleiter (Abschirmung) zwischen dem Gehäuse der SMA-Buchse und dem Abschirmungsanschluss am HM-Sendemodul auch gute Verbindung hat
- Mit dem Ohmmeter prüfen, daß Innenleiter und Aussenleiter keinen Kurzschluss haben.
- Bei Feldstärkemessungen mit devconfig ist zu berücksichtigen, daß die Zahlen negativ sind. Je kleiner die negativen Zahlen sind, umso besser! Weiterhin sind die angezeigten Werte vom letzten Datenverkehr und der kann u.U. sehr alt sein! Deshalb die für die Messung verwendeten Aktoren unbedingt manuell oder per Programm vor der Messung betätigen.
- Feldstärkemessungen müssen mit mehreren Aktoren erfolgen und ein Mittelwert gebildet werden, weil die „chaotischen“ Wellenausbreitungen und Interferenzen im Haus an manchen Stellen zu Feldstärkeverberbesserungen aber auch zu Felstärkeminderungen führen können.
- Der richtige Standort der Antenne ist von zentraler Bedeutung für gute Funkverbindungen im Haus. Leider kann kein Rezept dafür gegeben werden, weil im Haus eben durch Betondecken, Wände und aluminisierte Dampfsperren etc. eine völlig „chaotische“ Wellenausbreitung erfolgt. Antennen mit hoher Richtwirkung bzw. Gewinn sind deshalb im Haus völlig kontraproduktiv! Also Probieren und mit Verstand und Glück den richtigen Sendestandort finden.
