Homematic CCU-2

Mittlerweile gibt es eine recht ausführliche Anleitung für die Bedieneroberfläche der CCU-2.

Mittlerweile werkelt auch bei mir eine CCU-2. Als Bausatz für 75 EUR und mit einem der üblichen 10-EUR-Gutscheine von ELV hatten sie mich schließlich so weit. Es gab aber auch einige technische Gründe, die reichlich 200 EUR für meine CCU-1 abzuschreiben:

• Die CCU-1 fühlte sich schon immer saumäßig lahm an. Das wurde sicher nicht besser, als meine Homematic-Installation wuchs. Da war Abhilfe fällig.
• Der Speicherplatz der CCU-1 ist ziemlich knapp. Wenn ich mal ein paar Parameter mehr in der Logdatei mitschreiben ließ, umfasste das Log kaum noch 24 h.
• Für die CCU-1 gab es schon länger keine Firmware-Updates mehr. Nachdem mein Netzwerk keine Türen von außen offen hat, ging es mir dabei weniger um Sicherheits-Updates wie bei einem normalen Betriebssystem. Aber es gibt mittlerweile Homematic-Komponenten, die ausdrücklich nur mit der CCU-2 laufen.
• Die CCU-2 kann Diagramme erzeugen. Diese Möglichkeit ist natürlich nur mit genügend Speicherplatz, also einer Micro-SD-Karte, sinnvoll. Die bekam man in eine CCU-1 auch nicht hinein.

Einen Bausatz wollte ich sowieso haben, damit ich auch einen Schaltplan der CCU-2 bekam. Der Bausatz enthielt übrigens eine positive Überraschung: Lötarbeiten waren keine mehr nötig. Ich musste nur noch einiges zusammenstecken und dann acht Schrauben reindrehen. Dafür braucht man allerdings einen TORX-T6-Schraubendreher.

Hardware der Homematic CCU-2 optimieren

Wie schon die CCU-1 musste ich das Ding erst mal fertig entwickeln:

• Wie von ELV gewohnt nimmt die Entwicklung keinerlei Rücksicht auf Hochfrequenz-Gesichtspunkte: Das Funkmodul ist ohne irgendwelche EMV-Maßnahmen auf eine Leiterplatte draufgelötet, die Mikroprozessortechnik mit Bussystem enthält. Das muss zu Funkstörungen führen.
• Die Antenne des Funkmoduls ist lieblos unten ins Gehäuse gequetscht. Das ist in der Wirklichkeit nicht ganz so schlimm, wie es auf den Bildern aussieht: Der Antennenhalter ist nicht auf der Ebene der Leiterplatte, sondern ein paar mm darüber. Aber optimal ist das nicht. Dabei ist das die zentrale Stelle, an der man so gute Funkeigenschaften braucht wie bei keiner anderen Stelle in der gesamten Installation.
• Eine Notstromversorgung ist meiner Meinung nach unverzichtbar: Schon eine ganz kurze Stromunterbrechung reicht aus, dass die CCU-2 alle Zustände in der Homematic-Installation vergisst. Selbst nach 24 h ist nicht sicher, dass sich alle Einheiten mal bei der CCU gemeldet und ihre Zustände gemeldet haben. Die CCU nimmt beispielsweise einfach mal auf Verdacht an, dass alle Türen und Fenster geschlossen sind.

Eine ruhige Antenne für die Homematic-Zentrale CCU-2

Als erstes musste eine vernünftige Antennenanlage an die CCU-2 dran. Die Prinzipien sind die gleichen wie bei meinem Umbau der CCU-1. Ich ging einen etwas anderen Weg als bei der CCU-1. Weil der Widerstand einer Ringkernwicklung mit dem Quadrat der Windungszahl steigt und ich das Kabel nicht so eng um die Kurve führen wollte, nahm ich einfach mehr Ringkerne – von den Dingern habe ich noch eine ganze Büchse voll in der Bastelkiste liegen. Die technischen Daten sind für diesen Einsatzzweck ziemlich egal.

• Von einem PigtailKabel mit SMA-Einbaubuchse (Conrad Bestellnummer 986213) schnitt ich den anderen Stecker ab, baute eine Mantelwellendrossel drauf und lötete das freie Ende des Koaxkabels am Funkmodul an. Ich hasse es, diese modernen Koaxstecker montieren zu müssen.
• Bei Conrad fand ich auch eine fertige Antenne für 868 MHz mit SMA-Anschluss. Beim Durchmessen der Antenne konnte ich aber keine akzeptable Fußpunktimpedanz bei 868 MHz feststellen. Also baute ich mir mal wieder eine Groundplane auf Basis eines SMA-Steckers.

Eine schöne Anleitung zum Bau einer externen Antenne steht hier.

Eine Notstromversorgung für die Homematic-Zentrale CCU-2

Bei der Notstromversorgung war meine erste Idee, Einen LiPo-Akku samt Ladeeinrichtung einzubauen. Nur erwies sich das als deutlich komplexer, als ich das vorher annahm: In der CCU-2 sind drei Schaltregler drin, einer davon sogar im SoC (System on a Chip, zentraler Prozessor mit umfangreicher Peripherie). Zumindest den 3,3-V-Regler hätte ich durch einen Linearregler ersetzen müssen, denn eine LiPo-Zelle ist bei 4 V Klemmenspannung noch längst nicht leer. Den 1,8-V-Regler hätte ich womöglich auch an die niedrigere Eingangsspannung anpassen müssen.

Dazu kommt, dass sich das Problem bei mir in der üblichen Schärfe sowieso nicht stellt: Ich versorge die CCU über das Netzwerkkabel per PoE (Power over Ethernet) mit Strom. So hängt sie an meiner unterbrechungsfreien Stromversorgung. Damit stelle ich sicher, dass die wesentlichen Komponenten meines Netzwerks die üblichen Kurzunterbrechungen nicht mitbekommen. Die Tage musste ich die Uhr im Küchenherd wieder stellen, aber mein Netzwerk samt CCU lief durch.

Wer seiner CCU-2 eine Notstromversorgung verpassen will, sollte es mal mit einer USB-Powerbank probieren. Das wird aber nicht so ganz ohne Bastelei abgehen: Entweder man schlachtet ein USB-Kabel und ersetzt den USB-Stecker durch einen passenden Hohlstecker für die Strombuchse der CCU-2. Oder man bastelt an der USB-Buchse BU301 rum mit der Konsequenz, dass man die CCU-2 nicht mehr per USB an einen PC anschließen kann:

• R334 (oder C328, C329, C330) kurzschließen. Das verhindert, dass die CCU diesen Anschluss als Verbindung zum Steuerrechner nutzen will. Warum die hier diese drei Kondensatoren (1 nF, 10 nF, 100 nF) parallel geschaltet haben, ist mir rätselhaft. Schließlich ist das keine Stromversorgungsleitung und hinreichend hochohmig.
• Sicherheitshalber würde ich L305 und L306 auslöten, denn da hängt ohne weitere Schutzmaßnahmen das SoC dran.
• Einen Draht vom +5V-Anschluss (R332, von R334 abgewandte Seite) an den inneren Anschluss des des Stromversorgungssteckers einlöten.

Nach diesem Umbau kann man die CCU-2 auch mit einem USB-Kabel an BU301 (PC-Anschluss) mit Strom versorgen. Ob das wirklich funktioniert hängt davon ab, wie genau sich die Powerbank an die USB-Spezifikation hält. Offiziell muss das USB-Gerät mehr als 100 mA formvollendet anfordern [1]. Davon kann bei obigen Umbauten natürlich keine Rede sein. Wer mutig genug ist kann auch einfach mal versuchen, nur den Draht vom letzten Punkt einzulöten und sonst nichts zu ändern. Ich weiß nicht wie das SoC reagiert, wenn es erst über die USB-Datenleitungen Spannung bekommt und dann über die Spannungsregler Betriebsspannung.

Erste Betriebserfahrungen

Zunächst hatte ich überlegt, die CCU-2 probehalber ohne Antennenumbau in Betrieb zu nehmen. Das war mir dann aber zu kritisch: Die CCU-1 habe ich schließlich nicht umsonst umgestrickt und was weiß ich was passiert, wenn die Funkverbindungen nur teilweise funktionieren. So lief mein Umsteig so ab:

• CCU-2 mal kurz ohne Programmierung hochfahren und überprüfen.
• CCU-1 sichern.
• CCU-1 außer Betrieb nehmen. Das Schöne an Homematic ist, dass viele grundlegende Funktionen der Installation auch ohne Zentrale einfach weiterlaufen.
• CCU-2 in Betrieb nehmen.
• Sicherung der CCU-1 reinspielen.
• Der CCU-2 eine feste IP-Adresse geben. Alle meine Server haben feste IP-Adressen.
• Warten, bis die CCU-2 die ersten Daten aus der Homematic-Installation eingesammelt hat. Es dauerte übrigens rund 24 h, bis der Datenbestand der CCU-2 leidlich komplett war.

Das war doch mal erfreulich. Eindrücke aus den ersten Tagen:

• Die meisten Funktionen laufen jetzt endlich in erträglicher Geschwindigkeit ab – beispielsweise Ausgabe der Logdatei oder das Aufrufen der Funktion Geräte anlernen.
• Ein neues Ärgernis ist die Diagramm-Darstellung: Spätestens wenn man mehrere Diagramme definiert hat, baut sich das Menü Startseite > Status und Bedienung > Diagramme quälend langsam auf. Auf Anhieb erscheint bei mehreren definierten Diagrammen erst mal nur ein leeres Diagramm und die Daten diverse Sekunden später. Und dann erscheinen nur Daten, die nach Definition des Diagramms erfasst wurden. Lädt man die darzustellenden Daten aber als CSV-Datei herunter, sind natürlich alle Bestände da. Da fehlt eine Refresh-Funktion.
• Die Funkverbindungen erscheinen stabiler als gehabt. Ich war daran gewöhnt, dass täglich mehrere entsprechende Fehlermeldungen aufliefen. Jetzt ist meistens Ruhe. Vielleicht ist mein Antennenumbau hier besser als bei der CCU-1.

Die CCU-2 produziert mehr Funkstörungen als die CCU-1

Mittlerweile ist auch geklärt, warum ich trotz vergleichbarer Antenne anfangs bei der CCU-2 mehr Verbindungsprobleme hatte: Das liegt nicht daran, dass die CCU-2 lauter wäre. Sondern daran, dass die CCU-1 sich regelmäßig schlafen legt und die CCU-2 nicht. Die verbundenen Geräte haben also gute Chancen, die CCU-1 in einer Ruhepause anzusprechen, wenn die Funkstörungen bedeutend geringer sind. Den Empfang der Pakete übernimmt ein eigener Prozessor, der nach dem Empfang eines Datenpakets den Hauptprozessor aufweckt. Wenn die CCU dann antworten will, produziert sie natürlich elektronischen Schmutz. Aber beim Senden stört der ja nicht. Bei der CCU-2 fehlt diese Möglichkeit.

Dabei will ich ELV noch nicht mal unterstellen, dass die CCU-2 mehr Funkstörungen produziert, als sie das nach der EMV-Richtline der Europäischen Union dürfte. Nur: Die EMV-Richtlinie soll sicherstellen, dass sich Geräte nicht gegenseitig stören. Wenn sie sich nur selber stören, ist das ein ganz anderes Thema. Aber wie schon vielfach bewiesen, fehlt bei ELV der hochfrequenztechnische Sachverstand für so etwas.

Wer das mal selber prüfen will, sollte sich bei [2] umsehen: Bei mir steigt der breitbandige Störpegel um rund 10 dB (Faktor 10) an, wenn man die Antenne an das Gehäuse der CCU-2 hält. Die Störquellen konzentrieren sich im oberen Bereich der Leiterplatte, weil da der Hauptprozessor sitzt. Von daher ist mein Weg, die Antennenbuchse oben zu montieren, nicht optimal. Unten ist es ruhiger. Man bedenke, dass die Feldstärke elektromagnetischer Strahlung mit dem Quadrat der Entfernung abnimmt.

Versuche, das Gehäuse mit Abschirmungen zu versehen, waren nicht erfolgreich. An der Platine wollte ich nicht rumlöten, deshalb schloss ich die Antenne über etwas Kabel an. Der Abstand half enorm!

Ein Alternativvorschag

Ein Leser dieser Seite wies mich auf einen alternativen Umbauvorschlah hin: Können Sie mir als Neuling einen Tipp geben, welche Bauweise zum heutigen Zeitpunkt die Beste ist. Ihre oder die von Technikkram.net?

Meine Antwort: Danke für den Link. Diese Lösung ist besser als garnichts. Nur hat der Autor keine Ahnung von Hochfrequenz:

• Es geht nicht darum, die Sendeleistung zu erhöhen: Viele der Homematic-Module haben ihre Antenne noch viel schlimmer zusammengefaltet und abgeschirmt als die CCU-2. Das Problem ist deshalb nicht das Senden, sondern das Hören. Den versprochenen Gewinn von 5 dB (2,5fach) kann die Antenne aus physikalischen Gründen nicht haben; sie ist zu klein. Antennengewinn ist hier sogar ausdrücklich unerwünscht, weil er nur durch Konzentrieren der Strahlung in eine Vorzugsrichtung zu erzielen ist. Anders ausgedrückt: In bestimmte Richtungen wird eine Antenne mit Gewinn mehr oder weniger taub. Wenn man Pech hat, kann man dann zu bestimmten Einheiten keine Verbindung mehr herstellen. Meine Tripleleg-Antenne im Bid oben hängt auch deshalb, weil diese Antennen in Richtung des Antennenkabels ihr deutlichstes Minimum haben. Da oben habe ich aber keine Homematic-Einheiten mehr.
• Die CCU-2 ist im Originalzustand ausgesprochen taub, weil das eingebaute Prozessorsystem heftig in den Empfänger reinbläst. Die Homematic-Geräte draußen haben das Problem nicht, weil ihre Einchip-Prozessoren mit viel niedrigeren Taktfrequenzen arbeiten und diese Signale fast vollständig auf den einen Chip begrenzt sind.

Mein Umbau hat also die vor allem die Aufgabe, die Funkstörungen des Prozessorsystems vom Empfängereingang fernzuhalten und da greift der Umbau viel zu kurz:

• Als erstes müssen Prozessorsystem und Antenne hochfrequenzmäßig getrennt werden. Das macht das Ferritmaterial, das ich schon bei meinem CCU-1-Umbau benutzt habe. Wenn Sie das Thema näher interessiert, sollten Sie mal meine Amateurfunk-Website besuchen.
• Ein Großteil der Störungen erreicht den Empfänger wohl über die Leiterplatte. Die kriegt man durch das Ferritmaterial weitgehend weg. Nachdem das Prozessorsystem (die diversen großen Chips, die mit vielen parallelen Leiterbahnen miteinander verbunden sind) nicht abgeschirmt ist, dürfte aber auch so einige Hochfrequenz abgestrahlt werden. Solche Strahlung habe ich schon nachgewiesen, kann aber mit meinen Messmitteln keine quantitativen Aussagen machen. Also ist die zweite Maßnahme, die Antenne ein Stück weit von der CCU-2 abzusetzen: Elektromagnetische Strahlung wird mit dem Quadrat der Entfernung schwächer. Das Verbindungskabel ist bei mir rund 30 cm lang.
• Ich kenne die Innereien der verbauten Antenne nicht. 868 MHz entspricht einer Wellenlänge von rund 35 cm. Folglich sollte eine gute Antenne rund 17,5 cm lang sein (Halbwellen-Dipol). So lang ist die Antenne des Bauvorschlags nicht. Sie ist also entweder elektrisch verkürzt, was auf meine Kurzwellen-Mobilantennen auch zutrifft. Oder, das erscheint mir wahrscheinlicher, die Antenne nutzt das angeschlossene Gerät als Gegengewicht. Diese Gegengewichte finden Sie bei meinen Umbauvorschlägen. Im Prinzip kann man auch das Antennenkabel als Gegengewicht nutzen. Dann sollte man aber zumindest ausmessen können, wo die Mantelwellendrossel hin muss.

Kurz: Es mag sein, dass der in Ihrem Link beschriebene Umbau Ihre Probleme bereits löst. Ansonsten sollten Sie meine Ideen ausprobieren, die tragen eindeutig weiter.

Literatur

[1] USB.org: USB Power Delivery

[2] http://www.rtl-sdr.com/

Mittlerweile ist es extrem einfach und billig geworden, im Frequenzbereich zwischen etwa 50 MHz und 1 GHz mitzuhören: Man nehme einen DVB-T USB-Stick, die gibt es schon für weniger als 20 EUR. Statt mit der mitgelieferten Software terrestrisches Fernsehen zu empfangen, kann man damit auch Radio hören. Das klappt auch auf 868 MHz, wo Homematic funkt.