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Klimawende im Eigenheim: Linux-Magazin-Autor Gottfried Grosshans macht seine simple Einzonen-Klimaanlage mit smarter Mikrocontroller-Technik bekannt und verwandelt sie in eine kostengünstige Multizonen-Anlage. Dank niedrigen Energieverbrauchs ist sie fast ein Selbstläufer.

Wer mit Klimaanlagen zu tun hat, sei es im Unternehmen oder im Haus, hätte oft gern unterschiedliche Temperaturen zu unterschiedlichen Zeiten in unterschiedlichen Räumen. Einzonen-Anlagen mit einem Thermostat geben das häufig nicht her. Kein Problem: Smarte Elektronik und Software verwandeln die Einzonen- in eine Multizonen-Anlage. Angenehmer Nebeneffekt: Die Anschaffungskosten der Elektronik amortisieren sich bald durch die Energie-Einsparungen.

Der Autor lebt in Texas, der Nutzen einer solchen Optimierung liegt auf der Hand. Wer sich im südlichen US-Bundestaat über längere Zeit ohne Klimaanlage in Innenräumen aufhält, dem droht der Hitzetod. Doch auch in Mitteleuropa kommen Klimaanlagen zunehmend zum Einsatz. Sei es, weil sich das Klima insbesondere in Ballungsgebieten [1] erwärmt oder weil die Bewohner den Komfort schätzen. In Firmen erfordern Arbeitsplatzbestimmungen oft den Einbau.

Heiß und kalt

Die typische Klimaanlage (Abbildungen 1 und 2) kommt als Einzonen-Anlage daher. Das heißt: Das Kühlaggregat werkelt zentral im Haus, optional kombiniert mit einer Heizung. Sie kühlt oder erwärmt wahlweise die Luft, die ein zentrales Gebläse über mehrere Luftschächte in alle Räume leitet. So eine Anlage lässt sich an den Luftauslassgittern in den Räumen erkennen.

Abbildung 1: Grobschema einer Klimaanlage: Sie heizt und kühlt abhängig vom Wert auf dem Thermostat.

Abbildung 2: Klimaanlage: Die erhitzte oder gekühlte Luft landet über Luftschächte in den Räumen.

Ein elektrischer oder elektronischer Thermostat (Tstat), der an einer gut ausgewählten und zentralen Position im Haus hängt, regelt zentral die Temperatur. Der Nachteil solcher Anlagen besteht darin, dass der Thermostat die Temperatur nur für einen Raum akkurat regelt, nämlich den, in dem er installiert ist. Die Anlage bläst zwar die gekühlte oder erhitzte Luft auch in die anderen Räume, aber in welchem Maße die Temperatur dort schwankt, berücksichtigt sie nicht.

Der Bewohner kann lediglich hoffen, dass die dortigen Temperaturen sich wenigstens halbwegs im Rahmen der zentral geregelten Temperatur bewegen. Erhitzt zum Beispiel Sonneneinstrahlung den klimatisch überwachten Raum, kühlt die Anlage nicht nur diesen, sondern auch das ohnehin vielleicht deutlich kühlere Nachbarzimmer.

Eine Multizonen-Anlage mit mehreren Kühl- und optionalen Heizaggregaten behebt diesen Nachteil, ist aber nicht nur deutlich teurer, sondern auch viel komplizierter. Doch es geht auch anders: Wer ein wenig Geschick für PC-Umbauten mitbringt, also gelegentlich mal eine Grafikkarte, ein Motherboard oder eine CPU auswechselt und auch sonst gern mit Elektronik bastelt und vor kleinen Lötarbeiten nicht Reißaus nimmt, sollte prinzipiell fit sein, um das Projekt in Eigenregie zu verwirklichen.

Raumklima

Die Projektbeschreibung sieht für jeden Raum Thermostate vor, die die Luftauslasse automatisch und drahtlos per Heimautomatisierung regeln. Auf diesem Weg erreicht die eingestellte Temperatur lokal jeweils einen konstanten Wert. Die Temperaturen in den Räumen fallen also, abhängig von der Thermostat-Einstellung, unterschiedlich aus. Wer Thermostate mit Zeitsteuerung verwendet, temperiert sogar automatisch nach unterschiedlichen Zeitvorgaben. Komfortabler, kostengünstiger und energiesparender geht es kaum.

Abbildung 3 stellt beispielhaft den Ist-Zustand des Hauses mit Klimaanlage dar. Im Englischen ist die Abkürzung HVAC üblich, sie steht für Heating, Ventilation and Air Conditioning. Deutsche Installateure sprechen von HKL für Heizung, Klimatechnik und Lüftung.

Abbildung 3: Im Ist-Zustand richtet sich die Klimaeinheit dank des einzigen Tstat nach der Temperatur im linken Raum.

Das Haus besteht aus zwei Räumen und der Klimaanlage unterm Dach. Der Thermostat (Tstat) ist im linken Raum angebracht und über Kabel mit dem elektronischen Steuermodul der HVAC verbunden. Der rechte Raum besitzt zwar ebenfalls einen Luftauslass, ihn regelt jedoch erwartungsgemäß kein eigener Tstat, da es sich um eine Einzonen-Klimaanlage handelt. Die Klimaanlage temperiert den rechten Raum also ebenfalls über die Klimaanlage, seine Temperatur hängt jedoch mehr oder weniger von der Regelung im linken Raum ab.

Ob sich die Klimaanlage unterm Dach oder in einem separaten Raum befindet, spielt keine Rolle. Interessierte müssen lediglich eruieren, wo genau sich diese Anlage versteckt. Auch ob es um zwei oder mehr Räume geht, interessiert nicht, weil das Wissen darum systemisch nichts ändert. Das Beispiel bleibt aber beim Zweiraum-Szenario.

Es ist ebenfalls egal, ob sich die Luftauslasse an der Decke, an einer Wand oder eventuell sogar im Boden befinden. Auch hier müssen die Bewohner nur erkunden, wo diese genau liegen.

Soll-Zustand

Abbildung 4 beschreibt den Soll-Zustand, den die Klimaanlage nach ihrer Aufrüstung erreichen soll. Im rechten Raum wartet nun ebenfalls ein Thermostat, um dort die Raumtemperatur unabhängig zu regeln.

Abbildung 4: Im Soll-Zustand verfügt jedes Zimmer über einen Tstat. Auch weitere Räume lassen sich nach dem beschriebenen Schema einbinden.

Außerdem klemmt der Anlagenbauer ein Relais A zwischen die Thermostate und die Steuerelektronik. Es dient lediglich als Sicherung, damit die Anlage nicht gleichzeitig heizt und kühlt. Falls die Klimaanlage ab Werk nur kühlt und eine davon unabhängige Heizung die Räume erwärmt, zum Beispiel mit lokalen Heizkörpern, darf das Relais einfach fehlen.

Steuermodule

Vor jeden Tstat schaltet der Baumeister zudem Steuermodule, so genannte TVC (Tstat Vent Control). Diese Module kommunizieren drahtlos über 2,4 GHz mit den Auslassventil-Steuerungen (VS1 bis VSn) des jeweiligen Raums. Die dünnen Pfeile symbolisieren die drahtlose Steuerkommunikation. Dank dieser Kommunikation zwischen den Steuermodulen muss der Heimautomatisierer lediglich ein Kabel von dem bereits installierten Thermostat zu den neuen Thermostaten beziehungsweise deren Steuermodulen verlegen, nicht aber zwischen den TVC- und VS-Modulen.

Der Bastler ersetzt die manuellen Auslassventile durch solche, die er fix und fertig mit Motor kauft. Die Motoren dieser Auslassventile verbindet er mit den Ventilsteuermodulen VS1 bis VSn. Will er mehr als zwei Räume bestücken, verfährt er analog und richtet pro zusätzlichem Raum weitere Tstats und Steuermodule ein. Auch für diese übrigen Räume dockt er den Kabelstrang der Thermostate jeweils parallel an vorhandene Thermostate beziehungsweise deren Steuermodule an. An der Installation des Relais A ändert sich auch bei mehr als zwei Räumen nichts.

Klima-Update

Ist der Aufbau abgeschlossen, funktioniert die Regelung des Systems so: Weicht die Temperatur vom eingestellten Sollwert ab, gibt der zugehörige Thermostat ein Startsignal zum Kühlen oder Heizen ab. Dieses schickt er zunächst nur an das jeweilige TVC-Modul, das direkt per Kabel am Tstat hängt. Das TVC-Modul sendet dann ein drahtloses Startsignal an das VS-Modul im selben Raum, das daraufhin per Motorsteuerung das Auslassventil in diesem Raum öffnet.

Das Ventilsteuermodul funkt per Bestätigungssignal an das TVC-Modul, dass es den Job erledigt hat. Das TVC-Modul schickt wiederum über das Kabel eine Nachricht an die Steuerelektronik der Klimaeinheit, die das Gebläse anwirft und die passenden Kühl- oder Heizaggregate aktiviert.

Erreicht der Thermostat die eingestellte Regeltemperatur, sendet er ein Stoppsignal an das TVC-Modul, das dieses drahtlos an das im Raum befindliche VS-Modul weiterleitet. Dieses Modul schließt daraufhin das Auslassventil. Zugleich sendet das TVC-Modul ein Stoppsignal an die Steuerelektronik der HVAC. Erreicht nicht gerade ein Aktivierungssignal aus einem anderen Raum die HVAC, deaktiviert diese das Gebläse sowie die Kühl- und Heizaggregate.

Das Setup sorgt also automatisch dafür, dass das erste Aktivierungssignal die HVAC startet. Weitere Signale aus anderen Räumen öffnen dann nur die jeweiligen Auslassventile der Räume, denn die HVAC läuft ja bereits. Umgekehrt stoppt erst das letzte Stoppsignal eines Raumes die HVAC. Sind andere Räume noch aktiv mit dem Regeln beschäftigt, schließen nur die jeweiligen VS-Module die Auslassventile, während die HVAC aktiv bleibt.

Konkurrenz

Relais A sorgt dafür, dass die Klimaanlage nicht konkurrierend heizt und kühlt. Gibt ein Tstat das Signal zum Kühlen, ein anderer das zum Heizen, erhält das mit dem Heizsignal Vorrang, während die HVAC Kühlsignale ignoriert. Erst wenn der Tstat das Stoppsignal für Heizen sendet und kein anderer Tstat mehr heizen will, aktiviert die HVAC die Kühlsignale und schaltet auf Kühlung um.

Der Vorteil der beschriebenen Lösung: Niemand muss etwas an der Steuerelektronik der HVAC ändern. Der Baumeister bringt einfach Relais A zwischen der Klimaeinheit und der bisherigen Thermostat-Verkabelung an. Zudem genügt es, Kabel nur von einem Tstat beziehungsweise dessen TVC-Modul zum nächsten Tstat beziehungsweise dessen TVC-Modul zu verlegen. Der Rest der Kommunikation verläuft kabellos.

Dieses Vorgehen, insbesondere die Rückkopplung der Auslassventile, stellt außerdem sicher, dass immer mindestens ein Auslassventil offen ist, wenn sich die HVAC aktiviert. Das verhindert eine Blockade des Luftstroms.

Die Module (TVC und VS) sind zudem so konstruiert, dass sie mit Batterien und sehr niedrigen Strömen im unteren Mikroampere-Bereich arbeiten. Batteriewechsel sind selten notwendig. Fällt Relais A wegen eines Defekts aus, lässt sich die Heizung nicht aktivieren. Das verhindert ein zeitgleiches Kühlen und Heizen, in diesem Fall hat Kühlen Vorrang.

En Detail

Nun zur technischen Beschreibung der Klimaanlage im Detail. Hier interessiert vor allem die Kommunikation zwischen HVAC und Thermostat. Obwohl es einige Unterschiede zwischen verschiedenen Herstellern gibt, sieht der zentrale Bestandteil dieser Kommunikation doch mehr oder weniger wie in Abbildung 5 aus. Ein Plus-Signalkabel (R) sorgt für die Spannung. Der Tstat schaltet dann diese Spannung je nach Regelung an diesem auf die Pole Kühlen (Y), Heizen (W) oder Gebläse (G). Im letzteren Fall betreibt der Thermostat das Gebläse – was sich auch einfach so zum reinen Durchlüften eignet, ohne gleichzeitig ans Kühlen oder Heizen zu denken.

Abbildung 5: Die Kabelverbindungen zwischen Klima-Einheit und Thermostat ähneln sich in der Regel trotz unterschiedlicher Hersteller.

Elektronische Thermostate schalten mitunter noch ein Massesignal (C), andernfalls enthält der Tstat Batterien. Einige Anlagen verwenden statt Gleichstrom Wechselstrom, auch die Spannungen fallen unterschiedlich aus. Grundsätzlich ist das aber für dieses Projekt nicht weiter von Belang. Für den Anschluss des Relais A muss der Hausbesitzer lediglich herausfinden, wie hoch die Spannung ist und ob es sich um Wechsel- oder Gleichstrom handelt, denn nach diesem Kriterium sucht er das Relais aus. Das ist jedoch nur relevant, wenn die Klimaanlage auch heizt. Ist das nicht der Fall, lassen sich die Thermostate einfach alle parallel verkabeln.

Nun soll es darum gehen, wie und wo der Anlagenbetreiber das Relais A einbaut. Um die Sache zu vereinfachen, fehlen bei den Schaltplänen im ersten Schritt die Module TVC und VS. Ihren Einbau erklärt ein späterer Schritt. Noch ein wichtiger Hinweis: Wer an der Elektrik arbeitet, muss zuvor unbedingt alle Sicherungen für die HVAC abschalten!

Zwischengeschaltet

Um das Relais A einzubauen, sucht der Nutzer zunächst nach der HVAC und dann nach dem Kabel, das zum Thermostat führt, denn dazwischen gehört das Relais. Die Drähte des Tstat-Kabels hängen mit Klemmen an der HVAC. Am selben Ort sollte sich auch ein Masse-Anschluss (C) der Sekundärwicklung des Transformators innerhalb der HVAC befinden, selbst wenn dieser keine Verbindung zum Tstat hat. Ihn benötigt der Tstat, um das Relais zu aktivieren.

Wer nicht weiß, wie hoch die Spannung für den Tstat ist und ob es sich um Gleich- oder Wechselspannung handelt, kann das mit einem Multimeter vorsichtig an diesen Klemmen testen. Dabei prüft der Betreiber die Spannung zwischen der Plusklemme (R) (oder den aktiven Pol bei Wechselstrom) und der Masse (C) und notiert sich Spannung und Spannungsart (Gleich- oder Wechselstrom). Anschließend kauft er im Fachhandel ein Relais mit zwei Umschaltern, das zur gemessenen Spannung passt (Primärwicklung des Relais). Wer also eine Anlage mit 24 Volt Wechselspannung betreibt, kauft ein Relais für 24 Volt Wechselspannung. Die maximale Kontaktstromstärke der Relaisschalter sollte mindestens 2Ampere betragen.

Abbildung 6 zeigt die Schaltung zwischen zwei oder mehr Tstats und der HVAC mit zwischengeschaltetem Relais A wie im geplanten Setup. Der Anlagenbetreiber verbindet einen der Primärwicklungs-Pole (P) mit der Masse der HVAC (C). Den Pol (Sc) des einen Umschalters (c steht für den Ruhezustand closed, also geschlossen), koppelt er mit dem Pol für Kühlen (Y). Den Pol (So) des anderen Umschalters (o steht für den Ruhezustand offen) verknüpft er mit dem Pol für Heizen (W).

Abbildung 6: Der Schaltplan zeigt, wie der Heimwerker die HVAC, das Relais A und mehrere Tstats miteinander verdrahtet.

Die Drähte des Thermostats an der HVAC, die für das Kühlen (Y) und das Heizen (W) zuständig sind, klemmt der Installateur an der HVAC ab. Dann bringt er sie, wie in Abbildung 6 zu sehen, an den passenden Polen des Relais A an: Kühlen (Y) am oberen Schalterpol links und Heizen (W) am unteren linken Schalterpol. Letzteres verbindet er noch mit einer Brücke an der anderen Seite der Primärwicklung (P) des Relais (oben links).

Die Anschlüsse der Drähte für Gebläse und Plus vom Tstat bleiben an der HVAC, wie es Abbildung 6 ebenfalls zeigt. Die Schalter S1 bis Sn sind nur optional und dürfen fehlen. Sie würden dazu dienen, die Tstats manuell abzuschalten. Ohne die Schalter ist es einfacher, die Kabel der Tstats zu verlegen, da der Bastler einfach nur die Klemmen der verschiedenen Tstats parallel verbinden muss. Mit den Schaltern lässt sich ein Raum komplett von der Kühlung oder Heizung ausnehmen, wenn ihn niemand nutzt.

Zum Einbau der Thermostate in den verschiedenen Räumen sollte der Installateur Plätze auswählen, auf die nicht direkt die Sonne brennt und die genügend Abstand zu den Auslassventilen bieten. Innenwände eignen sich oft besser, um Thermostate anzubringen. Welche Thermostate er verwenden will, bleibt ihm überlassen. Hier lässt sich alles vom Nest bis zum einfachen mechanischen Tstat hernehmen, wenn es zur HVAC passt.

Testlauf

Hat er das Relais und die Thermostate angeschlossen, testet der Anlagenbauer abschließend, ob sie korrekt arbeiten. In jedem Raum steht nun ein Tstat und alle sollten parallel in der Lage sein, Heizung, Kühlung oder Gebläse einzuschalten. Steht ein Tstat auf Kühlen und ein anderer auf Heizen, muss die HVAC auf Heizen schalten, da dies Vorrang hat.

Verläuft dieser Test erfolgreich, widmet sich der Heimwerker dem nächsten Schritt. Andernfalls muss er die Verdrahtung prüfen. Manchmal steckt das Kabel nicht richtig an einem Kontakt oder entspricht die Verdrahtung nicht genau dem Plan. Oft muss er die Thermostate an die HVAC anpassen, da es sich meist um universelle Geräte handelt.

Motorshow

Für den nächsten Teil des Projekts braucht der Bastler die mit Motor gesteuerten Auslassventile, die es im Internet unter dem Namen Vent-Miser gibt. Onlineversender und Versteigerungsplattformen verkaufen sie relativ preiswert und in verschiedenen Größen und Farben. Der Käufer sollte darauf achten, dass das Ventil in die Aussparung des bisherigen Auslassventils passt.

Die Vent-Miser enthalten eine Zeitschaltuhr, die sich einfach entfernen lässt wie Abbildung 7 zeigt. Ziel ist es ja, mit Hilfe der Thermostate eine drahtlose Temperatursteuerung umzusetzen. Die eingebaute Zeitschaltuhr ist hingegen nicht in der Lage, Temperaturen zu erkennen oder drahtlose Signale zu senden oder zu empfangen.

Abbildung 7: Vent-Miser nach dem Entfernen der Zeitschaltuhr.

Entfernt der Baumeister den Motordeckel am Motorkasten auf der Rückseite des Vent-Miser sieht das Ergebnis aus wie in Abbildung 8. Der Motor ist über das Getriebe direkt an einer der Ventilklappen angeflanscht. Zahnräder treiben die anderen Klappen synchron an.

Abbildung 8: Die Rückseite des Vent-Miser mit offenem Motorkasten.

Diese Ventile eignen sich sehr gut für das Projekt. Der Motor braucht eine 3-Volt-Gleichspannung und relativ wenig Strom. Zudem lässt sich im Motorkasten noch Elektronik unterbringen. Den Deckel des Motorkastens entfernt der Betreiber, indem er die Außenseite vorsichtig etwas nach innen drückt.

Wer das VS-Modul platzsparend und auf einer Lochraster-Platine oder Ähnlichem aufbaut, bringt das VS-Modul zum Steuern des Motors problemlos zusammen mit einem kleinen Batteriekasten zur Stromversorgung in dem Motorkasten unter.

Modulbau

Im nächsten Schritt baut der Heimwerker die Module VS und TVC zusammen. Diese enthalten die Mikrocontroller, die Transceiver zur drahtlosen Datenübertragung und andere Elektronik. Pro Raum beziehungsweise Thermostat benötigt er je ein VS- und TVC-Modul. Die Stücklisten für die beiden Module entnimmt er den Stücklisten in den Kästen. Die Bauteile gibt es beim gut sortierten Elektronik-Fachhändler, im Versandhandel oder bei Versteigerungsplattformen.

Ob er die Module auf einer Lochraster-Platine oder auf einem Breadboard wie in den Abbildungen 9 und 10 zusammenbaut oder ob er sich selbst eine Platine herstellen lässt, bleibt jedem überlassen. Der Artikel beschreibt den Aufbau mit Hilfe eines Breadboard, was nicht nur wenig Lötarbeit an den Modulen erfordert, sondern sich auch als Zwischenschritt zum Testen eignet. Als Kostenpunkt sollte der Anlagenbauer pro Raum zusammen mit den Auslassventilen maximal 50 Euro veranschlagen.

Abbildung 9: Das TVC-Modul. Breadboards eignen sich für erste Tests. Funktioniert alles, kann der Tester die Bauteile verlöten.

Abbildung 10: Das VS-Modul samt Breadboard, fertig aufgebaut.

Die beiden Modulgrafiken markieren die Pluskabel rot, die Minuskabel schwarz. Die Schaltpläne zu den TVC- und VS-Modulen zeigen Abbildung 11 und 12, größere Versionen liegen unter [2].

Abbildung 11: Der Schaltplan zum TVC-Modul, eine Besonderheit ist das bipolare Umschaltrelais.

Abbildung 12: Der Schaltplan des VS-Moduls, ein PTC dient zur Sicherung.

Eine Besonderheit im TVC-Modul ist das bipolare Umschaltrelais (Relais 1). Ein Impuls an der Wicklung schaltet es jeweils ein oder, nach einer Umpolung, aus. Hier darf prinzipiell jedes Relais zum Einsatz kommen, sofern es sich mit 3 Volt und Impuls umschalten lässt. Die maximale Kontaktstromstärke auf der Sekundärseite sollte minimal 2 Ampere aushalten.

Der Baumeister sollte zudem eine so genannte PTC (Positive Temperature Coefficient, rückstellende Sicherung) als Sicherung für die Module verwenden, 500 Milliampere reichen aus. Bei einem Kurzschluss schaltet der PTC automatisch wieder frei, sobald der Fehler behoben ist.

Beim Elko (Elektrolytkondensator) muss er auf die richtige Polung achten. Der Elko darf einen höheren Wert haben, kleiner sollte er nicht sein. Die Widerstände müssen nicht genau dem Wert entsprechen, 10 bis 50 Prozent Abweichung sind hier meist kein Problem.

Als Verbindungsklemmen eignen sich am besten lötbare Schraubterminals, die der Bastler einfach in das Breadboard stecken kann. Damit lassen sich per Kabel die Module mit dem Motor des Ventils beziehungsweise mit dem Tstat und dem Kabel zur HVAC einfach verbinden.

Neben dem zentralen Mikrocontroller-Board Arduino Pro Mini oder kompatiblen Boards kommen jeweils ein Transceiver sowie eine H-Brücke L9110 mit Dip-Package zum Einsatz. Die H-Brücke steuert den Motor im Ventil und außerdem das Relais 1 im TVC-Modul. Die LEDs dienen nur zur Anzeige und dürfen daher auch fehlen. Sie helfen aber bei einer eventuellen Fehlersuche.

Bevor der Betreiber die Module mit Strom versorgt, also die Batterien einsetzt oder die Arduino-Boards mit einem FTDI-Adapter verbindet, sollte er absolut sorgfältig prüfen, ob der Aufbau der Anlage auch den Plänen entspricht. Kurzschlüsse führen hier sehr schnell zu Frust, also lieber einmal mehr prüfen als weniger.

Software

Nach dem Aufbau flasht er die Arduino-Module mit der Steuersoftware [2]. Dafür verwendet er am besten die Arduino-IDE in einer aktuellen Ausgabe. Version 1.05 ist völlig veraltet und mit diversen Fehlern behaftet, steckt aber bei Ubuntu noch häufig im Repository. Um die Software von der IDE zum Mikrocontroller zu übertragen, benötigt der Bastler außerdem einen USB-FTDI-Adapter. Welchen er nimmt, bleibt ihm überlassen. Er darf sehr simpel sein und benötigt nur die Verbindung der FTDI-Schnittstelle mit RX, TX und DTR für den Reset.

U+ sollte auf 3 Volt einstellbar sein. Sonst muss der Anlagenbauer vor dem erneuten Flashen der Software die anderen Komponenten, die keine 5 Volt vertragen, abklemmen und danach wieder anklemmen. Es wäre eher lästig, auf Fehlersuche gehen zu müssen, weil irgendwas nicht sofort funktioniert.

Die Abbildungen 13 und 14 zeigen die Verbindung des FTDI-Adapters mit dem Pro-Mini-Board. Aufmerksamkeit verdient die gekreuzte Verbindung von TX an RX und RX an TX auf der zweiten Abbildung. Zudem muss der Baumeister den FTDI-Adapter mit einer USB-Schnittstelle seines Computers verbinden und zuvor alle Batteriequellen des TVC-Moduls unbedingt entfernen!

Abbildung 13: Der Nutzer verbindet den Arduino Pro Mini mit einem FTDI-USB-Adapter, um die Software vom Rechner auf den Mikrocontroller zu übertragen.

Abbildung 14: Der Schaltplan zeigt die Verbindung zwischen Pro Mini und FTDI-Adapter.

Bevor er den Code kompiliert, sollte er in der Arduino-IDE noch die Bibliothek für die Module nRF24L01+ installieren. Die finden sich im Internet unter [3]. Anschließend dürften die Befehle für die Transceiver in der IDE bereitstehen.

Es ergibt Sinn, im ersten Schritt das VS-Modul mit dem dafür geeigneten Arduino-Code zu flashen und den FTDI-Adapter danach von diesem Modul zu entfernen. Verbindet der Betreiber dann das Modul mit dem Motor des Ventils und schließt noch eine Batterie an, sollte das VS-Modul bereits funktionieren. Der Einsatz guter Alkali-Batterien ist hier Pflicht, denn Akkus liefern nur 2,4 Volt, während Transceiver stabile 3 Volt benötigen.

Als Nächstes verbindet der Bauleiter den FTDI-Adapter mit dem Pro Mini des TVC-Moduls und flasht ihn ebenfalls mit dem dafür geeigneten Code. Für Testzwecke darf der FTDI-Adapter verbunden bleiben, während er über die Arduino-IDE den Serial-Monitor aufruft und diesen auf 57600 Baud einstellt. Im Serial-Monitor sollten die Verbindungsdaten wie in Abbildung 15 erscheinen.

Abbildung 15: Der Serial-Monitor zeigt Verbindungsdaten und zwei Schaltvorgänge, die das Ventil öffnen und schließen.

Bei jedem Schaltvorgang taucht im Monitor auch eine neue Zeile auf, die folgende drei Werte enthält: Der erste Wert links zeigt die vergangenen Millisekunden seit Start des Monitors. Der »round-trip delay« zeigt die Millisekunden, die es für den drahtlosen Impuls und zurück brauchte. »Angle« steht für den gesetzten Öffnungswinkel-Parameter des Ventils, wobei hier »0« für voll geschlossen und »255« für komplett offen stehen.

Abbildung 15 zeigt eine Impuls-Übertragung von 15 Millisekunden bei beiden Schaltvorgängen. Der erste öffnet das Ventil (»Angle: 255« ), der zweite schließt es 10 Sekunden später (»Angle: 0« ).

Zum Testen empfiehlt es sich, vorerst keine Klimaeinheit und auch keinen Tstat anzuschließen. Das lässt sich nachholen, wenn der Test erfolgreich war. Für diesen genügt es, einfach eine Drahtbrücke an dem Tstat-Anschluss »J1« zwischen »R« und »G« anzuschließen. Nach spätestens etwa 10 Sekunden sollte das Relais 1 hörbar klicken und das Ventil am VS-Modul vollständig öffnen. Entfernt der Betreiber die Drahtbrücke anschließend wieder, muss das Relais 1 wieder klicken und das Ventil am VS-Modul vollständig schließen.

Ungefähr bis zu 10 Sekunden dauert es, weil sich das VS-Modul normalerweise im Tiefschlaf befindet, aus dem es ein Timer etwa alle 8 Sekunden kurz herausreißt. Er testet so, ob überhaupt ein Impuls anliegt, und schont den Batteriestrom. Der Ruhestrom im VS-Modul betrug im Test rund 5 Mikroampere, im TVC-Modul waren es nur rund 2 Mikroampere.

Diese Ströme sind so gering, dass sie im Bereich der Selbstentladeströme von Batterien liegen. Um sie zu erreichen, muss der Anlagenbetreiber allerdings einen kleinen Trick anwenden und jeweils die beiden LEDs (Power und D13) von den Pro-Mini-Boards ablöten. Denn diese ziehen selbst im Schlafmodus einige Milliampere. Das Ablöten empfiehlt sich erst, nachdem alle Testläufe erfolgreich verlaufen sind.

Die komplette Software zum hier beschriebenen Szenario lässt sich direkt so übernehmen, wie sie auf der Webseite des Linux-Magazin [2] steht. Für jedes Raumpaar an Modulen sollte der Betreiber allerdings einen anderen Wert für die Variable »channel« einstellen, voreingestellt ist »55« :

byte const    channel = 55;

Dieser Wert sorgt dafür, dass sich die Module der verschiedenen Räume nicht ins Gehege kommen. Im Beispiel erhält Raum 1 jeweils die »55« , Raum 2 die »44« und so weiter. Je weiter auseinander die Zahlen liegen, desto weniger Funkeinstreuung zwischen den Räumen ist zu befürchten. Theoretisch sollte auch eine Differenz von 1 genügen, aber eine alte Devise lautet “Versuch macht kluch”.

Ist das TVC-Modul erfolgreich getestet, steht einer Verbindung von dort mit den jeweiligen Tstats und auf der anderen Seite mit dem Kabel der HVAC nichts mehr im Wege. Ein erfolgreicher, endgültiger Test nach der kompletten Installation belohnt den frischgebackenen Multizonen-Klimaanlagen-Besitzer mit viel Komfort und Energie-Einsparung.

Er sollte jedoch am Schluss nicht vergessen, die Befehle für den Serial-Monitor (»Serial.begin« und alle »printf« ) wieder aus dem TVC-Code [2] zu entfernen und diesen dann abermals zu flashen, bevor er das TVC-Modul von dem FTDI-Adapter abklemmt und mit einer Batterie verbindet.

Der Autor

Gottfried ist mit der Schwebebahn aufgewachsen. Daher schwebt er als Pilot gerne mit dem Flugzeug über den USA und Europa. Seine Schwerpunkte sind BWL, Management, Banking, IT, SAP, Elektronik, 3-D-Druck und Design. Er lebt in Texas, hat aber noch einen Koffer in Berlin.