WLAN Z21 Aktor- und Sensor-Module der nächsten Generation (NextGen).

Uneingeschränkter Betrieb von mehr als 8 Mo­­dulen im WLAN.

Bei meinen bisherigen auf dem Roco Z21 Ethernet Protokoll basierten WLAN Rück­mel­dern wurde ein Gateway benötigt. Das Gateway spannte ein lokales WLAN Netz mit der SSID „SEN­SOR­NET04“ auf, mit dem sich maxi­mal 8 Sensorknoten ver­binden können. War mehr er­for­der­lich, wurden weitere WLAN-Gate­ways und weitere Sensor­netze (SEN­SOR­NET00 -15) eingerichtet. Das Gateway gab die Informationen der Sensorbaugruppen über WLAN in das PC-, Mo­dell­bahn- oder Haus-Netz weiter.

Als ich dann neulich einige WLAN-Servo­steller für Ran­gier­signale und 3-begrif­fige Sig­na­le in meinen Ho­sen­träger, mei­ne Experimentier-Bahn, integrieren woll­te, war die 8-er Grenze erreicht. Ein wei­te­res Gate­way war keine Option. So kam ich nach einigem Grübeln auf die Idee, ähnlich wie es Märklin bei der CS2 macht, die infrage kommenden Tele­gram­me über Broadcasts ins Netzwerk zu ver­teilen. Sensor- und Ak­tor­module soll­ten sich nicht länger über WLAN an ein Gate­way an­mel­den, sondern sich direkt mit dem WLAN-Router verbinden, an dem auch PC, Tablet, Smartphone und nicht zuletzt auch eine Zentrale mit Z21 Protokoll an­ge­mel­det sind.

Was macht der „Mediator“?

Damit befinden sich alle Komponenten der Modellbahn im selben Netzwerk und kön­nen mit­ein­ander kommunizieren. Leider können aber ein Modell­bahn­steuer­pro­gramm oder eine ent­sprech­ende App nur mit einer Komponente zusammen­ar­bei­ten, meistens nur mit einer Zen­tra­le. Deswegen ist es erforderlich, dass es eine gemeinsame Komponente gibt, in der alle für die Soft­ware erforderlichen Sensor- und Aktor-Daten zusammen­kommen, eine Komponente mit einer IP-Adresse, die sich ebenfalls an denselben WLAN-Router anmeldet.
Diese Komponente, dieses Modul, ich habe es „Mediator“ getauft, erhält von den Sensoren eine Nach­richt, wenn sich der Sensor-Status ändert. Der Mediator gibt diese Nachricht mit seiner IP-Adresse ver­sehen als „Broad­cast“ an alle Netzwerkknoten (PC-Software, App, Zentrale, andere Aktoren und Sen­soren) weiter. PC-Software und App haben die IP-Adresse des Mediators als Zentrale eingetragen und werten die empfangene Sensor-Information aus.
Wollen umgekehrt die Modellbahnsoftware oder die App eine Weiche stellen oder eine Lok be­schleu­ni­gen, senden sie diese Befehle an den Mediator, der diese Befehle ebenfalls als Broad­cast ins Netzwerk verteilt. Die Aktor-Module im WLAN-Netzwerk, welche die im Befehl an­ge­sproch­ene Adresse haben, lesen diese Befehle und führen sie aus. Soll also beispielsweise eine Lok beschleunigt werden, schickt die Software den Fahrbefehl an den Mediator, der ihn als Broadcast an die Z21-kompatible Zentrale (und an die anderen Netzwerkknoten) weiterleitet. Die Zentrale führt den Befehl aus und bestätigt das eben­falls mit einem Broadcast. So sind zu jeder Zeit alle Komponenten im Netzwerk über alle Zustände und Ereignisse der Modellbahn informiert und können – müssen aber nicht – autark reagieren.

Web-Konfiguration für den Mediator

Die Software des Mediators verwendet im Moment einen Broadcast, um ausgehende Meldungen zu verteilen. Durch den Broadcast nimmt der Traffic im WLAN zwar nicht zu, aber die Ar­beit für die Knoten wird etwas umfangreicher, weil alle Nach­rich­ten in allen Knoten gefiltert werden müs­­sen. Da sich die ESP8266 der meisten Knoten ohne nur langweilen, ist das nicht weiter schlimm. Die Verwendung von Multicasts wäre natürlich eleganter.

Die Software des „Mediators“ ist eine Abwandlung der Gateway-Soft­ware. Die „SENSOR­NETXX“ WLANs sind entfallen. Neue, noch nicht konfigurierte, NextGen Module span­nen zunächst ein eigenes WLAN „APXXXX“ auf und die Konfiguration wird mittels Web-Interface unter immer derselben Adresse 192.168.4.1 mit dem altbe­kann­ten Password „NWKONFIG“ durchge­führt. Es existieren also noch Paral­lelen mit der Vorgänger­version. Alle Module, die Sen­soren, wie auch der Mediator, mel­den sich an den Modell­bahn-WLAN-Router an. Des­we­gen muss für jeden Knoten nun der Name, die SSID, des verwen­deten WLAN-Routers und das dazu­ge­hörige Netzwerk-Passwort eingetragen werden.

Folgende Sensor- und Aktor-Module werden bereits nach diesem neuen Schema betrieben:

  • S88 Scanner mit ESP32 (Hardwarebeschreibung)
  • RFID Leser für Lok Code ID und Aufgleisrichting (1 Kanal)
  • RFID Leser für Lok Code (ID) (2 Kanäle)
  • WLAN 2- oder 4-Bit Massesensor oder 2-Bit Stromsensor auf der Basis Wemos D1 Mini (aus der Zeitung „Dimo“)
  • WLAN 8 und 16-fach Massesensor
  • Servosteller für 2- oder 3-begriffige Viessmann Formsignale (1 oder 2 Stelldrähte) oder Servos mit bis zu 8 Positionen.
  • RMEM2xI WLAN 2 Bit Strom- oder Massesensor zum Einbau in das C-Gleis
  • RMEM2xM WLAN 2- oder 4-Bit Massemelder zum Einbau in Märklin C-Kontaktgleise
  • Relaismodul mit 8 Relais zum Schalten von Weichen-Herzstücke (automatisch gekoppelt mit dem Servodecoder) oder als 8 unabhängige Ausgäbge bzw. 4 Ausgangspaare.
  • WLAN zubehör-Decoder ähnlich WDecN-TN

und natürlich gibt es den „Mediator“.

Alle Module verwenden die, für das Vor­gänger­projekt definierte und bereits gebaute, Hardware. Es muss also hardware­tech­nisch nichts geändert werden. Der Umstieg auf die NextGen Platt­form ist deswegen eine reine Firmware-Ange­le­gen­heit.

Verbessertes Web-Interface

Hauptmenü des 2- oder 4-Bit
Rückmeldemoduls

Ganz ehrlich, ich habe bei einer Tasmota gesteuerten WLAN Steckdose gesehen, wie elegant und kom­for­­tabel man ein IOT Gerät konfigurieren kann. Vor allem sehen jetzt dort die Menüs auf dem Handy genau­so aus, wie auf einem PC-Bild­schirm. Diese fehlende Anpassung war ein Manko der Webseiten der ersten Generation, das nun bei den Geräten der zweiten Generation (NextGen) behoben ist. Hier einige Screenshots (vom 5.3.2024) am Beispiel des 2- bzw. 4-Bit WLAN Rückmelde­mo­duls.

Das Konfigurationsmenü für die Anmeldung
an den WLAN Router.

Die meisten Module verfügen über CVs, Configuration Variables, die in der NG Variante aus­nahms­los auch über die Web­sei­te ver­ändert werden können.

Die Konfigurationsvariablen erlauben u.a.
die Einstellung von Rückmeldeadressen,
die Auswahl des Protokolls, die Aktivierung
des Debuggings oder die Einstellung der
Filterzeiten.

Dann gibt es noch eine Seite mit all­ge­mei­nen Infor­ma­tionen des Moduls, wie z. B. Software-Stand, aktuelle IP-Adresse oder die Mac-ID.

Eine letzte Webseite zeigt die gemachten
Einstellungen und hilft bei der Inbetriebnahme,
indem sie den aktuellen Zustand der
Rückmelder in Echtzeit anzeigt.

Mit der Einführung dieser Konfigurations-Webseiten ist die Verwendung der WLAN-Module der NextGen weni­ger als bisher auf Rocrail als Modellbahnsteuerprogramm fo­kus­siert (z. B. wegen der CV Än­de­run­gen mittels „POM“). Die Eingaben für die Konfiguration des WLAN sind we­niger und einfacher geworden und erfordern keinen IT-Spezialisten mehr. Eine Kontext-Hilfe in Deutsch gibt für die meisten Ein­stel­lun­gen eine Erklärung, so dass die mühsame Lekture eines Handbuches entfällt. Die Kontext-Hilfe ist eine Textdatei, so dass auch Versionen in einer anderen als der deutschen Sprache erstellt werden können.

Ein NextGen 4-Bit WLAN Rückmelder
Der selbe Rückmelder ohne Deckel. Die passiven Komponenten befinden sich
unter dem Wemos D1 mini.

Weniger WLAN

Bei der ersten Generation der WLAN Ak­toren und Sen­so­ren hat jedes Modul ein eigenes WLAN (einen Ac­cess Point) auf­gespannt. So hat es nach kurzer Zeit von WLAN-Netzen mit dem Na­men „APXXXX“ nur so gewimmelt. XXXX stand dabei für die 4-stellige Netz­werk­ken­nung „NID“ der Module. Bei den NextGen Mo­du­len wer­den die Access-Points nach erfolg­rei­cher An­meldung an den WLAN-Router abge­schal­tet und die webbasierte Konfigu­ra­tions-Ober­fläche ist danach nur über die vom Router im DHCP-Verfahren verge­be­ne IP-Adresse er­reich­bar. PC und /oder Smartphone müssen dazu natürlich mit dem WLAN des Routers ver­bunden sein (wer­den).

Bei neuen, noch „jungfräulichen“ Modu­len greift zu­nächst die alte Methode: Es wird nach dem Flashen und erstmaligen Einschalten des WLAN Moduls einen Access Point mit dem Namen APXXXX auf­ge­macht. Wenn man sich hier mit Smartphone oder PC einloggt, das Passwort „NWKONFIG“ eingibt und nach erfolgter Anmeldung die Adresse 192.168.4.1 in den Browser eintippt, er­scheint die weiter oben ge­zeig­te Web-Seite. Hat man alle erfor­der­­lichen Eingaben gemacht und mit „Save Settings“ gespeichert, verliert der Brow­ser die Ver­bin­dung zum Modul. Vorher hat man natür­lich die 4-stellige NID und eventuell auch die MAC-ID auf das Modul notiert.

Richtet man Windows 10 entsprechend ein, kann man auch über den Hostnamen auf die Konfi­gu­ra­tions­seiten zugreifen. Im Screenshot weiter oben sieht man, dass der Zugriff über „AP0292“ erfolgte. Bei meinem Windows 10 musste dafür in der Regis­try folgende Änderung gemacht werden:

HKEY_LOCAL_MACHINE\SOFTWARE\Policies\Microsoft\Windows NT\DNSClient: EnableMulticast kriegt den Wert 1:

Danach wird der Rechner neu gestartet. Dienste wie Bonjour sind nicht erforder­lich.

Der Aufruf der Webseite geht z. B. mit http://AP2637/ oder aber auch mit http://AP2637.local/. Man kann auch das http:// weglassen, dann fragt der Browser, ob man die Seite http://AP2637/ gemeint hat. Schön!! Leider funktioniert das mit einem Android Handy nicht.

Der Browser fragt, ob der User http://ap1204/ gemeint hat.

Andersherum, wenn man nur den Hostnamen kennt, verrät ein Ping die zugehörige IP-Adresse:

Mit der Eingabeaufforderung und dem Befehl „Ping“ kriegt man die Adresse des APXXXX heraus.

Reichweite

War bei der ersten Generation von WLAN Rückmeldemodulen, die Reichweite auf die Reich­weite des Access Points im ESP8266 Gateways begrenzt, ist es nun bei den Modulen der zweiten Generation auf die Reichweite des WLAN-Routers begrenzt. Mit den rich­tigen An­ten­nen, Repeatern oder Ver­stär­kern hat das WLAN eine raumübergreifende oder gar gebäude­­über­grei­fen­de Reich­­weite. Deswegen können jetzt mit den NextGen Modulen auch weit aus­gedehnte Tisch- und Teppichbahnen drahtlos automatisiert werden. Ein limitierender Faktor ist leider noch die Anzahl von WLAN-Clients, die von den WLAN-Routern akzeptiert werden. Mein TP-Link 841N macht bei 30 Clients dicht und die alte FritzBox 7270 V3 akzeptiert zwar bis zu 40+ Clients, macht aber nach längerem Betrieb Mucken und will neu gestartet werden. Man kann natürlich die Last auf 2 Routern aufteilen oder die Anzahl Knoten reduzieren, indem man 2 4-Fach-Rückmeldemodulen durch 8-Bit Modulen oder 2 8-Bit Module durch ein 16-Bit Modul ersetzt.

Zum Schluss

Zusammenfassung der Vorteile:

  • Das System wird wie eine Z21 Zentrale in der Modellbahnsoftware angelegt.
  • Keine Beschränkung mehr auf 8 Sensor- und/oder Aktormodule pro Gateway/Mediator
  • Quasi unbegrenzte Reichweite für die Sensor- und Aktormodule
  • Einfachere WLAN Konfiguration – für alle Module gleich
  • Keine ‚Sensorgruppen‘ mehr, keine unterschiedlichen WLAN-Netze für unterschiedliche Gruppen
  • Weniger aktive WLAN Netze (weniger Elektro-Smog)
  • OTA Übertragung neuer Firmware – kein Ausbau der Module erforderlich
  • Komplett über Web-Interface konfigurierbar
  • Web-Interface ist für Smartphone und PC gleichermaßen geeignet

Erste Versuche: Einige von meinen Le­sern werden schon die erste Genera­tion der Z21 WLAN Rückmelder im Einsatz haben. Nur durch Laden der unten aufge­führten Firmware in die beste­hen­den Module, können die neuen NextGen Eigenschaften genutzt werden.

Nachbau der NextGen Module
Z21 Mediator Firmware (Version 1.10 vom 09.03.2024)
Kurzanleitung Z21 Mediator (Version 1.03 vom 15.07.2023)
Firmware für den 2- oder 4-Bit WLAN Rückmelder (Version 1.04 vom 15.08.2023)
Firmware für den 8-Bit WLAN Rückmelder (aktuelle Version 1.01 vom 15.07.2023)
Firmware für den S88 Scanner (ESP32, aktuelle Version 1.03 vom 15.07.2023)
Firmware für den RFID Leser Code & Aufgleisrichtung (aktuelle Version 1.02 vom 12.07.2023)
Firmware für den RFID Leser 2 x Loc Code (aktuelle Version 1.03 vom 14.07.2023)
Firmware für den RMEM2xI Rückmelder im C-Gleis (Version 1.02 vom 15.07.2023)
Firmware für den Servosteller (Version 1.04 vom 15.07.2023)
Firmware zum Löschen des Flash Speichers (4MB 0xFF)
Das Firmware Flashtool für die NodeMCU Entwicklungsmodule (ESP8266Flasher)
Vorläufige Bedienungsanleitung für die NextGen Module

© 2021 – 2024 Gerard Clemens – Letzte Aktualisierung 26.11.2024