Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Entwicklung einer funk-steuerbaren RGB-LED-Außenbeleuchtung


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von Bastian M. (spatz)


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Hallo allerseits,

in diesem Thread soll es um eine batteriebetriebene, funkgesteuerte 
LED-Beleuchtung für den Außenbereich gehen.
Ich möchte das System mit eurer Hilfe entwickeln und die Entwicklung 
hier dokumentieren.

Zuerst ein paar Worte zu mir: Ich heiße Bastian, bin 28 Jahre alt und 
arbeite in Hamburg im sozialen Bereich, nebenher bin ich auch noch DJ im 
Bereich Elektronischer Tanzmusik und veranstalte Parties mit meiner 
Crew.
Hobbymäßig entwickele ich Lautsprecher selber und bin auch allgemein 
technisch interessiert, aber gerade im Bereich Mikroelektronik noch 
nicht so bewandert, so dass ich hier und da sicher die eine oder andere 
Hilfestellung benötige.
Dennoch kann ich löten, und habe auch gewisse Grundkenntnisse, weiss 
also z. B. warum vor eine LED ein R oder eine Konstantstromquelle muss, 
warum die Konstantstromquelle normalerweise besser ist, etc. Ich fange 
also nicht vollkommen bei Null an. Außerdem habe ich Bock, mich in die 
einzelnen Themen (Arduino-Programmierung etc.) einzuarbeiten.

*Doch nun zum Projekt:*

Wichtig ist es sicher erstmal, zu klären, warum ich das ganze entwickeln 
möchte, und was es können soll.
Zum Warum: Gerade im Sommer werden im Hamburger Umland oftmals 
Technoparties im Freien veranstaltet. Das ganze ist oft, um es mal 
vorsichtig auszudrücken, "improvisiert", gerade was die technische Seite 
des Ganzen angeht. Oft teilen sich die Musikanlage, das Licht, und die 
Getränkekühlung (wenn es eine gibt) einen einzigen Generator. Je nachdem 
wie der dimensioniert ist, kommt es im Laufe einer Party zu einem oder 
mehreren Stromausfällen, bei denen dann nicht nur die Musik ausgeht, 
sondern es auch noch schlagartig dunkel wird.
Um das zu verhindern, und um die Stromversorgung zu entlasten, hatte ich 
die Idee, das Licht über Akkus, um genau zu sein über Autobatterien 
laufen zu lassen. Damit das ganze dann nicht nur statisches Licht ist, 
soll es mit RGB(W)-LEDs realisiert werden, die sich auch noch extern 
steuern lassen, und das mit möglichst wenig Kabeln. Achja, wenn das Ding 
dazu auch noch einen Regenschauer übersteht, wäre das der Knaller...
Außerdem soll das ganze durch die modulare Bauweise auch noch 
transportabel sein, d h. das ganze System soll ohne Batterien und 
Lampenschirme in einen Umzugskarton passen, und damit einfacher zu 
transportieren sein, als die gleiche Anzahl an PAR-Scheinwerfern.

*Was soll das ganze also können:*

Entwickelt werden sollen zum einen die Leuchtmittel, und zum anderen das 
Steuermodul.
Die Leuchtmittel erhälten ihre Signale über Funk vom Steuermodul, sind 
aber auch mit eingeschränktem Funktionsumfang alleine lauffähig.
Die Leuchtmittel sind ausreichend hell, um im Dunkeln / in der Dämmerung 
farbiges Licht zu erzeugen, ich vermute 4 3-Watt-RGBW-LEDs sollten 
ausreichen.
An den Leuchtmitteln selber lässt sich der Betriebsmodus (Standalone in 
verschiedenen Modi oder Funksteuerung) und die Adresse des Leuchtmittels 
einstellen.
Die Leuchtmittel laufen über eine externe Energieversorgung mit 12V.
Das Steuermodul enthält einen µController, der den Leuchtmitteln über 
Funk mitteilt, wann diese in welcher Farbe zu leuchten haben.
Dabei kann das Steuermodul entweder vollautomatisch verschiedene 
Programme durchlaufen oder der Benutzer kann mit Knöpfen in das Programm 
eingreifen, um bestimmte Lichteffekte zu bestimmten Zeitpunkten zu 
erzeugen (z. B. alle rot, alle aus, alle Strobo etc.). Dies soll dem DJ 
(oder jemand anderem) die Möglichkeit geben, bestimmte Stellen in der 
Musik mit passendem Licht zu begleiten, ohne dass große Vorkenntnisse 
oder Vorbereitungen im Programm notwendig sind.
Eine tolle Ergänzung wäre es, wenn man auch noch über MIDI oder DMX 
eingreifen könnte.

*Wie ich mir das ganze vorgestellt habe:*

Wie oben schon erwähnt, bin ich kein Experte, deswegen sind die 
folgenden Überlegungen erstmal ein erster Anhaltspunkt und können sich 
natürlich noch ändern.
Fangen wir bei den Leuchtmitteln an:
Hierbei dachte ich daran, als Basis für die Leuchtmittel ein 
Alu-Vierkantrohr in passender Länge zu wählen.
Auf die Außenseite werden die LEDs montiert, und zwar so, dass das 
Alurohr gleichzeitig als Kühlkörper für die LEDs dienen kann. Pro Seite 
sollen, je nach Helligkeit, eine oder zwei LEDs zum Einsatz kommen, also 
insgesamt pro Leuchtmittel 4-8 LEDs. Als Diffusor für das Licht kommt 
noch ein rundes, transparentes aber mattes Acrylrohr außen rum.
Die restliche Elektronik kommt ins Innere des Alurohrs, so ist es gleich 
mechanisch geschützt.
Ans obere Ende des Rohrs kommt ein Deckel, in dem zwei Schraubanschlüsse 
(Lautsprecherklemmen) an die Spannungsversorgung (12V über 
Lautsprecherkabel) angeschlossen werden.
Die Elektronik besteht aus:
- ein Spannungswandler, der die 12V auf die Betriebsspannungen für die 
anderen Geräte herunterregelt (falls das notwendig ist)
- ein günstiger Arduino Nano Clone, der die Funksignale mittels eines 
433MHz-Receivers empfängt und die LEDs steuert
- eine oder mehrere LED-Treiber / Konstantstromquellen, die die LEDs 
antreiben
- einem 8-Pin-DIP-Schalter, von denen 2 Pins den Betriebsmodus auswählen 
(Funk, Statisch, Farbwechsel schrittweise, Farbwechsel kontinuierlich), 
und 6 Pins die Adresse der Lampe definieren (also bis zu 64 verschiedene 
Lampen)
- 2 zusätzliche Potis, um z. B. in einem bestimmten Betriebsmodus noch 
die Farbe (statisch), die Geschwindigkeit (Farbwechsel) oder die 
Helligkeit ändern zu können

Die Leuchtmittel können dann z. B. in Lampenschirme wie IKEA Regolit 
(die Papierkugeln) gehängt werden. Diese können dann entweder an Bäumen 
aufgehängt werden, hintereinander an einer Leine befestigt werden, oder 
auch an einem Pfahl gebündelt frei aufgestellt werden.

Das Steuermodul enthält einen Arduino mit einem 433-MHz-Sender, die 
Reichweite sollte dabei wenn möglich bei ca. 100m im freien liegen. 
Außerdem enthält das Steuermodul Knöpfe und Potis, um das Programm 
steuern zu können. Ideal wäre wie gesagt noch ein Eingang per MIDI oder 
DMX, oder bei Anschluss per USB an einen PC die Möglichkeit, das ganze 
per PC steuern zu können.

*Entwicklung/Realisierung:*

Ich denke, dass es am meisten Sinn ergibt, mit der Entwicklung der 
Leuchtmittel anzufangen, und diese Anfangs im Standalone-Modus zu 
betreiben. Wenn das funktioniert, kann man sich an eine externe 
Steuerung wagen, aber erstmal nicht per störanfälligem Funk, sondern 
direkt per Kabelanschluss über einen weiteren Arduino. Dabei soll der 
sendende Arduino auch noch keine richtiges Programm (im Sinne von Blink 
Blink) laufen lassen, sondern erstmal nur einzelne Farben an oder aus 
schalten.

Wenn die Leuchtmittel fertig sind, und so tun, wie sie sollen, wäre es 
an der Zeit, ein Funkprotokoll zu entwickeln, mit dem sich einzelne 
Lampen zu bestimmten Zeitpunkten in bestimmten Farben ansteuern lassen. 
Potentielle Probleme sehe ich hier vor allem beim Timing (z. B. bei 
Stroboskop-Effekten), bei der Übertragungssicherheit und bei der 
Datenrate. Dies müsste alles im Funkprotokoll berücksichtigt werden, 
indem z. B. jede Lampe ihren eigenen Takt hat, der sich nur gelegentlich 
mit dem Steuersignal synchronisiert.

Wenn die Steuerung über Funk stabil läuft, wäre es an der Zeit, ein 
Programm für das Steuermodul zu entwickeln, das verschiedene 
Betriebsmodi bietet, und den Benutzer über Knöpfe und Regler eingreifen 
lässt.

Der letzte Schritt wäre es dann, eine Ansteuerung über MIDI, DMX oder 
USB zu ermöglichen, oder über ein externes Mikrofon den Takt der Musik 
erkennen zu lassen.

Nun ist die Frage, welche Module/Bauteile ich verwenden kann. Ich habe 
leider keinen Überblick darüber, was aktuell so am Markt verfügbar ist, 
so dass ich hier auch auf eure Hilfe angewiesen bin. Da das ganze nur 
ein Hobbyprojekt ist, sollten die Kosten auch so günstig wie möglich 
gehalten werden. 15-20 € für ein Leuchtmittel sind das Ziel...

Als Hauptplatine für die Leuchtmittel habe ich einen Arduino Nano Clone 
anvisiert, die sind mit unter 3 € aus China recht günstig und sollten 
auch mit 12V laufen. Ich vermute mal, dass Speicher und Rechenleistung 
für die geforderte Aufgabe ausreichen sollten.
Dazu gibt es ja passende 433-MHz-Empfänger, die sich einfach integrieren 
lassen.
Als LEDs wollte ich RGBW-LEDs mit 12 W verwenden, ich denke mal, dann 
sollten 4 LEDs pro Leuchtmittel ausreichen. Die zusätzliche weiße LED 
wäre nützlich, um bei Stroboskopeffekten noch ein bisschen zusätzliche 
Power zu haben.
Dann fehlt noch eine Platine, um die LEDs anzutreiben. Welche Platinen 
gibt es, die mit 12V laufen und 12 Watt bzw. 24 oder 48 Watt liefern 
können? Oder wie realisiert man diesen Teil der Schaltung am besten? Ich 
finde zwar viele ICs für diesen Zweck, aber wenig konkrete 
Schaltungen... Die Kanäle mit PWM am Arduino sollten ja ausreichen, 
ebenso die 12 GPIO und die 8 analogen Eingänge.

Beim Steuermodul/Sender wäre ja der technische Aufbau nicht so schwer, 
hier ist der Programmieraufwand wohl der größere Part. Ein paar Knöpfe, 
ein paar Potis und ein Mikro sollten ja schnell integriert sein, und 
auch DMX/Midi sollte sich ja irgendwie machen lassen.

Bei der Funkübertragung gäbe es denke ich zwei Varianten: Bei der ersten 
sendet der Sender kontinuierlich die Adressen und Werte für jedes 
Leuchmittel einzeln, als 
#000R000G255B000W000-#001R255G000B000W000-#000R000GB255W000 usw. Das 
stelle ich mir allerdings recht fehleranfällig vor, da so immer relativ 
lange Datenpakete fehlerfrei übertragen werden müssen, auch ist dann die 
Synchronisation bei Strobo schwierig (oder man kann ein Paket an mehrere 
Leuchtmittel senden), und wenn mal ein Paket verloren geht, ist die Zeit 
bis ein neues Paket kommt relativ lang.
Deswegen wäre vielleicht Variante zwei Sinnvoller: jedes Leuchtmittel 
hat einen eigenen Counter, der intern z. B. pro Millisekunde um 1 erhöht 
wird. Dieser Counter wird regelmäßig (z. B. 1x/Sekunde) vom Steuermodul 
mit einem Signal auf 0 gesetzt. Auf diese Weise laufen schonmal alle 
Leuchtmittel syncron. Die Steuerdaten, die übertragen werden, steuern 
dabei nicht direkt die Werte der LEDs, sondern sind eher Anweisungen 
wie: "Schalte W alle 10 ms an, und dann 20 ms aus, bis neue Daten 
eintreffen" "Gehe wieder in normalen Blinkmodus über" etc. Diese 
Variante dürfte zwar deutlich aufwendiger in der Programmierung sein, 
aber auch wesentlich sauberer und sicherer in der Praxis.
Oder unterschätze ich da die Fähigkeiten von 433 MHz?

Wie gesagt, die Sache mit dem Funk soll erst später kommen, ich wollte 
nur mal zeigen, dass ich mir schon Gedanken gemacht habe.

Losgehen soll es jetzt erstmal mit den Leuchtmitteln... Wer kann dazu 
was sagen?

Grüße!

von Marc V. (Firma: Vescomp) (logarithmus)


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Gyler D. schrieb:
> Losgehen soll es jetzt erstmal mit den Leuchtmitteln... Wer kann dazu
> was sagen?

 Bei AliExpress gibt es 3W RGBW in 10-er Pack fur etwa 10-11Euro.

 Mit der Kühlung wird es nicht so einfach sein, wie du dir das denkst,
 mit Regenschauer (ich denke, das ist IP65) auch nicht.
 Und beides zusammen verträgt sich auch nicht so gut, zumindest ist da
 nix mit vierkant und Rohr drumherum, da muss man schon ein bisschen
 darüber nachdenken.

 Oder sich mit etwa 3 LEDs auf 1/2 Meter begnügen...

von waflija (Gast)


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Eine andere Alternative wäre einfach flache RGB-PARS mit Akku, sowas 
gibt es ab 70€ / 30W oder mehr. Da ist dann auch schon Wireless und Akku 
DMX mit drin. (was in jedem Fall der Standard der Wahl wäre) - da passen 
auch 10 Stk in eine Umzugskiste.

Ansonsten meine etwas einfachere Version:

Lautsprecherklemmen würde ich nicht nehmen, nimm einen richtigen, 
robusten Stecker. (z.B. aus dem Modelbau, Bühnentechnik oder Industrie)

LED-Treiber (Konstantstromqullen) gibt es bei Ebay sehr günstig schon 
fertig mit 5-36V bei 700mA und DMX (z.B. 272439008168) Da kannst du 
einfach bis zu 10 LEDs in Serie dranhängen.

passend dazu ein W-DMX modul wie 272439286758

+ Ein Akkupack mit der entsprechen Spannung und genug Kapazität 
(Watt/Stunden also nimmst du die Watt die die LED verbrauchen und 
multiplizierst mit den Stunden die es halten soll. z.B. 50W über 10 
Stunden => 500W/h Kapazität.)

Deine 20€ werden allerdings gerade mal für den Akku reichen.

Der Arduino braucht in jedem Fall auch eine entsprechende Endstufe, den 
direkt kann der weder die nötige Spannung, noch die Ströme steuern.

von Bastian M. (spatz)


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@ Marc:

Wie schaut denn eine angemessene Kühlung für so eine LED aus?
Wäre es sinnvoller, auf schwächere LEDs umzusteigen? Ich mache mir 
Sorgen, dass es dann mit der Helligkeit nicht mehr ausreicht.
Im normalen Betriebsmodus werden aber auch nicht alle LEDs gleichzeitig 
auf voller Leistung laufen, sondern höchstens 2 Farben, so dass 
normalerweise keine 12 Watt gekühlt werden müssen, sondern eher 6 Watt. 
Je nach Design könnte man ja auch noch einen kleinen Lüfter einbauen...

Das das mit dem Spritzwasserschutz nicht so einfach wird, habe ich schon 
vermutet, aber mit dem richtigen Gehäuse sollte das möglich sein, oder?

@ Waflija:

Danke für den Hinweis mit den DMX-LED-Treibern und den 
Wireless-DMX-Modulen!
Wenn ich das richtig sehe, würde dieses Board: 
Ebay-Artikel Nr. 172172083315 
zusammen mit dem von dir vorgeschlagenen Wireless-DMX-Receiver in der 
Lage sein, 3 12W-RGBW-LEDs anzutreiben, mit einer Ansteuerung über Funk 
(ist das Modul als Sender und Empfänger verwendbar?), und ansonsten 
bräuchte man nur noch die Spannungsversorgung, oder? Oder wäre es 
besser, mehrere kleine LEDs zu nehmen?

von Dieter F. (Gast)


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https://soundcloud.com/gylerdurden

So ganz privat schaut das irgendwie nicht aus ...
Bist Du das? Vom Alter her passt es - oder?

von Bastian M. (spatz)


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Dieter F. schrieb:
> https://soundcloud.com/gylerdurden
>
> So ganz privat schaut das irgendwie nicht aus ...
> Bist Du das? Vom Alter her passt es - oder?

Ja, das bin ich. Warum fragst du?

Mit dem Projekt hier verfolge ich kein kommerzielles Interesse. Auch die 
von uns veranstalteten Parties haben nur das Ziel, sich selbst zu 
finanzieren, Überschüsse werden normalerweise gespendet, oder als 
Rücklagen in der Crewkasse behalten. Bei den drei Parties, deren Sets 
ich auf Soundcloud hochgeladen habe, habe ich jeweils keinen Cent Gage 
bekommen, und auch insgesamt bekomme ich wenn dann eher Fahrtkosten 
erstattet, so dass es nicht mal ausreichen würde, mein Equipment zu 
bezahlen, geschweige denn die Musik.
Zum Geld verdienen habe ich auch noch eine richtige Arbeit, siehe oben.

Also doch, es ist ein Hobby, und damit auch privat... Auch was ich hier 
vorhabe zu bauen zahle ich erstmal aus eigener Tasche.

: Bearbeitet durch User
von waflija (Gast)


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Bastian M. schrieb:
> @ Marc:
>
> Wie schaut denn eine angemessene Kühlung für so eine LED aus?
> Wäre es sinnvoller, auf schwächere LEDs umzusteigen? Ich mache mir
> Sorgen, dass es dann mit der Helligkeit nicht mehr ausreicht.
> Im normalen Betriebsmodus werden aber auch nicht alle LEDs gleichzeitig
> auf voller Leistung laufen, sondern höchstens 2 Farben, so dass
> normalerweise keine 12 Watt gekühlt werden müssen, sondern eher 6 Watt.
> Je nach Design könnte man ja auch noch einen kleinen Lüfter einbauen...
>
> Das das mit dem Spritzwasserschutz nicht so einfach wird, habe ich schon
> vermutet, aber mit dem richtigen Gehäuse sollte das möglich sein, oder?

Ideal ist es wenn der Kühlkörper die maximale Leistung abführen kann. Im 
Ende ist wichtig, dass die LED am PIN bzw. speziellen Messpad nicht über 
80°C warm wird.

> @ Waflija:
>
> Danke für den Hinweis mit den DMX-LED-Treibern und den
> Wireless-DMX-Modulen!
> Wenn ich das richtig sehe, würde dieses Board:
> Ebay-Artikel Nr. 172172083315
> zusammen mit dem von dir vorgeschlagenen Wireless-DMX-Receiver in der
> Lage sein, 3 12W-RGBW-LEDs anzutreiben, mit einer Ansteuerung über Funk
> (ist das Modul als Sender und Empfänger verwendbar?), und ansonsten
> bräuchte man nur noch die Spannungsversorgung, oder? Oder wäre es
> besser, mehrere kleine LEDs zu nehmen?

Jein. Du musst schauen welche Spannung die LED bei 600mA braucht. Dort 
nimmst du am besten das maximum und rechnest dann per Spannung U * Strom 
I = Watt die Leistung aus. Bzw. Die Spannung in Serie darf die maximale 
Spannung des Steuergerätes nicht übersteigen. Außerdem musst du noch 
etwas Luft lassen, denn der Akku hat "leer" weniger Spannung als "voll". 
Ein Blei-Gel 24V Akku bewegt sich von ca. 18V-26V je nach Füllstand. bei 
den meisten Ebay-Steuergeräten muss die Ausgangsspannung über 
Eingangsspannung liegen. Daher solltest du mit max. 18V planen. sprich 
max. 5 LEDs in Serie.

Kleinere LEDs hätten den Vorteil, dass sie einfacherer zu kühlen sind. 
Fläche hast du ja auf nem Vierkantrohr genug und zeit ist Arbeitszeit 
ist wahrscheinlich auch kein Problem ;)

Spontan würden mit für deine Idee RGB+W Stripes einfallen. Dafür 
brauchst du auch "nur" 12V Steuergeräte mit DMX, die sind nochmal 
günstiger.

Ob die W-DMX Stecker auch senden können weiß ich nicht, aber einfache 
Sender sind auch günstig zu finden. Wenn du alles an ein OpenDMX 
USB-Interface für 70€ klemmst, kannst das ganze direkt vom Laptop 
steuern.

von Bastian M. (spatz)


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Soo, dank ihrer Hilfe bin ich jetzt auf folgendem Stand:

Fast alles von mir oben geschriebene wird verworfen, und dient jetzt nur 
noch der Suchfunktion und Google... :-)

Stattdessen würde ich das jetzt folgendermaßen machen:

An Elektronik wird es ein 4-Channel-LED-Driver mit DMX-Eingang (ca. 5 
Euro)
Ebay-Artikel Nr. 172172083315, 
ein DMX-Funkempfänger (der übrigens laut Beschreibung auch senden kann) 
(ca. 9 Euro) 
Ebay-Artikel Nr. 142088948974 
und ein Spannungsregler, der die 5V für den Funkempfänger bereitstellt 
(ca. 1 Euro) 
Ebay-Artikel Nr. 401269171546.
Das ganze kommt in ein Rohr aus Plastik oder Alu, an den oberen Deckel 
befestige ich eine Öse zum Aufhängen, einen Anschluss für die 
Eingangsspannung (12V) und die Antenne.
Durch den unteren Deckel führe ich abgedichtet die Anschlusskabel für 
einen LED-Streifen mit RGB-LEDs als 5050 und weißen LEDs als 2835 in 
wasserdichter Ausführung (IP67) 
Ebay-Artikel Nr. 331905232608. 
Bei 60 LEDs jeder Sorte pro Meter, einen Rohrdurchmesser von 40 mm und 
einer Rohrlänge von 10 cm komme ich so grob auf 36 LEDs jeder Sorte pro 
Lampe, oder einer maximalen Leistung von ca. 12 Watt. Schafft das der 
Treiber mit 12V Eingangsspannung?
Auch die Abwärme sollte jetzt kein Problem mehr sein, oder?

Den DMX-Sender kann man dann entweder an ein DMX-Interface anschließen 
und über einen PC bedienen, oder an einen Arduino mit einfacherer 
Steuerung, denn auf Arduino habe ich trotzdem Bock...

von c-hater (Gast)


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Bastian M. schrieb:

> Hierbei dachte ich daran, als Basis für die Leuchtmittel ein
> Alu-Vierkantrohr in passender Länge zu wählen.
> Auf die Außenseite werden die LEDs montiert, und zwar so, dass das
> Alurohr gleichzeitig als Kühlkörper für die LEDs dienen kann. Pro Seite
> sollen, je nach Helligkeit, eine oder zwei LEDs zum Einsatz kommen, also
> insgesamt pro Leuchtmittel 4-8 LEDs. Als Diffusor für das Licht kommt
> noch ein rundes, transparentes aber mattes Acrylrohr außen rum.

Das ist komplette Scheisse. Das Alu-Profil kann seiner Aufgabe als 
Kühlkörper nicht gerecht werden, wenn es in einem Käfig aus Acryl 
eingesperrt ist. Dann heizt es im Wesentlichen nur das Luftvolumen 
innerhalb des Acrylrohrs auf, denn Acryl ist ein schlechter Wärmeleiter 
und Konvektion kann nur innerhalb des Rohrs stattfinden. Das 
eingeschlossene Luftvolumen ist nur klein und hat nur eine sehr geringe 
Wärmekapazität->der schnelle Wärmetod für die LEDs ist vorprogrammiert.

Merke: Kühlung bedeutet nicht nur, die Wärme weg vom Bauelement zu 
bekommen, sondern immer auch, sie irgendwohin abzugeben!

von Bastian M. (spatz)


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@ c-hater:

Ich habe nirgends geschrieben, dass das Acrylrohr an den Enden 
geschlossen sein sollte, stattdessen hätte das Acrylrohr neben dem 
Effekt, das Licht zu diffundieren auch noch einen Kamineffekt, die 
Kühlung wäre also vermutlich sogar ein ganz kleines bisschen besser als 
ohne Rohr...

Aber inzwischen bin ich ja eh davon abgekommen...

: Bearbeitet durch User

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