Weichensteuerung für Modelleisenbahn mit Arduino, Raspberry Pi und MQTT Server

[Julius M. (juliusmerseburger)]

Ich arbeite momentan an meinem ersten "größeren" 
Software/Hardware-Projekt und möchte diesen Foreneintrag nutzen um 
dieses Projekt vorzustellen und eventuell Kritik, Anregungen und 
Ratschläge dazu zu erhalten.

Für eine in Modulbauweise konstruierte Modelleisenbahn möchte ich eine 
intelligente Weichensteuerung erstellen und diese soll grob umrissen wie 
folgt funktionieren:

-auf einem Schaltpult ist der Plan des Bahnhofs aufgedruckt
-jeweils an allen Ein/Ausfahrten gibt es einen Start-Taster und an jedem 
Gleis gibt es ebenso einen Zieltaster
-unter jedem Modul des Bahnhofs befindet sich ein Arduino mit Ethernet 
Shield
-an diese Arduinos ist jeweils ein PCA9685 PWM Servo Controller 
angeschlossen
-dieser Servocontroller steuert logischerweise Servomotoren welche 
schlussendlich das eigentliche Stellen der Weichen übernehmen
-ein Raspberry Pi soll die Tastendrücke aufnehmen und wenn eine richtige 
Kombination aus Start-Zieltaster gedrückt wurde nacheinander ein Signal 
an einen MQTT-Broker, welcher auf selbigem Raspberry Pi läuft, schicken 
um die entsprechenden Weichen zu stellen
-die Arduinos sind über einen Switch mit dem Raspberry verbunden und 
reagieren auf die entsprechenden Steuer-Anweisungen und geben eine 
Rückmeldung sobald der Befehl ausgeführt wurde

Aktueller Stand des Ganzen ist, ich habe den MQTT Broker zum laufen 
gebracht und auf dem Arduino bereits einen laufenden Code der sich in 
dem Mini-Netzwerk anmeldet, mit dem MQTT-Broker verbindet, im Code 
vorgegebene Themen abonniert und auf eingehende Nachrichten reagiert. 
Ich arbeite gerade daran den Code lesbarer und "hübscher" zu gestalten, 
genauer gesagt versuche ich den Arduino-Code objektorientierter 
umzusetzen, und den PWM-Controller in das Ganze einzubinden.

Da dies mein erster Foren-Eintrag ist gebt mir gerne Tipps, übt Kritik 
oder stellt fragen wenn euch das Projekt interessiert.

Main:

#include "HCPCA9685.h"
#include "SETUP.h"

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  ethernetSetup();
  mqttSetup();
  PWMSetup();

  // put your setup code here, to run once:
  
}


void loop() {
  // put your main code here, to run repeatedly:
  mqttLoop();
}

Setup:

#include "SPI.h"
#include "Ethernet.h"
#include "PubSubClient.h"
#include "Weiche.h"


constexpr auto I2CAdd1 = 0x40;
constexpr auto I2CAdd2 = 0x41;
HCPCA9685 PWMController1(I2CAdd1); 

Weiche W16(160,240,2000,1);
Weiche W17(120,280,2000,2);
Weiche W18(120,280,2000,3);
Weiche W19(120,280,2000,4);
Weiche W20(120,280,2000,5);

EthernetClient ethernetClient;
const byte mac[] = {0xAA, 0xAA, 0xAA, 0xAA, 0xAA, 0xAA};
const IPAddress deviceIP (255,255,255,255);
const IPAddress dns (255,255,255,255);
const IPAddress gateway (255,255,255,255);
const IPAddress subnet (255,255,255,255);
const char* deviceID = "Modul1";

PubSubClient MQTTclient(ethernetClient);
const IPAddress mqttServerIP(255,255,255,255);
const char sub[][10]={{"W16/Soll"},{"W17/Soll"},};
const int subcnt = 2;
long lastMsgTime = 0;    
char msg[64];               // A buffer to hold messages to be sent/have been received
char topic[32];             // The topic in which to publish a message
int pulseCount = 0;         // Counter for number of heartbeat pulses sent


void PWMSetup() {
    PWMController1.Init(SERVO_MODE);
    PWMController1.Sleep(false);
}


void ethernetSetup() {
  Ethernet.init(10);
  Ethernet.begin(mac, deviceIP, dns, gateway, subnet);
  Serial.println("ich lebe");
  if (Ethernet.hardwareStatus() == EthernetNoHardware) {
      Serial.println("Ethernet shield was not found.  Sorry, can't run without hardware. :(");
      while (true) {
        delay(1); // do nothing, no point running without Ethernet hardware
      }
    }
  delay(2000);

  // Print debug info about the connection 
  Serial.print("Connected! IP address: ");
  Serial.println(Ethernet.localIP());

}

void mqttCallback(char* topic, byte* payload, unsigned int length) {

  // The message "payload" passed to this function is a byte*
  // Let's first copy its contents to the msg char[] array
  int wnr = (int(topic[1])-'0')*10+int(topic[2])-'0';
  memcpy(msg, payload, length);
  // Add a NULL terminator to the message to make it a correct string
  msg[length] = '\0';

  // Debug
  Serial.print("Message received in topic [");
  Serial.print(topic);
  Serial.print("] ");
  Serial.println(msg);

  // Act upon the message received
  switch (wnr){
    case 16:  if(strcmp(msg,"Rechts") == 0){
                W16.stellen(rechts);
                Serial.println(W16.get_Zustand());
                break;
              }
              if(strcmp(msg,"Links") == 0){
                W16.stellen(links);
                Serial.println(W16.get_Zustand());
                break;
              }
              else {
                Serial.println("Falscher Befehl");
                break;
              }
    case 17: if(strcmp(msg,"Rechts") == 0){
                W17.stellen(rechts);
                Serial.println(W16.get_Zustand());
                break;
              }
              if(strcmp(msg,"Links") == 0){
                W17.stellen(links);
                Serial.println(W16.get_Zustand());
                break;
              }
              else {
                Serial.println("Falscher Befehl");
                break;
              }
    default: break;
    }
}

void mqttSetup() {
  MQTTclient.setServer(mqttServerIP, 1883);
  MQTTclient.setCallback(mqttCallback);
}

void mqttLoop () {
  while (!MQTTclient.connected()) {     // Ensure there's a connection to the MQTT server
    Serial.print("Attempting to connect to MQTT broker at ");
    Serial.println(mqttServerIP);
    
    if (MQTTclient.connect(deviceID)) {           // Attempt to connect
      // Debug info
      Serial.println("Connected to MQTT broker");
      
      for (int i=0; i<2; i++){
          snprintf(topic, 32, sub[i]);
          MQTTclient.subscribe(topic);
          Serial.println("subscribed to");
          Serial.println(topic);
      }               
    }
    else {
      // Debug info why connection could not be made
      Serial.print("Connection to MQTT server failed, rc=");
      Serial.print(MQTTclient.state());
      Serial.println(" trying again in 5 seconds");
      
      // Wait 5 seconds before retrying
      delay(5000);
    }
  }
  
  // Call the main loop to check for and publish messages
  MQTTclient.loop();
}

Weiche.h:

#include "Zustand.h"
#include "HCPCA9685.h"

class Weiche{
  private:
    int winkelRechts;
    int winkelLinks;
    int stellzeit;
    int steckplatz;
    Zustand alt;

  public:
    Weiche(int wr, int wl, int wz, int sp);
    int get_WinkelRechts();
    int get_WinkelLinks();
    int get_Stellzeit();
    int get_Steckplatz();
    Zustand get_Zustand();
    

    void set_WinkelRechts(int wr);
    void set_WinkelLinks(int wl);
    void set_Stellzeit(int sz);
    void set_Steckplatz(int sp);
    void set_Zustand(Zustand neu);

    void stellen(Zustand a);
};

Weiche.cpp:

#include "Weiche.h"


Weiche::Weiche(int wr, int wl, int sz, int sp){
    winkelRechts = wr;
    winkelLinks = wl;
    stellzeit = sz;
    steckplatz = sp;
    alt = unbekannt;
}

    int Weiche::get_WinkelRechts()            {return winkelRechts;}
    int Weiche::get_WinkelLinks()             {return winkelLinks;}
    int Weiche::get_Stellzeit()               {return stellzeit;}
    int Weiche::get_Steckplatz()                      {return steckplatz;}
    Zustand Weiche::get_Zustand()             {return alt;}
    

    void Weiche::set_WinkelRechts(int wr)     {winkelRechts = wr;}
    void Weiche::set_WinkelLinks(int wl)      {winkelLinks = wl;}
    void Weiche::set_Stellzeit(int sz)        {stellzeit = sz;}
    void Weiche::set_Zustand(Zustand neu)     {alt = neu;}
    void Weiche::set_Steckplatz(int sp)               {steckplatz = sp;}
    
    void Weiche::stellen(Zustand neu){
      if(this->alt==neu){
        return;
      }
      else{
        this->alt=neu;
        return;
      }
    }

Zustand.h:

enum Zustand{
  unbekannt, rechts, links
};

[MaWin (Gast)]

Julius M. schrieb:
> unter jedem Modul des Bahnhofs befindet sich ein Arduino mit Ethernet
> Shield

Meinst du nicht, dass das ein irrsinniger Aufwand ist ?

Digitale Modelleisenbahn ist erfunden, mit primitiver Elektronik an 
jeder Weiche, es reicht ein Attiny8 mit 2 Transistoren, der seine 
Steuersignale übers Gleis erhält

Dein Fahrstrassenkonzept hat ein Bekannter auf einem Tablet 
programmiert, das dann per WIFi mit einem ESP am Booster redet.

Man braucht nicht dutzende teurer Module, die kein Problem 
(Wechselstromversorgung, Konzept) lösen, sondern nur neue Probleme 
schaffen.

[Julius M. (juliusmerseburger)]

Also dass der Aufwand irrsinnig ist und dass das 
Preis-Leistungs-Verhältnis irrsinnig schlecht ist, ist mir durchaus 
bewusst. Hab aber grad viel Spaß und jede Menge Motivation die ganzen 
Komponenten zu verstehen und auf allen Ebenen (Taster bis Netzwerk) zu 
arbeiten. Hab jetzt schon eine ganze Menge gelernt und empfinde es als 
überaus befriedigend wenn ich nach mehreren Stunden ein kleines 
Teilproblem gelöst habe.
Ein kleiner Bonuspunkt für meine extrem aufwendige Lösung ist, dass ich 
das ganze in Zukunft relativ leicht erweitern kann (Display im 
Stellpult, zeitgesteuerte Schaltungen, Steuerung per APP usw).

[MaWin (Gast)]

Julius M. schrieb:
> Ein kleiner Bonuspunkt für meine extrem aufwendige Lösung ist, dass ich
> das ganze in Zukunft relativ leicht erweitern kann

Na offenbar eher nicht.

Man muss für Erweiterungen bei dir erst neue Hardware bauen, dann alle 
alte daran anpassen dass nun z.B. ein neues Ziel möglich ist

Mit einem Gleisbildstellwerk auf einem Pad, rein in Software, steckt man 
einfach die digitalsteuerbare Weiche an die Schiene und der Rest ist 
Software. Es wird nicht ein einziges Kabel verlegt.

[Julius M. (juliusmerseburger)]

Naja an der Anlage selber wird sich nichts mehr ändern, also keine neuen 
Weichen mehr dazu kommen. Die Lösung mit der Steuerung über die Taster 
war eine Bedingung die mir so vorgegeben wurde und musste deswegen in 
das Ganze mit implementiert werden.