Leuchttürme.

Als großer Fan des Wassers und als Segler bekannt, habe ich vor vielen Jahren einmal einen Leuchtturm für den Garten geschenkt bekommen. Der hatte im Oberteil eine Blitzlampe, die das Leuchtfeuer darstellen sollte. Diese Blitzlampe erwies sich als ziemlich kurzlebig, diverse Reparaturen führten auch nicht zum stabilen Betrieb und so wurde letztlich die Beleuchtung ausgetauscht. Zunächst wurde eine Simpel-Blink-Schaltung eingebaut. Das war allerdings auf Dauer unbefriedigend. Ja und im Laufe der Jahre kamen dann die Mikrocontroller mit dem Atmel 316 und 328. Die ersten Kontakte zu Ihnen knüpfte ich zu Anfang des neuen Jahrtausend.

Alter Leuchtturrm                                               Neuer Turm

   Alter Arduino

Damals kamen die Arduinos auf, zunächst der Klassiker, der heute UNO heißt, später auch andere Bauweisen mit anderen Prozessoren. Das Schöne an ihnen ist, dass sie eine kleine USB-Schnittstelle mitbringen, mit der man sie leicht programmieren kann. Die Arduino Fans hatten schnell eine Software zur Programmierung erstellt, die einen GNU C-Compiler verwendete so dass man die Bausteine in einem erweiterten C-Dialekt programmieren konnte.

Dieser Rechnerplatinchen habe ich auf eigene Leiterplatten gesetzt. Die wurden damals zwar schon mit einem CAD-System entworfen, aber noch selbst belichtet, entwickelt, geätzt und gebohrt. Wenn man die ab Werk vorhandenen Buchsenleisten durch Stiftleisten ersetzte, konnte man sie in Buchsenleisten auf die eigenen Leiterplatten setzen. Hinterher ließen sich Buchsen nicht mehr so einfach auslöten, dann wurden kleine Adapterplättchen verwendet. Der Arduino war damit der Antriebsmotor manches eigenen Projektes. Da die Schaltung recht simpel war, wurde später sehr oft der Prozessor direkt in die eigene Schaltung eingebaut und lediglich zur Programmierung ein kleine Schnittstellenmodul aufgesteckt, das von USB zu RS232 übersetzte. Dennoch hatte auch die Originalplatine ihren Reiz, man konnte unter der gesteckten Platine noch Bauteile unterbringen.

Solch ein Arduino wurde damals auserkoren, den Leuchtturm zu steuern. Als Lichtquellen wurden drei 20 W -Halogen-Lampen ausgesucht. So was konnte auch vor etlichen Jahren schon ein Leistungs-MOSFET steuern. Die drei Lampen wurden mit hitzebeständigen Farbfilterfolien umgeben, so dass der Kopf rot, grün und weiß leuchten konnte.

 Alter Lampenkopf

Aufgrund einiger Eigenarten des Arduinos konnte man nie ausschließen, dass nicht mal alle drei Lampen gleichzeitig leuchteten. So musste dann tatsächlich in einer getrennten Box noch ein 60 W- Schaltnetzteil im Leuchtturm untergebracht werden. Ein kleines Empfangsmodul aus einer frühen Modellreihe zur Hausautomation eines Norddeutschen Herstellers kam mit auf die Platine und musste als Fernsteuerungsempfänger für einen Handsender aus gleichem Haus herhalten. Diese Firma hat Baugruppen für alle möglichen Anwendungsfälle erstellt, aber eben nicht für Leuchttürme! Mit etwas Knobeln konnte das Kodierungsschema enttarnt werden und ein Programm zum Dekodieren der Funktelegramme geschrieben werden. So entstand der erste computergesteuerte Leuchtturm in unserem Garten.

Der erste Leuchtturm war sehr liebevoll aus Sperrholz gebaut und eigentlich auch ganz ordentlich lackiert. Trotz aller Pflege setzte der Zahn der Zeit ihm gehörig zu und am Leuchtturm wurde immer wieder Teile erneuert. Als Möchte-Gern-Holzwurm konnte ich viele Teile nachbauen und  ersetzen. Aber nach etlichen Jahren wäre faktisch ein Neubau fällig gewesen. Noch stark im Beruf eingespannt wäre das aufgrund der vielen falschen Gehrungen und der konischen Form des Turmes ein mühsames Unterfangen gewesen. Schweren Herzens wurde der Leuchtturm entsorgtt und ein Kunststoffleuchtturm von Typ „Roter Sand“ erworben. Die alte Beleuchtungstechnik musste umziehen. Allerdings hat dieser Leuchtturm ein Oberteil, das nur einen bestimmten Sektor überstreicht und in eine andere Richtung einige unabhängige Sektoreneuer. Und das „Nur-Blinken“ war auch nicht mehr so ganz zufriedenstellend.

Man müsste… Es wurden viele Ideen durch den Kopf gedrückt, ideal wäre ein umlaufendes Licht wie bei einem echten Leuchtturm. Allerdings ist das schon einiges an Mechanik, wenn man eine Linsengruppe um eine Glühlampe bewegen will. Das sollte anders gehen. Es gibt Neopixel, das sind Drei-Farben-Leuchtdioden, die man zu einer Kette zusammenfügen kann. Angesteuert wird die erste Drei-Farben-Diode mit einem seriellen Signal. Ist ein Daten-Telegramm vollständig, schiebt sie es über einen Ausgang an die dahinter liegende Diode, wenn das nächste Telegramm eintrifft. So kann man Lichtstreifen erstellen, in denen eine Reihe von Leuchtdioden angesteuert werden können. Jede Diode kann eine eigene Helligkeit und Farbe haben. Im Abschnitt „Uhren“ unter dem Thema „Elektronik“ sind Neopixel näher beschrieben.

  Neuer Lampenkopf mit Stripes

Diese Dioden kann man, auf flexible Leiterbahnstreifen aufgelötet, erwerben. Es wurden von einem solchen Strip drei Abschnitte von je 18 Dioden abgetrennt und parallel verschaltet. Diese Streifen wurden auf einen Blechring geklebt, der später in den Leuchtturmkopf gebaut wurde. Der Blechring trägt nun auf dem Teil, der von außen sichtbar ist, diese LED. Wenn man nun per Programm jeweils eine Leuchtdiode leuchten lässt und dann auf die nächste Diode wechselt, sieht das aus, als ob ein Lichtstreifen über den Blechring läuft. Voila, das ist das umlaufende Licht ohne jegliche Mechanik. Man kann die Farbe variieren, so könnte man auch verschiedenfarbige Sektoren im Hauptfeuer bilden. In die drei Fenster der Sektoren Feuer kamen jeweils drei 1-W-Leuchtdioden übereinander, die Färbung des Lichtes übernehmen Farbfolien, die vom ersten Leuchtturm noch übrig waren.

Diese Technik sorgte dafür, dass auch der Stromverbrauch auf ein homöopathisches Maß sank, verglichen mit der ersten Variante. Später wurde ein neuer Steuerrechner entworfen. Als Prozessor wurde ein ESP32-Modul verwendet, das über Pins in Sockelleisten der Hauptplatine steckt. Die Nebenfeuer werden über 3 MOS-FETs gesteuert, das Hauptfeuer kann direkt über einen Port bedient werden. Allerdings waren Pegelwandler erforderlich, der ESP32 benutzt hat eine Betriebsspannung von 3,3 V, das reicht nicht ür die MOS-FETs, die Neopixel wollen 5 V haben. Das Problem löst ein Pegelwandler mit kleinen MOS-FETs. Der Fernsteuerungsempfänger ist noch im Layout vorhanden und Software vorhanden, aber nicht mehr bestückt. Implementiert ist ferner eine Messung der Lufttemperatur und –feuchte mit einem DHT 22. Der Baustein ist notorisch unzuverlässig und wird zukünftig von einem BME 280 ersetzt. Der wird aber per I2C angebunden.

Eine Lichtmessschaltung mit umschaltbaren Messbereich kann den Leuchtturm ein- und ausschalten. Zunächst wurde ein LDR verwendet, der hielt nicht lange. Der Nachfolger wurde in einem Zentrifugenröhrchen in Polyesterharz vergossen. Auch der versagte bald. LDR mögen keine intensive Sonnenstrahlung, das tötet sie. Ein Treppenwitz! Und LDR dürfen wegen gefährlicher Inhaltsstoffe sowieso nicht mehr verkauft werden. Sie enthalten knapp 0,05 g Cadmiumsulfid. Das ist ebenso gefährlich wie ein Teelöffel Salz in einem Putzeimer. Die Nachfolgegeneration der Sensoren enthält nun einen Phototransistor. Der passt in die gleiche Schaltung, die Software muss nur geringfügig angepasst werden. Zukünftige Entwicklungen werden einen I2C-Lichtsensor verwenden, der mehr als 2¹⁴ Lichtwerte unterscheiden kann.

  Phototransistor

Die Steuerung und die Datenübermittlung erfolgen per WLAN. Der Leuchtturm ist wie fast die ganze Haustechnik in unser Netzwerk eingebunden. Jede Baugruppe, so wie der Leuchtturm, haben einen Webserver mit fester IP, über die Messwerte abgerufen und Befehle abgesetzt werden können. Messwerte und Ereignisse werden im Steuergerät gespeichert und können über Netzwerkzugriffe abgefragt werden. Auch die Fernbedienung wäre noch einsetzbar, aber der Empfänger wurde hier nicht mehr bestückt.

Die Software ermöglicht etliche Lichtprogramme. Standardmäßig läuft das Topplicht mit zwei Blitzen um. Das Vorbild auf unserer Lieblingsinsel Borkum hat 2 Blitze in 3 s Abstand und 12 s Wiederholzeit. Damit das gut aussieht, mussten die Zeiten beim kleinen Bruder verkürzt werden. Außerdem kann die Farbe des Topplichtes umgeschaltet werden. Na gut, violett oder orange hat nix mit Seefahrt zu tun, es ist aber machbar. Ferner kann das  Topplicht mit weichem Helligkeitsverlauf blinken. Die Nebenfeuer sind voneinander unabhängig, beherrschen grundsätzlich weiche Helligkeitsänderungen per PWM. Eingesetzt wird meistens ein Blinkcode. Die Nebenfeuer morsen im Gleichtakt ein Wort, bei uns ist das „Borkum“. Das alles lässt sich über das Web-Interface einstellen. 2022 wäre „Gott erhalte Putin, aber bitte heute noch“ wohl eine Alternative. Die Programmierung erfolgt über ein USB-Interface auf der Prozessorplatine. In alle Module ist ein USB-Kabel eingesteckt, über das ein Notebook angedockt werden kann. Der Programmiermodus kann über das Interface erreicht werden. Auf OTA-Programing habe ich der Sicherheit wegen verzichtet. Gut, beim Leuchtturm ist das nicht das Problem, aber Geräte der Haustechnik sollten nicht so einfach erreichbar sein.

Ein amerikanisches Schiff ortet ein fremdes Objekt, das seinen Weg versperrt. Der US-Kapitän: "Bitte ändern Sie Ihren Kurs 15 Grad nach Norden, um eine Kollision zu vermeiden." Antwort: "Ich empfehle, Sie ändern Ihren Kurs 15 Grad nach Süden, um eine Kollision zu vermeiden." Amerikaner: "Dies ist der Kapitän eines Schiffs der US-Marine. Ich sage noch einmal: Ändern Sie Ihren Kurs!" Antwort "Nein. Ich sage noch einmal: Sie ändern Ihren Kurs!" Der Amerikaner wird wütend: "Dies ist der Flugzeugträger 'USS Lincoln', das zweitgrößte Schiff in der Atlantikflotte der Vereinigten Staaten. Wir werden von drei Zerstörern, drei Kreuzern und mehreren Hilfsschiffen begleitet. Ich verlange, dass Sie Ihren Kurs 15 Grad nach Norden, das ist Eins-Fünf-Grad nach Norden, ändern, oder es werden Gegenmaßnahmen ergriffen, um die Sicherheit dieses Schiffes zu gewährleisten!" Antwort: "Dies ist ein Leuchtturm!"