🇩🇪 Deutsch | [🇬🇧 English](concept.en.md) | [🇫🇷 Français](concept.fr.md) | [🇪🇸 Español](concept.es.md) # Konzept: Modulares Bewässerungssystem Dieses Dokument beschreibt das Konzept für ein modulares, smartes Bewässerungssystem, das zentral über Home Assistant gesteuert wird. ## 1. Architekturübersicht Das System ist in drei logische Ebenen aufgeteilt, um eine hohe Flexibilität und Wartbarkeit zu gewährleisten: 1. **Steuerungs-Ebene (Home Assistant):** Die gesamte Logik, alle Automationen und die Benutzeroberfläche residieren in Home Assistant. Dies ist das "Gehirn" des Systems. 2. **Gateway-Ebene (ESP32):** Ein reiner Protokoll-Übersetzer, der als Brücke zwischen dem Heimnetzwerk (WLAN/Thread) und dem physischen Bus-System der Anlage fungiert. Er enthält keine eigene Steuerungslogik. 3. **Aktor-/Sensor-Ebene (Slave-Nodes):** Robuste, spezialisierte Baugruppen, die über einen Bus angesteuert werden und die eigentlichen Aufgaben ausführen (Ventile schalten, Sensoren auslesen).  ## 2. Systemkomponenten * **Wassertank:** Ein IBC-Container dient als Wasserreservoir. * **Wasserzufuhr:** Ein "Regendieb" am Fallrohr leitet Regenwasser in den Tank. * **Pumpe:** Eine Pumpe mit integriertem Druckausgleichsbehälter sorgt für den nötigen Wasserdruck. * **Aktoren:** Motorisierte 12V-Kugelhähne zur Steuerung der Wasserabgänge. * **Füllstandsensor (präzise):** Ein `QDY30A` mit 4-20mA Ausgang und RS485/MODBUS-Schnittstelle zur kontinuierlichen Messung des Wasserpegels. * **Füllstandsensoren (Min/Max):** Optionale kapazitive Sensoren (`XKC-Y25-NPN` o.ä.) als redundante Absicherung gegen Leerlauf und Überlauf. ## 3. Gateway Die zentrale Kommunikationsschnittstelle wird als "dummes" Gateway realisiert. * **Hardware:** Ein `ESP32C6`-basiertes Board. * **Funktion:** Das Gateway agiert als transparenter **MODBUS TCP/IP zu MODBUS RTU Konverter**. Es empfängt Befehle aus dem Heimnetzwerk und leitet sie an den RS485-Bus weiter und umgekehrt. Es führt keine eigene Steuerungslogik aus. * **Anbindung an Home Assistant:** Die Verbindung erfolgt über das Heimnetzwerk, wahlweise per WLAN oder zukünftig eventuell über Thread/Matter. In Home Assistant wird die offizielle MODBUS-Integration genutzt, um das Gateway und die dahinterliegenden Slaves direkt zu adressieren. ## 4. Slave-Nodes Die Slave-Nodes sind die Arbeitseinheiten im Feld. Um bei der Fertigung kleiner Stückzahlen (z.B. bei JLCPCB) den Aufwand gering zu halten, wird ein universelles Platinen-Design für alle Slave-Typen angestrebt. * **Mikrocontroller:** Ein `STM32G431PB`. Dieser ist zwar leistungsstark, bietet aber alle nötigen Peripherien (mehrere UARTs, ADCs, CAN) und ermöglicht ein einheitliches Hardware- und Software-Design. * **Peripherie pro Node:** * **Zwei High-Side Ausgänge (+12V):** Realisiert über einen `VND7050AJ`. Perfekt zur Ansteuerung der 12V-Motorventile (`Öffnen`/`Schliessen`). Die `Sense`-Leitung des Treibers wird über einen AD-Wandler ausgelesen, um durch Messung des Motorstroms eine Endlagen-Erkennung ohne physische Endschalter zu realisieren (Motorstrom im Stillstand ≈ 0). Zusätzlich können die Temperatur und die Versorgungsspannung des Treibers ausgelesen werden. * **Zwei Low-Side Ausgänge (0V):** Über N-Kanal-MOSFETs geschaltete Ausgänge. Nutzbar zur Ansteuerung von 12V-LEDs in Tastern oder zum Schalten des Halbleiter-Relais für die Pumpe. * **Zwei digitale Eingänge:** Direkte, geschützte Eingänge am Controller zum Anschluss von Tastern oder den kapazitiven NPN-Sensoren. ## 5. Bussystem: MODBUS-RTU über RS485 Als Bussystem wird konsequent auf MODBUS-RTU gesetzt. * **Begründung:** Diese Wahl ist pragmatisch, da der Füllstandsensor bereits MODBUS voraussetzt. So wird für das gesamte System nur ein einziges, einfaches und weit verbreitetes Protokoll benötigt. * **Physische Schicht:** Die Verkabelung erfolgt über RS485. Es wird handelsübliches Cat-7-Ethernetkabel mit RJ45-Steckern verwendet: * 1 Adernpaar (verdrillt) für die Bus-Signale `A` und `B`. * 3 Adernpaare parallel für `+12V` und `GND` zur Stromversorgung der Slaves. ## 6. Software * **Betriebssystem (Slaves):** `Zephyr OS`. Es ist ein modernes, leistungsfähiges Echtzeitbetriebssystem, das eine saubere und wartbare Firmware-Struktur ermöglicht. * **Logik-Implementierung:** Die gesamte Steuerungslogik (z.B. "Wenn Füllstand < 20% und Wochentag = Montag, dann schalte Ventil 3 für 10 Minuten ein") wird ausschliesslich in **Home Assistant** über dessen Automatisierungs-Engine abgebildet. ### 6.1. Firmware-Update der Slaves (OTA) Die Firmware der Slaves kann im laufenden Betrieb über den Bus aktualisiert werden, ohne dass ein direkter physischer Zugriff nötig ist. * **Konzept:** Es wird der `MCUBoot`-Bootloader genutzt. Dieser ist vom Kommunikationsprotokoll entkoppelt. * **Ablauf:** 1. Ein Skript in Home Assistant liest die neue Firmware-Datei (`firmware.bin`). 2. Das Skript zerlegt die Datei in kleine Datenpakete und sendet diese nacheinander per MODBUS-Befehl an den Ziel-Slave. 3. Die laufende Applikation auf dem Slave empfängt diese Pakete und schreibt sie direkt in den sekundären Flash-Speicher ("Update-Slot"). 4. Nach erfolgreicher Übertragung wird der Slave per Befehl neu gestartet. 5. `MCUBoot` prüft die Signatur des neuen Images, kopiert es in den primären Slot und startet es. * **Sicherheit:** Die neue Firmware muss sich nach dem Start selbst als "funktionstüchtig" markieren. Tut sie dies nicht (z.B. wegen eines Absturzes), wird beim nächsten Neustart durch den Watchdog automatisch die vorherige, stabile Firmware-Version von `MCUBoot` wiederhergestellt. ## 7. Sicherheits- und Robustheitskonzepte * **Fail-Safe-Verhalten:** Jeder Slave-Node implementiert einen Watchdog. Wenn über eine definierte Zeit (z.B. 15 Sekunden) keine gültige MODBUS-Abfrage vom Gateway eintrifft, geht der Slave in einen sicheren Zustand über: Alle Ventile werden geschlossen und Relais (z.B. für die Pumpe) werden ausgeschaltet. * **Elektrische Schutzschaltungen:** Alle externen Schnittstellen werden geschützt. Die RS485-Busleitungen (`A`/`B`) werden auf jeder Platine mit TVS-Dioden gegen Überspannungen gesichert. Eingänge und Ausgänge erhalten einen Basis-ESD-Schutz. * **Stromversorgung:** Die 12V-Busspannung wird auf jedem Slave-Node mit einem effizienten `TPS5430DDAR` Step-Down-Wandler auf die benötigten 3.3V für den Mikrocontroller und die Bustreiber geregelt.