Im Artikel A new node is born habe ich bereits über meinen ersten selbstgebauten Solar-Node berichtet. Inzwischen ist viel Wasser mit der Isar den Bach hinuntergegangen und ich durfte einige Erfahrungen sammeln. Inzwischen betreibe ich drei eigene Meshcore-Repeater, einen Room-Server und und dazu passend drei eigene Meshcore-Companions (siehe Ein Notfall-Funk-Netz mit LoRa Mesh).
In diesem Artikel möchte ich noch einmal im Detail auf den Selbstbau eingehen und Hilfestellung geben, damit man nicht unbedingt teure Fertig-Geräte kaufen muss, welche u.U. gar nicht mal so besonders gut geeignet sind.
Achtung: Alle Erwähnungen, Hinweise etc. sind meine Empfehlungen und keine Werbung!
Die Empfehlungen basieren auf folgenden Prämissen:
- unbeaufsichtigter Betrieb
- Betrieb 24h / 7 Tage die Woche / 365 Tage im Jahr
- maximal 1 bis 2 Wartung pro Jahr (z.B. Frühling und Herbst)
- Ausschließlich Fernbedienung
Das LoRa Mesh-Funkgerät
Hier ist der Markt inzwischen recht unübersichtlich geworden. Für einen Solar-Mesh-Node gibt es aber derzeit meiner Ansicht nach nur ein empfehlenswertes Funkgerät:
Seeedstudio Xiao Meshtatsic Kit
Dieses Kit besteht aus einem Nordic nRF52840 Microcontroller (mit Bluetooth Low Energy) sowie dem Funkmodul Wio SX1262 für LoRa Funkbetrieb.
Das Kit heisst zwar "Meshtastic" Kit, läuft aber ebenso problemlos unter Meshcore. Zum preis von unter $ 14 erhält man einen Daumenkuppen großes Modul, welches unter Zuführung von 4,2 V (direkt) oder 5 V (USB) Gleichspannung sofort losfunken kann - nach dem Einschalten der Spannung nur wenige Sekunden.
Bei einer maximal Senderausgangsleistung von 27 dBm (0,5 Watt PEP) benötigt das Funkgerät im Stand-by unter 5 µA. Damit ist es auch in der Sendung des sparsamste Funkgerät überhaupt und daher ideal geeignet für einen Netzwerkknoten mit langer Laufzeit.
ACHTUNG: Den "Xiao" gibt es auch mit ESP-32 Mikrocontroller. Es handelt sich hierbei um eine andere Version, welche einen wesentlich höheren Stromverbrauchhttps://www.fts-hennig.de/delock/hochfrequenztechnik/delock-lpwan-806-896-mhz-yagi-antenne-sma-stecker-10-dbi-starr-direktional-wand-und-mastmontage-outdoor hat. Bitte beachten!
Die Beschaffung eines LoRa Funkgerätes mit einem Display ist meiner Ansicht nach für einen Repeater und/oder Room-Server nicht notwendig und führt ebenfalls nur zu einem erhöhten (aber unnötigen) Stromverbrauch. Man kann alles per Fernsteuerung verwalten und benötigt für einen Solar-Node keine Anzeige am Gerät selbst.
Bestellen? Am Besten direkt beim Hersteller!
Das Gehäuse
Für ein Gerät, welches man im Freiehttps://www.fts-hennig.de/delock/hochfrequenztechnik/delock-lpwan-806-896-mhz-yagi-antenne-sma-stecker-10-dbi-starr-direktional-wand-und-mastmontage-outdoorn montieren möchte, sollte man unbedingt ein mit der Klassifizierung IP65 geschütztes Gehäuse verwenden. Dieses verhindert das Eindringen von Staub (Pollen) und Wasser auch bei heftigem Regen.
Um die (weiter unten empfohlene) Solarzelle direkt auf dem Gehäuse zu montieren, sollte man ein Gehäuse mit mindestens 80*80 mm und einer Tiefe von mindestens 55 Millimeter verwenden.
Alternative: Feuchtraum-Verteilerdose
Solch eine Dose kann man in den unterschiedlichsten Varianten kaufen.
Es gibt jene mit einem sehr weichen Gehäuse und daher auch sehr weichen runden Durchbrüchen. Diese betrachte ich nicht wirklich als geeignet.
Besser sind hier die Dosen wie auf dem Bild links zu sehen. Diese haben stabile und feste Wände, der Deckel ist verschraubbar (siehe auch "Diebstahlsicherung") und die Durchbrüche sind genauso stabil wie die Wände.
Natürlich muss man hier bohren - aber man will ja auch stabile Einbauten und Durchführungen nach aussen benutzen.
Alternative: Elektronik-Modulgehäuse
Die eindeutig bessere Wahl sind sogenannte ABS-Gehäuse (aka Elektronik-Gehäuse aka Modul-Gehäuse). Sie sind genauso nach IP65 geschützt, bieten aber eindeutig stabilere Wände.
Auch hier muss man natürlich bohren. 
Dennoch bevorzuge ich diese Gehäuse, da sie mir einen wesentlich stabileren Eindruck machen.
Sprich: Meine Erfahrungen mit diesen Gehäusen in verschiedenen Formen und Größen sind so gut, dass ich Solar-Nodes nur noch mit diesen aufbaue.
Bestellen: Hier zum Beispiel
... und dann war da noch: Die Mastmontage
Die nebenstehenden Montageschienen (aka "C-Schiene") sind hervorragend für die senkrechte Montage an einem Mast geeignet.
Zum einen bieten diese ordentliche Löcher, um das Gehäuse auf der glatten Rückseite aufzusetzen und mittels zweier Löcher maximal zu fixieren (Isolierung nicht vergessen).
Setzt man eine Outdoor-Antenne ein (wie weiter unten vorgeschlagen), so kann auch die Antennenhalterung auf dieser Schiene so befestigt werden, dass die N-Buchse gut entlastet wird und die Antenne im Verhältnis zum Mast nicht schief steht.
Leider sind dieses Profile Industrieware und etwas schwer zu beschaffen, wie der Author beim Erstellen dieses Artikels feststellt. Es wird weiter nach sinnvollem Material gesucht.
Zu Befestigung der Schiene mit aufgesetztem Gehäuse und der Antenne eignen sich nun hervorragend Schlauchschellen. Diese gibt es in den unterschiedlichsten Größen und können daher perfekt an den vorhanden Mast angepasst werden.
Zum Schliessen der Schelle nutzt man am besten einen Akku-Schrauber - da man sich sonst "einen Wolf" dreht mit einem manuellen Schraubendreher.
Bitte nur vorsichtig beim Schliessen: Das Gewinde kann bei Zuviel Kraft beschädigt werden.
Bestellen?
Schlauchschellen jeder Größe zum Beispiel hier
Die abgebildete Schiene ist für B2B-Kunden bei diesem Lieferanten bestellbar. Leider habe ich im Endkundenhandel noch nichts entsprechendes gefunden. Was man aber machen kann: In einem Baumarkt der Wahl zwei solche Winkel-Schienen kaufen und diese dann zu einem U zusammenschrauben. Dann bekommt man eine nicht ganz so stabile, für den Heimgebrauch dennoch vollkommen ausreichende Montagehilfe. Beispiel 1 / Beispiel 2
Durchbrüche
Wir benötigen hier nun die folgenden Durchbrüche (im Gehäuse). Diese sollten unbedingt beispielsweise mit Teflon-Band aus der Sanitärabteilung eines Baumarktes abgedichtet werden:
Zwingend: Antenne
Alternative 1: SMA-Buchse
Wer nhttps://www.fts-hennig.de/delock/hochfrequenztechnik/delock-lpwan-806-896-mhz-yagi-antenne-sma-stecker-10-dbi-starr-direktional-wand-und-mastmontage-outdoorur eine kleine Antenne (Gummiwendelantenne) nutzen möchte, dem reicht unbedingt eine SMA-Antennebuchse im Gehäuse. Diese gibt es komplett fertig mit Anschlusskabel an die IPEX-Buchse des Funkgerätes. Die einfachste, schnellste Lösung, vor allem ohne zusätzliche Verluste durch Adapter, Kabel etc.
Achtung: Es gibt diese Kabel mit unterschiedlichen Längen. Bitte die Kabel so kurz wie möglich halten und im Gehäuse lieber so dicht wie möglich mit dem Funkgerät an den Antennenanschluss heranrücken.
Bestellen? Zum Beispiel hier
Alternative 2: N-Buchsehttps://www.amazon.de/dp/B09Y8BZDLN
Will man dem Solar-Node eine größere (und damit bessere) Antenne spendieren, sollte man in Sachen Antennenbuchse auf den N-Typ ausweichen.
Dieser ist deutlich größer und stabiler als eine SMA-Buchse und die großen kommerziellen Antennen werden mit diesem Typ als Stecker geliefert.
Auch hier gibt es unterschiedliche Längen des Kabels.
Die N-Buchse gibt es sowohl mit einem Flansch (und damit 4 Löchern zum befestigen als auch als ein runder Einbau, wie auf unserem Beispiel-Bild zu sehen.
Bestellen? Zum Beispiel hier
Zwingend: USB-C- Buchse zum Anschluss des Solar-Panels
Da wir uns ein Solar-Panel mit einem USB-C Anschluss besorgen, sollten wir natürlich auch eine solche Buchse in den Solar-Node mit einbauen.
Natürlich könnte man auch den Stecker des Panels in das Innere des Gehäuses verlegen - hat dabei aber ganz sicher größere Schwierigkeiten mit der Dichtigkeit, als mit einem Loch für diese Buchse.
Unsere Empfehlungsbuchse wird mit einem Gummistopfen geliefert. Diesen könnte man beim Solaranschluss weglassen.
Bestellen? Hier zum Beispiel
Option: USB-C Buchse zum Firmware-Update des Solar-Node
Soll der Node datentechnisch von Aussen zugänglich sein, damit man beispielsweise ein Firmware-Update machen kann, ohne das Gehäuse zu öffnen, sollte man eine zweite, direkt mit der USB-Buchse des Funkgerätes verbundene USB-C Buchse einbauen.
Zur Verbindung mit dem Funkgerät benötigen wird dann noch einen USB-C-Stecker, welcher am anderen Endes das Buchsen-Kabels angelötet wird (siehe Verdrahtungsplan weiter unten).https://www.fts-hennig.de/delock/hochfrequenztechnik/delock-lpwan-806-896-mhz-yagi-antenne-sma-stecker-10-dbi-starr-direktional-wand-und-mastmontage-outdoor
Die Stecker werden in der Regel als Set aus lötbaren Buchsen und Steckern geliefert.
Bestellen? Die USB-C-Buchsen bekommt man zum Beispiel hier. Die USB-C-Stecker bekommt man zum Beispiel hier.
Option: Schalter
Möchte man den Node von aussen schaltbar haben - z.B. um diesen in Ruhe und ohne Antenne am Mast zu montieren und erst nach dem Anbringen der Antenne einschalten, so gibt es hier zwei vernünftige Alternativen.
Alternative 1: Druckschalter
Diesen Drucktaster resp. -Schalter kann man versenkt und damit versteckt einbauen, so dass ein Unwissender diesen gar nicht erst bemerkt. Es gibt allerdings so viele unterschiedliche Arten solcher Schalter, dass wir hier nur ein Beispiel zeigen können.
Bestellen? Zum Beispiel hier
Alternative 2: Schlüsselschalter
Wer gerne auf Nummer sicher geht, der baut einen Schlüsselschalter ein - und zwar einen, bei welchem man den Schlüssel im eingebauten Zustand abziehen kann.
Natürlich ist der preiswerte Schalter in unserem Beispiel kein absoluter Ein-/Ausschalt-Schutz. Dennoch bietet er zum Schaltvorgang selbst noch eine stromlose Anzeige des Betriebszustandes des Solar-Node - sogar aus der Ferne.
Achtung: Es gibt auch Schlüsselschalter, bei welchen man den Schlüssel nur im ausgeschalteten Zustand abziehen kann. Dies ist in unseren Augen kontraproduktiv.
Bestellen? Zum Beispiel hier
Die Innereien
https://www.fts-hennig.de/delock/hochfrequenztechnik/delock-lpwan-806-896-mhz-yagi-antenne-sma-stecker-10-dbi-starr-direktional-wand-und-mastmontage-outdoorNebenstehend (bei Klick größeres Bild) findet man einen möglichen Verdrahtungsplan für den Solar-Node. Dieses Schaltschema ist beim Author mehrfach dauerhaft ohne Probleme in Betrieb.
An dieser Stelle wollen wir kurz über den Akku und den Laderegler sprechen. Antenne und Solar-Panel werden nachfolgend beschrieben.
Akku
Aufgrund der Vorteile der Technologie (Energiedichte und -Ausbeute pro cm³ Baugröße) sollte man unbedingt auf die Gattung der Lithium-Akkus zurückgreifen.
Alternative 1: Lithium-Rund-Akku im Format 18650
Die meistgebrauchte Form der derzeitigen Consumer-Geräte nutzt diesen Akku-Type: Lithium, Baugröße 18650, Flat-Top (das heisst: Kein "Nippel" am Pluspol).
Diese sind nicht viel Größer als ein AA-Akku, kann aber irgendwas zwischen 1500 und 3500 mAh bei 3,7 Volt Ausgangsspannung leisten (also je nach Typ 5,5 bis 13 Watt) liefern. Damit fallen diese Akkus übrigens nicht unter das Luftsicherheitsgesetz und die Regelungen für den Transport von Lithium-Batterien.
Zur Nutzung dieser Akkus benötigt man in der Regel noch einen Batteriehalter.
Wir haben tatsächlich mit diesen Zellen keine besonders guten Erfahrungen gemacht - auch wenn wir einen Typ genommen haben, welcher uns von anderen Anwender empfohlen wurde.
Wir wollen Euch dies aber dennoch nicht verschweigen.
Bestellen? Akku mit 3500 mAh z.B. hier ... Batteriehalter für 18650 Zellen zum Beispiel hier
Alternative 2: Lithium-Polymer-Flach-Akku
Extrem gute Erfahrung haben wir wiederum mit dem nebenstehenden flachen Lithium-Polymer-Akku gemacht. Es ist klein, leicht, flach und kommt vor allem direkt mit einem Anschlusskabel daher.
Der Stecker (JST 1,5) ist zwar sehr mickrig - dafür merkt man dem Akku aber deutlich an, dass er für den Modellbau entworfen und in der Maker-Szene zuhause ist. Der kleine Stromstecker macht bei einem Stromfluss von max. 100 mA absolut nichts aus.
Bestellen? Zum Beispiel Hier
Laderegler
Damit wir den Akku des Solar-Nodes auch vernünftig laden können, benötigen wir noch einen MPPT-Solarladeregler.
Der hier vorgestellte Winzling schafft es, bei einer Eingangsspannung von 4,4 bis 6,5 Volt eine stabile Ausgangsspannung von 4,2 Volt für unser Funkgerät und den zu ladenden Akku zur Verfügung zu stellen. Dabei kann er insgesamt 1 A Strom ausgeben.
Es fällt auf (im Schaltbild), dass wir Akku und Funkgerät parallel am Ausgang des Ladereglers betreiben. Damit erhalten wir quasi eine Art unterbrechungsfreie Stromversorgung. Fällt der Solarstrom aus, bezieht das Funkgerät seinen "Saft" direkt vom Akku (z.B. Nachts). Tagsüber ist aber ausreichend Ladestrom vorhanden, um den Akku zu laden und das Funkgerät betriebsfähig zu halten. Eine Win-Win-Situation.
Bestellen? Zum Beispiel Hier mit Pins und Hier ohne Pins
Mit guter Verbindung
Nachdem der Akku bereits mit einem Steckkontakt kommt, ist es sinnvoll, solche auch an allen anderen Modulen der Innereien anzubringen.
Dazu empfehlen wir diesen Steckertyp: JST Dieser kommt aus dem Modellbau und ist daher auch ideal für unseren Solar-Node geeignet. Unser LiPo-Akku hat einen JST 1,5 Stecker. Wer es etwas größer mag, der verwende eben JST 2,0.
Bestellen? Zum Beispiel JST 2.0 und JST 1,5
Auf das Äussere kommt es an
Last but not least wollen wir hier noch das "kritische Thema" Antennen sowie das Solar-Panel besprechen. Beginnen wir mit Letzterem.
Solar-Panel 5V / 10 Watt
Vielen Menschen wundern sich, da bei uns nur ein relativ kleines Solar-Panel zum Einsatz kommt. Tatsächlich reichen bei uns 10 Watt völlig aus.
Tatsächlich muss es auch gar nicht größer sein. Laut Lieferant liefert dieses Panel 10 Watt. Das ist auch gut möglich, denn bei einer Ausgangsspannung von 5,2 V (USB-C-Stecker) wären das maximal 1,9 Ampere an Ausgangsstrom. Da unser Laderegler aber nur 1 Ampere verarbeitet bzw. nutzt, kann das Panel tatsächlich genau das liefern, was wir benötigen. Selbst wenn der Hersteller bei der Leistung "etwas gelogen" hat - was wahrscheinlich ist (Marketing-Ampere sind nicht gleich Strom-Ampere) wird das Teil wohl immer noch rund 1 Watt liefern können.
Der Sockel zur Befestigung ist rund bei einem Durchmesser von 8cm und passt daher "rein zufällig" genau auf unsere oben gewähltes Gehäuse. Man muss nur drei Löcher in den Deckel bohren und das Panel direkt auf diesem befestigen. Schon spart man sich jeglichen Halter für das Panel selbst. Der Solar-Node muss ja sowieso an den Mast.
Bestellen? Zum Beispiel Hier
... und dann war da noch: Die Antenne
Um es einmal ganz offen zu sagen: Nirgendwo wird mehr gelogen als bei den Angaben zum sogenannten "Gewinn" einer Antenne. Hier lügen die Hersteller, dass sich die Balken biegen und täuschen dem Anwender hier etwas vor, was nicht sein kann.
Daher ein paar Grundvoraussetzungen:
- Niemals kann man mehr aus einer Antenne herausholen, als man hineinsteckt. Denn genau das meint "Gewinn". Das bedeutet: Steckt man in eine Antenne 0,5 Watt Leistung hinein, kann niemals mehr als 0,5 Watt herauskommen. In der Realität kommt sogar weniger heraus, denn Stecker, Kabel, Buchsen und selbst die Antenne selbst haben immer Verluste.
- Eine "Gewinn-Angabe" in der Einheit "dB" ist wertlos, da hier keine Bezugsquelle angegeben ist ⇒ Betrughttps://www.amazon.de/dp/B09Y8BZDLN
- Eine "Gewinn-Angabe" in der Einheit "dBi" bezieht sich auf einen, nur in der Vorstellungskraft der Physiker existenten, "Isotropenstrahler". Es handelt sich hierbei um eine verlustlose und daher rein theoretische Antenne, welche nur zur Berechnung herangezogen wird.
- Nur eine "Gewinn-Angabe" in der Einheit "dBd" ist eine reale, nachmessbare und vor allem nachvollziehbare Angabe, da diese sich auf einen (real existierenden)
Sozialismus pardon Dipol bezieht. Dennoch wird man solche Angaben in der Regel nur bei Herstellern mit professionellen und hochwertigen Antennen finden.
- Kann man nur die Angabe in "dBi" ausmachen, zieht man bitte den Wert "2,15" vom dBi-Wert ab. Dann erhält man nämlich den dBd-Wert der Antenne.
Beispiele:
3 dBi = 0,85 dBd = so gut wie kein Gewinn gegenüber einem Dipol
5,8 dBi = 3,65 dBd = eine Leistungsverdopplung gegenüber einem Dipol
- ACHTUNG: Diese Gewinnangabe, wie zuvor berechnet, bezieht sich auf die EMPFANGSLEISTUNG. Sprich: Eine Antenne mit 5,8 dBi / 3,65 dBd kann ein nur halb so starkes Signal empfangen, wie ein einzelner Dipol. Denn in dieser Antenne sind physikalisch zwei Dipole zusammengeschaltet.
- ACHTUNG: Eine Rundstrahl-Antenne mit 5,8 dBi / 3,65 dBd kann auch nicht mehr als 0,5 Watt abstrahlen - niemals mehr (Ernergieerhaltungssatz der Thermodynamik)
- Eine RICHTANTENNE mit 5,8 dBi / 3,65 dBd kann die abgestrahlte Energie in einer Richtung bündeln (Öffnungswinkel) und so beim Empfänger ein doppelt so starkes Sendesignal erzeugen - obwohl nicht mehr als 0,5 Watt abgestrahlt wurde.
Alternative 1: Kurze Antenne (z.B. für Companion oder Room-Server)
Die abgebildete Antenne ist ein typischer Vertreter der "3 dBi" Klasse - also einer Antenne ohne irgend einen Gewinn. Die Länge beträgt ca. 30cm.
Halt - das stimmt so nicht ganz. Denn der "Gewinn" dieser Antenne befindet sich in ihrer Ausführung: Wasserdicht, wetterfest, N-Stecker und eine ordentliche Masthalterung, welche problemlos auch in der Lage ist, den Solar-Node selbst am Mast zu halten.
Denn gerade bei Letzterem wird extrem viel Mist angeboten - was bei dieser von uns mehrfach verwendeten Antenne nicht der Fall ist.
Über die Halterung kann die Antenne auch mit Masse resp. Erde verbunden werden und kann so gemäß VDE-0100 auch blitzgeschützt montiert werden (z.B. auf einem Hausdach). Steht die Antenne frei im Garten auf einem Mast, so muss der Blitzschutz nicht sein. Denn bei einem Blitzeinschlag ist der sowieso defekt, egal ob geerdet oder nicht.
Bestellen? Zum Beispiel Hier
Alternative 2: Lange Antenne (z.B. für Repeater)
Die links stehende Antenne ist vom gleichen Hersteller wie die kurze Antenne zuvor - nur dass deren Länge 80cm beträgt.
Laut Hersteller soll die Antenne einen "Gewinn" von 5,8 dBi / 3,65 dBd" besitzen - und ist damit zumindest empfangstechnisch besser als zwei Dipol-Antennen. Durch die größere Länge kann aber der Empfang schwacher Signale definitiv verbessert werden.
Allerdings schränkt sich hier auch der Öffnungswinkel in der Vertikalen etwas ein, so dass naheliegende Stationen unter Umständen ein schlechteres Signal im Repeater anzeigen können.
Aber generell lässt sich mit dieser Antenne etwas Reichweite gut machen.
Bestellen? Zum Beispiel Hier
Alternative 3: Richtantenne (für Link-Verbindungen)
Will man zwei Solar-Nodes miteinander verbinden zum Zwecke der Verbindung zweier lokaler Netzwerke, so erstellt man eine "Link-Verbindung" - quasi eine Richtfunkstrecke.
Mittels einer Richtantenne kann man zwei Mesh-Stationen mehr oder weniger direkt miteinander verbinden - z.B. wenn eine davon etwas weiter weg ist, als es eine normale Verbindung mit zwei Rundstrahlantennen erlaubt (im tiefen tiefen Tal 
).
Die nebenstehend abgebildete Richtantenne ist eine YAGI-UDA-Antenne (Kurzname "Yagi") und speziell als Richtantenne schon vor rund 100 Jahren designed worden. Sie kann die Sendeenergie punktgenau konzentrieren und lässt beim Empfang kaum Seitensignale zu.
Natürlich müssen zwei solche Antennen auch im LoRa-Mesh-Bereich exakt ausgerichtet werden, damit man das optimale Signal aus der Verbindung herausholen kann.
Daher ist eine Richtantenne auch ganz klar etwas für "Spezialisten", sollte dem geneigten Leser aber nicht vorenthalten werden.
Bestellen? Zum Beispiel Hier
Zusammenfassung
Wie man sehen kann, ist der Selbstbau zwar durchaus machbar - aber für einen Menschen, welcher nichts mit Modellbau zu tuen hat, nicht aus der Maker-Szene kommt, kein Funkamateur oder Hobbyfunker ist, und schon Probleme mit den Augen hat (
) nicht ganz unproblematisch.
Dennoch: Wir wollten Euch diesen Weg nicht vorenthalten. Denn Bastler gibt es viele unter uns - und gerade wenn man in einer Mehrfachfertigung mehrere Solar-Nodes bauen will, lohnt sich dieser Weg ganz unbedingt.
Die Bestell-Links(-Beispiele)
Noch einmal zusammenfassend hier alle im Text erwähnten Beispiel-Links!
Nochmaliger Hinweis: Alle aufgeführten Links dienen als Beispiel, resp. der Illustration und stellen KEINE Verkaufsempfehlung dar. Dennoch hat der Author mit diesen Artikeln persönlich gute Erfahrung gemacht. Bei anderen Nutzern kann diese Erfahrung vollkommen anders ausfallen. Daher übernimmt der Author keinerlei Garantie für die Richtigkeit und vor allem nicht für korrekte Funktion etc.
Aber dies ist eine andere Geschichte.
