Zuverlässige 1-Wire Netzwerke

Mit diesem Leitfaden möchten wir Ihnen ein paar einfache Tipps zur Hand geben, wie Sie ein zuverlässiges 1-Wire (Mess-)Netzwerk aufbauen, z.B. bei einem Haus-Bus. Mit über 10 Jahren Erfahrung im 1-Wire Bereich, haben wir schon das ein oder andere gesehen, mitbekommen und vor allem ausprobiert.

Falls bei Ihnen bereits der Eindruck entstanden ist, das 1-Wire Protokoll sei unzuverlässig oder es sei aufwändig oder kompliziert ein zuverlässiges 1-Wire Netzwerk aufzubauen - wir können Sie beruhigen, es ist kein Problem wenn man die richtige Hardware verwendet und man sich an bestimmte Dinge hält.

Im Internet kursieren die wildesten Ansätze, Ratschläge und Hinweise, wie man die Zuverlässigkeit von 1-Wire Netzwerken verbessern kann. Auch wir bekommen diese Frage regelmäßig gestellt. Manche Maßnahmen zur Steigerung der Zuverlässigkeit sind zwar nicht grundlegend falsch, gehen aber an der eigentlichen Problematik vorbei.

Hintergründe

Das 1-Wire Protokoll wurde ursprünglich dafür entwickelt, dass unterschiedliche Baugruppen auf einer Platine (z.B. Microcontroller) miteinander kommunizieren können, und zwar mit nur einem einzigen Pin für die Datenübertragung. Es müssen hier also nur kürzeste Distanzen überbrückt werden.

Ein häufig anzutreffender Irrglaube ist daher, dass das Geheimnis eines zuverlässigen 1-Wire Bus einzig darin bestünde, welche Netzwerk-Topologie man einsetzt und wieviele Kondensatoren oder sonstigen Bauteile und Verstärker man an allen möglichen Stellen im 1-Wire Netzwerk platziert. Solche Maßnahmen können eine minimale Besserung erzielen, gehen das Kernproblem aber in keiner Weise an, nämlich dass das 1-Wire Protokoll in seiner ursprünglichen Form garnicht für das Übertragen von Daten über größere Distanzen vorgesehen war.

Ein weiterer Ansatz um das Problem zu umschiffen ist die Aufteilung in mehrere sehr kleine 1-Wire Netze. Zuerst einmal muss die jeweilige Anwendung diese Art der Aufteilung unterstützen, zum anderen werden dadurch einige Hardware-Komponenten doppelt und dreifach oder sogar noch öfter benötigt (Stromversorgungen, 1-Wire Master, Verteiler). Es gibt Situationen in denen eine Aufteilung in mehrere Netze Sinn macht, diese haben in der Regel aber nicht den Hintergrund, die Zuverlässigkeit des 1-Wire Netzwerks zu steigern.

Wir können versichern, dass Sie all das nichts angehen wird, solange Sie einen 1-Wire Master einsetzen, der auch für den Betrieb von 1-Wire Netzwerken konzipiert ist. Bedauerlicherweise trifft dies auf die gängigsten 1-Wire Master allesamt nicht zu. Unwissenheit und die Tatsache, dass Standardadapter meist etwas günstiger sind führen dazu, dass die Kaufentscheidung oft auf den falschen 1-Wire Master fällt. Wer sparen will kauft häufig zweimal.

1-Wire Master für 1-Wire Netzwerke

1-Wire Master, die auf den Hardware-Schnittstellen vom Hersteller Maxim Integrated basieren (z.B. DS9490R oder DS9097U), funktionieren nur so lange zuverlässig, wie sie im vorgesehenen Anwendungsgebiet eingesetzt werden. Dazu gehören eCash-Systeme, Handmessgeräte oder die Programmierung von Datenloggern. Werden diese Adapter für 1-Wire Netzwerke eingesetzt, häufen sich die Probleme mit zunehmender Leitungslänge und Gerätezahl. Die Ursache liegt wie bereits erläutert an den Eigenschaften des 1-Wire Protokolls.

Es ist zwar möglich, auch mit solchen 1-Wire Mastern die Zuverlässigkeit bei größeren Netzen zu verbessern, dafür wird aber zusätzliche Hardware benötigt und noch viel wichtiger, die jeweilige Software muss ihren Teil dazu beitragen. Sehr viel Aufwand für ein mittelmäßiges Ergebnis. Zusätzliche Hardware verursacht Kosten und die Entwicklung von Algorithmen zur Verbesserung des 1-Wire Protokolls erst recht.

1-Wire Master die alle Voraussetzungen zum Betrieb von 1-Wire Netzwerken mitbringen, sind die Adapter der Link-Familie vom Hersteller iButtonLink. Diese 1-Wire Master sind für unterschiedliche Schnittstellen erhältlich und können auf allen gängigen Plattformen (Windows, Linux, Mac) unter Verwendung von Originaltreibern eingesetzt werden. Alle Adapter der Link-Familie basieren auf der selben Technologie. Wenn Sie uns also nach einer Empfehlung fragen - das ist sie. Durch unsere Erfahrung in der täglichen Arbeit und jede Menge Feedback unserer Kunden, können wir diese Adapter-Familie ausnahmslos jedem empfehlen, der ein zuverlässiges 1-Wire Netzwerk betreiben möchte. Warum diese Adapter besser geeignet sind als andere Adapter, erläutern wir im nächsten Abschnitt.

The Link - Der intelligentere Ansatz

Der wesentliche Unterschied zu anderen 1-Wire Mastern liegt darin, dass die Adapter der Link-Familie nicht auf einer statischen 1-Wire Schnittstelle basieren, sondern dass die eigentliche 1-Wire Kommunikation von einem Microcontroller durchgeführt wird. Wenn man so will, kann man im Gegensatz zu den Standardschnittstellen von einer intelligenten Schnittstelle sprechen. Die dadurch entstehenden Vorteile sind weitreichend.

Durch die Verwendung eines Microcontrollers kann die 1-Wire Kommunikation auf unterster Ebene dynamisch an das jeweilige Netz angepasst werden - und zwar vollautomatisch. Dort wo es bei Standardadaptern zu holpern beginnt, sorgen ausgefeilte und über Jahre hinweg perfektionierte Algorithmen dafür, dass die 1-Wire Kommunikation auch dann noch funktioniert, wenn das 1-Wire Protokoll außerhalb seiner ursprünglichen Bestimmung eingesetzt wird. Ermöglicht wird dies dadurch, dass bestimmte Parameter bei der 1-Wire Kommunikation soweit angepasst werden können, dass das 1-Wire Protokoll auch bei langen Kabelwegen noch genauso gut funktioniert wie bei kurzen.

Das Beste aus der Sicht des Anwenders: Die Optimierungen laufen völlig transparent ab. Das heißt, als Anweder braucht man sich diesbezüglich um nichts kümmern, denn grundlegend geben sich Link-Adapter nach Außen hin wie eine herkömmliche 1-Wire Schnittstelle. Software für Standardadapter kann mit einem Link-Adapter ohne Anpassungen weiterverwendet werden, profitiert aber gleichzeitig voll und ganz von den Vorteilen der intelligenten 1-Wire Kommunikation.

Neben der zusätzlichen Ebene zwischen Software und dem 1-Wire Bus warten die Adapter der Link-Familie noch mit weiteren Vorteilen auf Hardware-Ebene auf. Im Vergleich zu herkömmlichen Adaptern haben Link-Adapter zusätzliche Schaltungen integriert, die Störeinflüsse aus dem 1-Wire Netz oder von Seite des Host-Systems wirksam reduzieren, sodass auch in diesem Bereich alles für ein zuverlässiges 1-Wire Netzwerk getan ist.

Die Wahl des richtigen Kabels

Eine weitere wichtige Rolle beim Aufbau von zuverlässigen 1-Wire Netzwerken spielen die verwendeten Kabel. Auch wenn diese nicht von so elementarer Bedeutung sind wie der 1-Wire Master, möchten wir an dieser Stelle mit ein paar Irrtümern aufräumen.

Ein weit verbreiteter Irrtum ist die Annahme, dass Telefon- oder Flachbandkabel für den 1-Wire Bus geeignet seien. Dies ist vor allem dem Umstand geschuldet, dass einige Hersteller ihre 1-Wire Master mit RJ12-Buchsen versehen. Beispiele hierfür sind der DS9490R oder DS9097U von Maxim Integrated. Bei diesen Adaptern handelt es sich aber wie bereits ausführlich erläutert, um keine Adapter für 1-Wire Netzwerke! Allgemein ist daher von der Verwendung von Telefon- oder ISDN-Kabeln abzuraten, denn diese haben weder eine Schirmung, noch haben sie verdrillte Adernpärchen.

Auch aufgrund des Namens 1-Wire (Eindraht), wird es auch immer wieder als besonders elegant angesehen, beim 1-Wire Bus ein möglichst dünnes Kabel mit wenigen Adern einzusetzen. Die Möglichkeit, 1-Wire Geräte wie z.B. Temperatursensoren, direkt über die Datenleitung mit Strom zu versorgen, bestärkt viele Nutzer in dieser Annahme.

Die Wahrheit ist, für einen soliden 1-Wire Bus, sollten wann immer möglich, geschirmte achtadrige Kabel mit verdrillten Adernpärchen (Twisted-Pair) eingesetzt werden. Im Grunde würden auch sechs Adern reichen. Aus Kostengründen verwendet man in der Praxis aber ausschließlich achtadrige Cat5 oder noch besser Cat7 Kabel aus der Netzwerktechnik. Mit ein Grund, weshalb die eingangs vorgestellten 1-Wire Adapter der Link-Familie ausschließlich RJ45-Buchsen als 1-Wire Schnittstelle haben, denn ein 1-Wire Netz mit zwei- oder dreiadrigen Käbelchen zu installieren ist keine gute Idee und führt zu keinem befriedigendem Ergebnis.

Man darf sich zurecht die Frage stellen, warum man für den sogenannten 1-Wire Bus achtadrige Kabel verwenden soll oder muss. Da der Aufbau von 1-Wire Netzwerken zum Messen und Steuern nichts mehr mit dem ursprünglichen Gedanken des Protokolls zu tun hat, muss man mit diesem Umstand leben.

Die zusätzlichen Adern werden zur Stromversorgung der ganzen 1-Wire Geräte wie Sensoren oder Aktoren benötigt. Die meisten Geräte benötigen 5 Volt, einige Ausnahmen funktionieren nur mit 12 Volt Spannungsversorgung. Manche 1-Wire Geräte erlauben zwar die Stromversorgung über die Datenleitung, aber auch diese Möglichkeit ist nicht für ganze 1-Wire Netzwerke gedacht. Von der sogenannten parasitären Stromversorgung, also der Stromversorgung über die Datenleitung, raten wir in 1-Wire Netzwerken eindringlich ab. Es macht die gesamte Kommunikation nicht zur langsamer, es verringert auch die Robustheit der Anwendung.

Zusätzliche Stromversorgung

Bei größeren 1-Wire Netzwerken wird meistens eine zusätzliche Stromversorgung benötigt. Entweder weil der Strom des 1-Wire Masters nicht ausreicht oder erst garnicht zur Verfügung gestellt wird. In diesem Abschnitt beziehen wir uns ausschließlich auf die im Rahmen dieses Leitfadens vorgestellten Adapter der Link-Familie.

Mit Ausnahme des LinkHubS stellt kein Adapter der Link-Familie eine 12 Volt Versorgung bereit. Der LinkUSB verfügt über einen limitierten 5 Volt Ausgang, der für kleinere Sensornetzwerke, die vorwiegend aus Temperatursensoren bestehen, ausreicht. Sollen jedoch eine größere Anzahl an stromhungrigeren Modulen wie Luftfeuchtesensoren oder Messwandler eingesetzt werden, kommt man um eine zusätzliche Stromversorgung nicht herum. Der Link45 für COM-Port (RS232) hat garkeine Spannungsversorgung, daher wird man bei diesem Adapter in jedem Fall auf eine zusätzliche Stromversorgung angewiesen sein.

Bei einem 1-Wire Bus in Gebäuden mit vielen Sensoren und Aktoren kann der Strombedarf schnell auf über 100 mA anwachsen. Achten Sie bei der Auswahl der Stromversorgung deshalb auf eine ausreichende Dimensionierung. Passend zur Familie der Link-Adapter gibt es den MS-PWR, der ausreichend Strom und einen Pin für die 12 Volt Spannungsversorgung zur Verfügung stellt. Damit ist in der Regel genug Luft nach oben, sodass die Stromversorgung nicht gleich zusammenbricht sobald ein weiterer Sensor oder Aktor am 1-Wire Netzwerk angeschlossen wird.

Schlussbemerkung

Alle Hinweise basieren auf jahrelanger Erfahrung und unzähligen Rückmeldungen unserer Kunden. Wenn Sie sich an unsere Empfehlungen halten, steht einem reibungslosen Einstieg in den 1-Wire Bereich nichts mehr im Weg. Gerne beraten wir Sie auch persönlich. Rufen Sie uns an oder schreiben Sie uns!