BlueBrixx-Eisenbahnsteuerung mit ESP32 und LoRa

Drahtlose Steuerung einer LEGO-Eisenbahn mit ESP32, LoRa, TFT-Touchdisplay, Motortreiber und Sound.

Das Projekt besteht aus zwei getrennten Steuerungsbereichen:

• Loksteuerung
• Weichensteuerung

Die Bedienung erfolgt über TFT-Touchdisplays. Die Steuerbefehle werden drahtlos über LoRa an die jeweiligen Empfänger übertragen.

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Projektübersicht

                         BlueBrixx-EISENBAHN
                               │
              ┌────────────────┴────────────────┐
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              ▼                                 ▼
       LOKSTEUERUNG                       WEICHENSTEUERUNG
              │                                 │
        TFT Touchdisplay                  TFT Touchdisplay
              │                                 │
              ▼                                 ▼
        LoRa Sender                        LoRa Sender
              │                                 │
              │ 868,1 MHz                     │ 868,3 MHz
              ▼                                 ▼
        LoRa Empfänger                    LoRa Empfänger
              │                                 │
        ┌─────┴─────┐                         │
        │           │                         │
      DRV8833   DFPlayer                    DRV8833
        │           │                         │
        ▼           ▼                         ▼
    LEGO-Motor    Sound                   Weichenmotor

1. Loksteuerung

Die Lok wird über ein TFT-Touchdisplay gesteuert.

Funktionen

• Vorwärts
• Stop
• Rückwärts
• Geschwindigkeit 0–100 %
• Auswahl der Lok-ID
• Soundsteuerung
• LoRa-Übertragung
• automatische zyklische Übertragung
• Failsafe beim Empfänger

Richtungen

0 = STOP
1 = VORWÄRTS
2 = RÜCKWÄRTS

Geschwindigkeit

Die Geschwindigkeit wird auf dem Touchdisplay von 0–100 % eingestellt.

Für die Übertragung wird dieser Wert auf den PWM-Bereich 0–255 umgerechnet.

2. Soundsteuerung

Die Loksteuerung besitzt vier Soundmodi:

0 = SOUND_OFF
1 = SOUND_STAND
2 = SOUND_DRIVE
3 = SOUND_SIGNAL

Der Empfänger verwendet einen DFPlayer Mini zur Wiedergabe der Sounds.

Die Dateien liegen im Ordner:

/01/

mit:

001.mp3 = Fahrt
002.mp3 = Stand
003.mp3 = Signal

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3. Lok-ID

Über die Touchoberfläche kann die aktive Lok ausgewählt werden.

Die Lok-ID wird zusammen mit den Steuerdaten über LoRa übertragen.

Im Empfänger wird festgelegt, auf welche Lok-ID der Empfänger reagiert.

Beispiel:

#define MY_LOK_ID 1

Damit können mehrere Lokempfänger mit unterschiedlichen IDs betrieben werden.

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4. LoRa-Daten der Loksteuerung

Der Lok-Sender überträgt vier Bytes:

Byte 1   Lok-ID
Byte 2   Richtung
Byte 3   Geschwindigkeit
Byte 4   Sound-Modus

Beispiel:

Lok 1
Richtung vorwärts
Geschwindigkeit 50 %
Sound Fahrt

wird als entsprechende Bytefolge übertragen.

Die Geschwindigkeit wird vor der Übertragung von 0–100 % auf 0–255 umgesetzt.

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5. Lok-Empfänger

Der Lok-Empfänger verarbeitet die LoRa-Steuerdaten und steuert damit den LEGO-Motor.

Verwendet werden:

• ESP32
• LoRa-Modul
• DRV8833 Motortreiber
• DFPlayer Mini

Der DRV8833 wird für die Richtungs- und Geschwindigkeitssteuerung verwendet.

Die Geschwindigkeit wird über PWM gesteuert.

PWM-Frequenz: 20 kHz
Auflösung:    8 Bit

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6. Failsafe

Der Lok-Empfänger besitzt eine Sicherheitsfunktion.

Wenn länger als

800 ms

kein gültiges Steuerpaket empfangen wird, wird:

• der Motor gestoppt
• der Motortreiber deaktiviert
• der Sound ausgeschaltet

Damit wird verhindert, dass eine Lok bei einem Ausfall der Funkverbindung unkontrolliert weiterfährt.

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7. Weichensteuerung

Die Weichen werden ebenfalls über ein TFT-Touchdisplay gesteuert.

Über das Display kann zwischen zwei Weichen umgeschaltet werden:

Weiche 1
Weiche 2

Für die ausgewählte Weiche kann anschließend gewählt werden:

Gerade
Abzweig

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8. Weichensteuerung über LoRa

Die Weichensteuerung verwendet eine eigene LoRa-Frequenz:

868,3 MHz

Der Sender überträgt:

Byte 1   Weichen-ID
Byte 2   Schaltbefehl

Die Befehle sind:

1 = Gerade
2 = Abzweig

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9. Weichen-Empfänger

Der Weichen-Empfänger steuert den Weichenmotor über einen DRV8833.

Zum Schalten wird ein kurzer Motorimpuls verwendet.

PWM:          80
Impulsdauer:  400 ms

Nach dem Impuls wird der Motor wieder abgeschaltet.

Dadurch wird der Weichenantrieb nicht dauerhaft bestromt.

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10. Speicherung des Weichenzustands

Der zuletzt bekannte Zustand der Weiche wird im EEPROM des ESP32 gespeichert.

Damit bleibt der Zustand auch nach einem Neustart erhalten.

Gespeichert wird:

1 = GERADE
2 = ABZWEIG

Beim Einschalten wird der gespeicherte Zustand aus dem EEPROM gelesen.

Ist kein gültiger Zustand gespeichert, wird als Standard verwendet: GERADE

11. LoRa-Anschluss

Für die LoRa-Module werden folgende SPI-Pins verwendet:

ESP32	Funktion
GPIO 18	SCK
GPIO 19	MISO
GPIO 23	MOSI
GPIO 5	SS / CS
GPIO 17	RESET
GPIO 26	DIO0

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12. Motorsteuerung

Die Motorsteuerung der Lok verwendet:

ESP32	Funktion
GPIO 25	IN1
GPIO 33	IN2
GPIO 32	ENA
GPIO 27	STBY

Der DRV8833 ermöglicht:

• Vorwärtsfahrt
• Rückwärtsfahrt
• Stop
• Geschwindigkeitsregelung über PWM

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13. DFPlayer Mini

Der DFPlayer Mini wird über eine serielle Schnittstelle angeschlossen.

GPIO 16 = RX
GPIO 4  = TX

Der Player wird mit

9600 Baud

betrieben.

Die Sounddateien werden über Ordner und Dateinummer angesprochen.

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14. TFT-Touchdisplay

Die Steuerung verwendet ein TFT-Touchdisplay mit der Bibliothek:

TFT_eSPI

Die Touchkalibrierung wird im jeweiligen Sender-Sketch gespeichert.

Das Display stellt die wichtigsten Funktionen direkt als Touchflächen bereit.

15. Dateien im Repository

Quellen	_LoRaLock_Sender.ino _LoRaLock_Empfänger.ino _LoRaWeiche_Sender.ino _LoRaWeiche_Empfänger.ino user_setup.h
Dateien	Schaltpläne, 3D Druckvorlagen, Bilder
Repository	joachim-reuter/LEGO-Eisenbahnsteuerung-LoRa: LEGO-Eisenbahnsteuerung-LoRa

16. Aufbau

Das Projekt ist modular aufgebaut.

Die Bedienung und die eigentliche Steuerung sind voneinander getrennt:

Touchscreen
    │
    ▼
LoRa-Sender
    │
    │ Funk
    ▼
LoRa-Empfänger
    │
    ▼
Motortreiber
    │
    ▼
Motor

Dadurch können Steuerung und Fahrzeuge räumlich voneinander getrennt betrieben werden.

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17. Mehrere Loks

Durch die Verwendung einer Lok-ID kann ein Empfänger gezielt auf seine eigene Lok-ID reagieren.

Beispiel:

Lok 1 → MY_LOK_ID 1
Lok 2 → MY_LOK_ID 2
Lok 3 → MY_LOK_ID 3

Der Sender kann die gewünschte Lok über die Touchoberfläche auswählen.

Das Konzept ermöglicht damit eine spätere Erweiterung auf mehrere Loks.

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18. Mehrere Weichen

Auch die Weichen werden über eine ID angesprochen:

Weiche 1
Weiche 2

Das gleiche Prinzip kann später auf weitere Weichen erweitert werden.

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19. Sicherheit

Die Loksteuerung verwendet einen Kommunikations-Timeout.

Wird keine gültige Steuerung mehr empfangen, wird die Lok automatisch gestoppt.

Bei der Weichensteuerung wird der Motor nur für die definierte Impulsdauer aktiviert.