In einer Welt, in der Hausautomatisierung immer zugänglicher wird, ist es heute möglich, die Außenbeleuchtung kostengünstig mit Wi-Fi-Mikrocontrollern zu automatisieren. Dieses Projekt stellt die Entwicklung eines intelligenten Systems vor, das in der Lage ist, vier 30-Watt-LED-Strahler über ein Smartphone aus der Ferne zu steuern. Diese Strahler sind an den vier Ecken eines etwa 100 m² großen Gartens positioniert. Das Ganze wird über ein privates Wi-Fi-Netzwerk gesteuert, unabhängig vom Internet, mithilfe eines NodeMCU ESP8266-Moduls. Jeder mit 220 V gespeiste Strahler wird unabhängig über ein 10-A-Relais geschaltet, was einen komfortablen Sicherheitsspielraum bietet (30 W entsprechen 0,14 A). Die Integration von 2N3904-Transistoren zwischen dem Mikrocontroller und den Relais gewährleistet eine zuverlässige Aktivierung und verhindert unbeabsichtigte Schaltungen beim Einschalten. Diese Lösung vereint Einfachheit, Leistung und Erschwinglichkeit, mit Gesamtkosten für die Hardware unter 20 Euro.
Was ist das NodeMCU ESP8266?
Das NodeMCU ESP8266 von Lolin ist eine Entwicklungsplatine, die auf dem Mikrocontroller ESP8266 basiert und speziell für die einfache Umsetzung von IoT-Projekten (Internet of Things) entwickelt wurde. Die Platine integriert ein leistungsfähiges Wi-Fi-Modul, das sich problemlos mit drahtlosen Netzwerken verbinden lässt, was sie zu einer beliebten Wahl für Hausautomation, Telemetrie und viele weitere vernetzte Anwendungen macht.
Die Besonderheit des NodeMCU liegt in seiner einfachen Entwicklungsumgebung. Ursprünglich mit Lua programmiert, ist es auch mit der Arduino-IDE kompatibel, was es sowohl für Anfänger als auch für erfahrene Entwickler zugänglich macht. Der typische Flash-Speicher beträgt 4 MB, und es stehen 10 programmierbare Ein-/Ausgangspins zur Verfügung, mit denen verschiedene Sensoren, Relais oder andere elektronische Komponenten angeschlossen werden können.
Mit seinen kompakten Abmessungen von etwa 50 mm × 25 mm lässt sich das NodeMCU leicht in eingebettete Projekte oder Prototypen integrieren. Es wird normalerweise mit 3,3 V betrieben, enthält jedoch einen integrierten Spannungsregler, der eine Versorgung von 5 V bis 12 V erlaubt. Zudem ist der Energieverbrauch gering: Im Wi-Fi-Betrieb liegt der Durchschnitt bei etwa 70 mA – ideal für batteriebetriebene Anwendungen.
Die Community rund um das NodeMCU ESP8266 ist sehr aktiv und bietet zahlreiche Bibliotheken, Tutorials und Ressourcen. Mit einem Preis von unter 10 Euro ist diese Platine ein hervorragender Kompromiss zwischen Kosten, Leistung und Benutzerfreundlichkeit für alle, die vernetzte Geräte entwickeln oder Aufgaben per Wi-Fi automatisieren möchten.
Ziel des Projekts
Das Hauptziel dieses Projekts ist die Entwicklung einer einfachen, aber leistungsstarken Installation zur individuellen Steuerung von vier 30W-LED-Strahlern über ein Smartphone, das mit einem lokalen Wi-Fi-Netzwerk verbunden ist. So kann der Benutzer beispielsweise nur den Strahler am Eingang oder im Garten einschalten, ohne die anderen zu beeinflussen – was den Stromverbrauch optimiert und die Flexibilität erhöht. Die drahtlose Fernsteuerung per Wi-Fi, eine weit verbreitete Technologie auf Modulen wie dem NodeMCU ESP8266 (vgl. Espressif Systems, 2020), ermöglicht eine kabellose Installation und eine komfortable Steuerung über jeden Webbrowser. Die entwickelte intuitive Weboberfläche ermöglicht eine schnelle Bedienung, auch für technisch weniger versierte Nutzer – ein wesentlicher Punkt für moderne Hausautomationslösungen (Quelle: IEEE IoT Journal, 2019). Schließlich ist das System auf Sicherheit und Stabilität ausgelegt, dank robuster Wi-Fi-Protokolle, die einen Schutz vor unautorisiertem Zugriff gewährleisten – ein heute zentraler Aspekt bei vernetzten Installationen.
Verwendete Komponenten
Prinzip-Schaltplan
Jeder GPIO-Ausgang des ESP8266 ist mit der Basis eines NPN-Transistors 2N3904 verbunden, der als elektronischer Schalter fungiert. Wenn ein GPIO-Ausgang auf High gesetzt wird, wird der Transistor durchgesteuert, wodurch Strom zur Eingangsseite des Relaismoduls fließt. Dieses wiederum, mit 5 V versorgt, aktiviert seinen Kontakt und schaltet den an das 220V-Netz angeschlossenen LED-Strahler. Das System stellt eine galvanische Trennung zwischen Logikspannung (3,3 V) und Netzspannung (220 V) sicher, was Sicherheit und Zuverlässigkeit garantiert. Ein fünfter Transistor verhindert unbeabsichtigte Aktivierungen beim Einschalten des ESP8266, indem er das Steuersignal zu den Relais kurzzeitig blockiert, wodurch zufälliges Einschalten durch unstabile GPIO-Zustände beim Start verhindert wird.
Funktionsweise des lokalen Wi-Fi-Netzwerks
Der ESP8266 ist als Wi-Fi-Access-Point konfiguriert mit der SSID „Ecl-jardin“. Er erstellt damit ein eigenständiges lokales Netzwerk – ganz ohne Router oder Internetzugang. Nach der Verbindung mit diesem Netzwerk über ein Smartphone kann der Benutzer über einen Webbrowser die lokale IP-Adresse 192.168.4.1 aufrufen. Die angezeigte Oberfläche erlaubt die individuelle Steuerung jedes LED-Strahlers sowie das gleichzeitige Ein- oder Ausschalten aller Lampen. Diese Lösung ermöglicht eine praktische Steuerung von jedem Ort im Haus, der vom vom ESP8266 erzeugten Wi-Fi-Signal (Reichweite bis ca. 50 Meter im Freifeld) abgedeckt wird.
Optimierung der Wi-Fi-Reichweite im ESP8266-Projekt
Die Reichweite dieses Aufbaus mit dem NodeMCU ESP8266 hängt maßgeblich von der Wi-Fi-Sendeleistung ab, die mit der Funktion WiFi.setOutputPower() angepasst werden kann. Standardmäßig verwendet dieses Projekt 18 dBm (ca. 63 mW), was eine Reichweite von 20 bis 30 Metern in Innenräumen und bis zu 100 Metern im Freien ohne Hindernisse erlaubt. Um diese Reichweite zu erhöhen, kann der Wert auf das Maximum des Moduls (20,5 dBm ≈ 112 mW) erhöht werden, z. B. durch WiFi.setOutputPower(20.5). Weitere Maßnahmen beinhalten den Einsatz einer externen Richtantenne oder eines Wi-Fi-Repeaters wie dem TP-Link RE305. Für komplexere Anwendungen empfiehlt sich ein Mesh-Netzwerk oder der Einsatz von ESP32-Modulen mit externer Antenne – oder LoRa-Module, wenn keine Weboberfläche in Echtzeit erforderlich ist.
Steuerung über Web-Oberfläche
Vereinfachte HTML-Struktur der Oberfläche:
- Einzelne ON / OFF-Schaltflächen für jede Lampe
- Globale Befehle: Alle Lampen ein- oder ausschalten
- Statusanzeige: Farbige Kreise (gelb = an, grau = aus)
- Sicherheitsmodus: Gesamtsystem aktivieren / deaktivieren
Beispiel für Befehle über den Browser:
Zusammenfassung der verwendeten GPIOs
Stromversorgung der Steuerschaltung
Die Steuerschaltung – bestehend aus dem NodeMCU ESP8266 und einem 4-Kanal-Relaismodul – hat bei Volllast (alle Relais aktiv) einen maximalen Stromverbrauch von etwa 400 mA bei 5 Volt. Um einen stabilen und zuverlässigen Betrieb zu gewährleisten, wird dringend empfohlen, eine Stromversorgung mit mindestens 1 Ampere bei 5 V zu verwenden. Dieser Sicherheitsspielraum verhindert kritische Probleme wie Spannungseinbrüche (die Neustarts auslösen können), Überhitzung des Netzteils und sporadische Fehlfunktionen, z. B. das ungewollte Aktivieren von Relais. In der Embedded-Elektronik ist eine unterdimensionierte Stromversorgung oft die Hauptursache für schwer zu diagnostizierende Fehler. Für reale Anwendungen ist der Einsatz eines gut geregelten 5V/1A-Netzteils (z. B. ein Step-Down-Konverter oder ein hochwertiges 5V-USB-Netzteil) zu empfehlen – für stabilen Betrieb auch bei wechselnden Temperaturen oder Lasten.
Stromverbrauch und Kompatibilität
Jeder LED-Strahler verbraucht 30 W bei einer Spannung von 220 V, was eine Gesamtleistung von 4 × 30 W = 120 W für die gesamte Installation ergibt. Der insgesamt aufgenommene Strom beträgt etwa 0,55 A (120 W / 220 V), ein sehr niedriger Wert im Vergleich zur maximalen Belastbarkeit der verwendeten Relais, die jeweils bis zu 10 A schalten können, also 2200 W pro Relais. Dies bietet eine komfortable Sicherheitsmarge und erlaubt den Einsatz leistungsstärkerer Strahler. Theoretisch kann jedes Relais einen Strahler mit bis zu 2200 W steuern, aber um einen sicheren Betrieb zu gewährleisten und die Lebensdauer der Komponenten zu verlängern, wird empfohlen, 1000 W pro Kanal nicht zu überschreiten. Dieses System eignet sich daher perfekt für die Außenbeleuchtung im Wohnbereich, auch mit leistungsstärkeren Strahlern.
Programm auf das ESP8266 laden: detaillierte Schritte
Zum Installieren des Programms müssen Sie die Arduino-IDE oder eine andere kompatible Umgebung (z. B. PlatformIO) verwenden. Öffnen Sie einfach den Quellcode im Editor und schließen Sie das ESP8266-Modul (NodeMCU) mit einem Micro-USB-Kabel an Ihren Computer an. Vor dem Hochladen vergewissern Sie sich, dass Sie im Menü „Werkzeuge > Board“ die Karte „NodeMCU 1.0 (ESP-12E Module)“ sowie im Menü „Werkzeuge > Port“ den richtigen COM-Port ausgewählt haben. Sobald diese Einstellungen vorgenommen wurden, klicken Sie auf die Schaltfläche „Hochladen“. Der Code wird kompiliert und anschließend auf das ESP8266-Modul übertragen, das nach dem Laden automatisch das Steuersystem startet.
Hochzuladender Code
Download-Link: https://www.zonetronik.com/wp-content/uploads/2025/05/Programme-projet-controle-intelligent-eclairage-de-jardin.zip
Sichere Installation des Systems im Innen- und Außenbereich
Für die Installation dieses Systems im Haus oder im Garten ist es wichtig, die elektrischen Sicherheitsregeln, Dichtheit und Wärmeableitung zu beachten. Wenn Sie sich entscheiden, die Steuerschaltung im Freien zu platzieren, müssen die NodeMCU-Platine, das 5V-Netzteil und das 4-Kanal-Relaismodul in einem wasserdichten Gehäuse (mindestens IP65) untergebracht werden, das zudem groß genug ist, um eine gute Luftzirkulation um die Komponenten zu gewährleisten. Diese Elemente können nämlich erhebliche Wärme abgeben, insbesondere das Netzteil und die Relais bei längerem Betrieb. Es wird empfohlen, ein passiv belüftetes Gehäuse (mit vor Wasser geschützten Lüftungsöffnungen) zu verwenden oder es im Schatten zu platzieren, um Überhitzung zu vermeiden. Die Kabel zu den vier LED-Strahlern sollten sorgfältig befestigt werden, mit geeigneten Außenleitungen (z. B. ICTA oder TPC), die eine gute Isolierung gewährleisten. Aus Sicherheitsgründen wird dringend empfohlen, am Anfang der Stromversorgung einen Fehlerstromschutzschalter mit 30 mA einzusetzen, um das gesamte System vor Überstrom und Leckströmen zu schützen. Schließlich sollten alle elektrischen Verbindungen fest verschraubt und in wasserdichten Abzweigdosen untergebracht werden, um langfristige Zuverlässigkeit auch bei Außenbedingungen sicherzustellen.
Hauptvorteile und Zuverlässigkeit des Lampensteuerungsprojekts mit ESP8266
Dieses Projekt bietet einen wesentlichen Vorteil, indem es die Steuerung von bis zu vier Lampen mit jeweils 30 W (insgesamt 120 W) über ein lokales WLAN-Netzwerk ohne Internetzugang ermöglicht. Diese Unabhängigkeit gewährleistet erhöhte Sicherheit und kontrollierten Stromverbrauch mit einem maximalen Strom von etwa 0,55 A bei 220 V. Die Weboberfläche, die von jedem mit dem Netzwerk verbundenen Smartphone oder Computer aus zugänglich ist, ermöglicht eine einfache und schnelle Steuerung der Lampen. Darüber hinaus verwendet das System Relais, die bis zu 10 A unterstützen können, was eine hohe Zuverlässigkeit und eine komfortable Sicherheitsmarge bietet. Anpassbar und kostengünstig stellt dieses Projekt eine praktische und modulare Lösung für die persönliche Hausautomatisierung dar.