Pharos Resurgens - Der Leuchtturm erstrahlt erneut

Hintergrund

Es ist das Jahr 2008 und ich bin mitten in der Mittelschule. Unser Lehrer stellt die Projektaufgabe für die nächsten Wochen vor: Modellierung eines Wahrzeichens. Materialien wie Knete, die an der Luft aushärtet und Farbe werden bereitgestellt. Viele aus der Klasse suchen sich Objekte aus den Sieben Weltwundern aus, einige lokale Denkmäler. Ich wähle den Leuchtturm von Alexandria. Ein Objekt so populär, dass dessen Name (Pharos im Altgriechischen) zum Begriff für Leuchttürme wurde. Im Unterricht verbrachten wir mehrere Stunden mit Analyse und Vorbereitung. Ich suchte im damals jungen Internet nach Bildern vom Turm, an denen ich mich orientieren würde.

Wie oft ließ ich die Arbeit daran etwas schleifen, wollte aber etwas Großes abliefern. Daher haben mein Papa und ich in der Woche vor der Präsentation in dessen Werkstatt gebastelt. Im Gegensatz zu den anderen aus der Klasse nutzen wir Knete nur als dünnen Verputz und erstellen ein Grundgerüst aus Holzplatten und Wasserrohren. Als Sohn eines Handwerkers erstellte ich zunächst eine ordentliche Skizze — die es leider nicht bis zu dieser Zeit geschafft hat.

Auch vom Prozess gibt es leider keine Bilder. Als Highlight bauten wir jedoch noch eine Leuchte ein, die über einen außen angebrachten Schalter von einer 9V Batterie im Inneren versorgt wurde. Diese wurde professionell über eine Einkerbung und Kabelbindern gehalten.

Nach der Präsentation im Kunstunterricht brachte ich den Turm nach Hause. Seitdem schmückte er fünf meiner Zimmer und überstand verlustlos drei Umzüge. Genutzt wurde er aber nie. Und das ist schade. Daher wird es Zeit für eine Umrüstung.

Let’s Retrofit Pharos!

Gliederung

Das Projekt soll nicht so groß und detailliert sein, jedoch streng aufeinander aufbauen:

1. Zielfestlegung
2. Anforderungsanalyse
3. Design (Schaltpläne, 3D-Druck-Design)
4. Umsetzung (Drucken, Kleben, Löten, HA-Automatisierung, LED-Programmierung)
5. Evaluation (sieht es gut aus? Was hätte besser werden können?)

Ziel und Einordnung

Ziel: Den Pharos mit Beleuchtung cool aussehen zu lassen.

Ich verzichte auf eine umfassende Literaturrecherche und Inspirationsphase, weil ich eigene Ideen entwickeln und umsetzen will.

1. Die “Fenster” am Turmkörper sollen illuminiert werden.
   • Hier schwankte ich zunächst zwischen indirekter Beleuchtung und direkter durch einen Diffusor.
   • Ich entschied mich für die einfache Variante der indirekten Beleuchtung.
2. Der Laternenturm soll als neues Leuchtfeuer eine LED Matrix erhalten, die neben “Flammen” auch komplexere, zusammenhängende Effekte anzeigen kann. Dafür ist eine Diffusionsschicht zwingend nötig.
3. Die Kuppel soll komplett neu entstehen.
4. Die Stromversorgung soll unkompliziert sein.
5. Die Programmierung soll eine HomeAssistant Integration besitzen und tendenziell wartungsarm sein.
6. Es sollen keine baulichen Änderungen am Gebäude vorgenommen werden (Denkmalschutz! ;) )

Anforderungsanalyse

Aus den Zielen ergeben sich gewisse Anforderungen, die dem Design Randbedingungen auferlegen.

• Die Beleuchtung
  • muss programmierbar sein, um Effekte anzuzeigen
  • dafür eignen sich WS2812b (oder vergleichbare)
  • Ein kurzer Test zeigt, dass eine Dichte von 60 LEDs/m gerade so ausreichend für das Leuchtfeuer ist und dass 30 LEDs/m für den Turmkörper zu wenig wären.
• Die Stromversorgung
  • Erfahrungsgemäß haben WS2812b von 5V auf diesen kurzen Distanzen keinen relevanten Spannungsabfall und die beste Energiebilanz.
  • Da die Versorgung unkompliziert sein soll, wird auf Batterien oder Akkus verzichtet.
  • Ein Controller ist daher nötig, der die Optik nicht stark beeinträchtigt, z.B. am unteren hinteren Ende.

Teilprojekt 1: Turmkörper

Der Turmkörper ist innen fast hohl, ein dreipoliges Stromkabel ist bereits bis zum Leuchtfeuer geführt. Die alte Stromversorgung verlief von der Batterie über diesen Knopf. Beide lassen sich sehr einfach demontieren.

TP1 Design

Beim Design lasse ich mich von meiner Intuition leiten und plane zwei LED-Streifen über die gesamte Höhe des Turms. Werden sie in den vorderen Ecken angebracht, können sie von vorne und von den Seiten durch kein Fenster direkt gesehen werden.

Um die Ausstrahlung gleichmäßig zu halten, plane ich dreieckige Prismen mit LED-Führungsschienen zu drucken.

Im Inneren blockieren Holzblöcke die gerade Nutzung der gesamten Höhe, daher teile ich die Führungsschienen in zwei Teile, dazwischen werden die LED-Bänder durch ihre eigene mechanische Spannung in Form gehalten.

Die elektrischen Anschlüsse plane ich über 3-polige JST-Konnektoren. Die Gesamtzahl der LEDs macht es nicht nötig, mehrere Einspeispunkte zu haben. Das Design gestattet es jedoch, zwischen den zwei Teilen eine Einspeisung nachzurüsten.

TP1 Umsetzung

Die LEDs werden auf die benötigte Länge konfektioniert und mit JST-Stecker und -Buchse versehen. Der 3D-Druck gestaltet sich mit meinem neuen Snapmaker U1 als Kinderspiel, das Material war mir in diesem Fall egal. Die Führungsschienen sind sehr exakt.

Die LEDs an den Schienen und diese am Holz werden mit ein wenig Sekundenkleber locker befestigt. Die LEDs darüber werden entsprechend der Holzblöcke gebogen. Zuvor wird die Anordnung nochmals überprüft.

Bei der Installation stand ich vor zwei Herausforderungen:

• TP1-H1
  • Das Zugangsloch ist relativ eng für zwei Hände und das Anbringen von LEDs im Inneren mit einer Hand ist ein zeitaufwändiges Geduldspiel.
  • Lösung: Erst die LEDs anbringen und dann das ganze Konstrukt einführen. Das Ankleben der Schienen im Innenraum ist dann deutlich einfacher.

• TP1-H2
  • Die Länge der Führungsschienen hätte links und rechts unterschiedlich sein müssen, da der eine Holzblock ~5mm größer ist.
  • Lösung: Die ressourcenschonende Verkleinerung der Schiene mit einem Dremel.

Danach wird das Ende der neuen LEDs mit dem bereits installierten Stromkabel zum Laternenturm verbunden. Dies hat praktischerweise bereits drei Anschlüsse, aus der Erdung wird kurzerhand das Datenkabel.

Teilprojekt 2: Laternenturm & Leuchtfeuer

Hier oben ist es deutlich enger. Unter den Sichtfenstern ist eine halbrunde Holz-Plattform, auf der das Leuchtfeuer mit einer Schraube befestigt sitzt. Ein Wasserrohr-Endstück mit Holzeinsatz und viel Klebeband bildet die abnehmbare Kuppel.

TP2 Design

Das Kabel kommt von unten, daher beginnt dort auch das LED-Band. Als Leuchtfeuer entscheide ich mich für einen einfach anzubringenden Schraubenwickel eines LED-Bandes um einen Zylinder. Dieser ist hohl, um Stauraum für überschüssige Kabel zu haben, und besitzt einen Stehrahmen unten, um auf der Halbkreisplattform montiert zu werden. Auf dem Stehrahmen lasse ich eine Nut als Führungsrille für den Diffusor ein.

Der Diffusor ist ein Hohlzylinder mit sehr dünner Wand, sodass sie von Licht durchdrungen werden kann.

Die Maße des Laternenturms nehme ich exakt mit dem Messschieber, die restlichen Maße schätze ich mit einem Lineal ab.

Damit ist das Design komplett.

Übrigens: Über den Stromverbrauch der LEDs mache ich mir an diesem Punkt keine detaillierten Pläne, da es eine kleine Menge ist, die kaum ins Gewicht fällt.

TP2 Umsetzung

Durch die Präzision des U1 passt der Diffusor perfekt in seine Nut und der Zylinder in den Laternenturm.

Zumindest passte beim zweiten Mal alles. Nach dem ersten Druck stellte ich fest, Radius und Durchmesser verwechselt zu haben …

Die LEDs werden gewickelt, konfektioniert und mit JST-Konnektoren belötet. Danach angeklebt. Die erste wird so gesetzt, dass die LED auf dem Rand des Zylinders ist und das Kabel am Rand der halbrunden Plattform vorbeigeht. So kann die für LEDs nutzbare Fläche maximiert werden.

Nur fällt auf, dass das neue Leuchtfeuer exakt mit der oberen Kante des Laternenturms abschließt. Die alte Kuppel passt nun nicht mehr drauf.

Teilprojekt 3: Kuppel

Die Kuppel betrachte ich als meisterlichen Abschluss; sie soll daher komplett neu entstehen. Die alte dient nur noch als Form-Vorlage. Die neue Kuppel soll sich in drei Punkten von der alten abheben:

Das Material soll sich deutlich abheben.

Beim Design 2008 habe ich mich zunächst deutlich an Zeichnungen des Leuchtturms von Pharos orientiert, bei der Kuppel jedoch Abstriche aufgrund des naherückenden Abgabetermins gemacht. Ich erinnere mich an ein Bild der großen Pyramiden aus einem Film und besorge daher PLA-Filament mit Goldmetallpartikeln, um die Kuppel prunkvoll erscheinen zu lassen.

Auf der Kuppel soll eine Statue thronen.

Wofür hat man denn ein Familienwappen, wenn man es nirgends ausstellt?

Lichteffekte.

Die Kuppel soll integrierte Scheinwerfer haben, die Muster an die Decke projizieren und die Statue beleuchten.

TP3 Design

Für Maße recycle ich die FreeCAD-Skizze aus TP2. Ich wähle ein Design, welches dem Zylinder aus TP2 etwas mehr Platz lässt als bisher und innen hohl ist, um Platz für die LEDs-“Scheinwerfer” zu lassen. Dieses Design spalte ich in zwei Objekte: eine Bodenplatte, die gleichzeitig als Deckel für den Laternenturm fungiert, auf dem die Elektronik angebracht wird, und die eigentliche Kuppel, die ohne Elektronik auskommen wird.

Die eigentliche Kuppel wird so geplant, dass sie perfekt auf die Bodenplatte passt. Über jeder LED gibt es 4 Löcher, die schräg nach oben projiziert werden, um das Licht nicht gerade, sondern auf die Statue zu lenken. Ebenfalls bekommt sie eine Einkerbung, sodass später beliebige Statuen aufgesetzt werden können.

TP3 Umsetzung

Die Bodenplatte drucke ich in Matt-Schwarz, um einen edlen Abgrenzungsakzent zwischen dem Stein und Gold zu setzen.

Darauf klebe ich vier einzelne LEDs, die ich mit Drähten einzeln verbinde. An einen kommt ein JST dran. Ein Ende bleibt leer. Bei der Stromversorgung löte ich den kompletten Kreis als Ausfallsicherung.

Die Sicherung ist auch nötig. Das Löten an sich ist nicht so schwer, aber das Konfektionieren und Abisolieren von so popelig kleinen Drähten ist absolute K*c*s*h*i*e. Drei Stunden brauche ich dafür und dann erstmal ein paar Tage Pause.

Die Kuppel wird in Gold-PLA gedruckt. Um Support zu minimieren, drucke ich sie auf dem Kopf. Um das Gold-PLA zu sparen, drucke ich den Infill mit gelbem PLA. Insgesamt erscheint das zu komplex für den U1. Der erste Druck schlägt ganz fehl. Der zweite hat einen Brim und wird besser, aber das Wechseln des Druckkopfes sorgt dem Anschein nach für deutliche Unebenheiten.

LED Umsetzung

Die LEDs sind installiert, es fehlt nur noch die Stromversorgung und Dateneinspeisung.

Stromversorgung und Dateneinspeisung

Ich entscheide mich zunächst für einen kleinen USB-C-Controller, der beides übernimmt und von dessen Art ich noch viele rumliegen habe. Er wird über USB-C mit 5V und 3A betrieben, USB-PD ist nicht nötig. Leider hat dieser Controller einige entscheidende Nachteile:

• Der Dongle an der Rückseite sieht ein bisschen seltsam aus.
• Er hat kein Relay, daher verbrauchen die LEDs auch im ausgeschalteten Zustand Strom und ich benötige einen vorgeschalteten Smartplug mit Zeitsteuerung.

Vielleicht werde ich später den Controller gegen einen mit Relay ersetzen und diesen dann fest einbauen, wo die Batterie war. Solche Controller haben meistens nur Litzen-Anschlüsse und ich würde für die Modularität einen Stecker anbringen müssen. Dafür spräche, dass ein typischer Hohlstecker (bzw. Terminalblock) perfekt in das Loch des alten Schalters passt. (Als ob die sich abgesprochen hätten.)

Da solche Controller aber nicht preiswert sind, komme ich erstmal mit der Situation jetzt klar. Auch wenn die Kabel im Inneren ganz schön spannen:

Konfiguration

Als Software nutze ich WLED, dies hat sich für solche Installationen zum Quasi-Standard gemausert.

Ich unterteile die LEDs der Teilprojekte in mehrere Segmente, um später die verschiedenen Effekte umsetzen zu können.

Zunächst versuche ich, das Leuchtfeuer als 4 Zeilen à 4,5 LEDs darzustellen, aber das sorgt für 5 Segmente und die sind umständlich zu bedienen - von der HA-Integration will ich gar nicht erst anfangen. Daher wende ich das seit WLED 14 neue Matrix Feature an. Die 23 LEDs des Leuchtfeuers werden dafür logisch an den Beginn der Kette verschoben (einfach weil WLED das derzeit so braucht) und in der 2D Konfiguration genutzt. Das funktioniert, sodass ich später auch den Turm mit seinen zwei Schienen und der Decke als ein Segment anlege, in dem linke und rechte LED abwechselnd adressiert werden. Die 4 LEDs der Kuppel bleiben eine 1D-LED-Kette.

Die finale LED-Konfiguration:

{
 "width": 5,
 "height": 5,
 "map": [
    53, 54, 55, 56, -1,
    57, 58, 59, 60, 61,
    62, 63, 64, 65, 66,
    67, 68, 69, 70, -1,
    71, 72, 73, 74, 75,
     0, 52,  1, 51,  2,
    50,  3, 49,  4, 48,
     5, 47,  6, 46,  7,
    45,  8, 44,  9, 43,
    10, 42, 11, 41, 12,
    40, 13, 39, 14, 38,
    15, 37, 16, 36, 17,
    35, 18, 34, 19, 33,
    20, 32, 21, 31, 22,
    30, 23, 29, 24, 28,
    25, 27, -1, 26, 76,
    77, 78, 79
  ]
}

Aus der wiederum die LED-Config und die Segmente hervorgehen:

Hinweis: ist beim Speichern eines Segments die Option “nur aktives” an, so kann man die segmentspezifischen Effekte beliebig miteinander kombinieren.

Visuelle Effekte

• Der Turm kann durch die Fenster und die Lichtwelleneffekte eh keine komplexen Muster anzeigen. Daher baue ich eine gruselige grüne Aurora und einen “Fahrstuhl”-Effekt ein. Letzterer wird durch einen langsamen Scan-Effekt umgesetzt.
• Das Leuchtfeuer bekommt durchlaufende Effekte.
• Die Kuppel bekommt zunächst eine orangene Aurora, mit der sie tolle Muster an die Decke wirft.

Wie das aussieht, könnt ihr gleich unten sehen.

Gesamt-Evaluation

Evaluation ist die Frage: Erfüllt das Werkstück die Anforderungen, erreicht es die Ziele?

1. Die Fenster am Turmkörper sind illuminiert ✅
2. Leuchtfeuer aus LEDs und kann komplexe Animationen anzeigen ✅
3. Neue Kuppel ✅
4. Unkomplizierte Stromversorgung ✅
5. WLED fügt sich PlugAndPlay in HomeAssistant ein und geht bei abendlicher Bewegung an ✅
6. Alle Denkmalschutzanforderungen wurden eingehalten ✅

Die Umrüstung war ein voller Erfolg, auch wenn es noch Raum für Verbesserung gibt. Aber zunächst: Bilder!

Bildergalerie

# gif
for f in *.mp4; do ffmpeg -i "$f" -vf "fps=16,scale=-1:780:flags=lanczos,split[s0][s1];[s0]palettegen=max_colors=128[p];[s1][p]paletteuse=dither=bayer" -loop 0 "${f%.mp4}.gif"; done

# webp
for f in *.mp4; do ffmpeg -i "$f" -vf "fps=15,scale=-1:780:flags=lanczos" -vcodec libwebp -lossless 0 -compression_level 6 -q:v 75 -loop 0 -an "${f%.mp4}.webp"; done

Gesamtansichten

Die Kuppel wirft geile Effekte an die Decke. Durch den fehlerhaften Druck sind die Ränder des Lichtwurfes unregelmäßig.

Turmkörper

Lift Orange — Front · Seite · Multi-Band (mehrere Lichtbänder gleichzeitig)

Drei Einzelframes: das Lichtband wandert von unten nach oben.

Haunted (unregelmäßiges grünes Flackern) · Lift Grün · Statisch

Leuchtfeuer

Bri heißt Helligkeit (0 = aus, 1 = voll). Die Lichter sind mit der Kamera nur sehr bescheiden aufzunehmen, aber in der Spiegelung dahinter erkennt man sie besser.

Android Rot — geometrischer Scaneffekt. Bri = 0,5 · 0,1 · kombiniert mit aktiver Kuppel.

Android Grün (Bri = 0,5 · 0,1)  |  Perlin Move + Kuppel — organisches Farbrauschen mit aktiven Kuppel-Scheinwerfern.

Meteor Rot (Bri = 0,5 · 0,1) — ein Schweif zieht über die 5×5-Matrix.

Candle Multi (Bri = 0,25 · 0,1) — mehrere Flammen flackern unabhängig.

Kuppel

Candle · Candle Fast · Meteor Rot · ColorFull — die vier Scheinwerfer-LEDs projizieren je nach Effekt unterschiedliche Muster an die Zimmerdecke.

Außerdem kann man die Muster durch Drehen der Kuppel anpassen!

Weitere Ansichten

Diskussion

Verschiedene Entscheidungen haben sich während der Umsetzung als suboptimal herausgestellt:

• Stromverbrauch und Controllerwahl
  • WS2812b verbrauchen auch Strom, wenn sie aus sind. Dadurch lasse ich es momentan immer abends, wenn es dunkel ist, angehen und durchleuchten. Das war im Moment günstiger, aber perspektivisch wird ein Controller mit Relay nötig, dann kann der Turm auch deutlich schneller mit verschiedenen Effekten hochgefahren werden.
• Indirekte Beleuchtung im Turmkörper
  • Sie ist okay, flackernde Effekte kommen gut rüber, aber für die Menge der verbauten LEDs ist die Lichtausbeute im Raum relativ schwach. Detaillierte Effekte kommen auch nicht gut rüber. Der Fahrstuhleffekt ist nur bei genauem Hinsehen oder Positionierung an einer Wand wirklich erkennbar.
• Kuppel
  • Der Druck ist nicht gut geworden. Ich denke, den wiederhole ich, sobald ich eine Statue gedruckt habe. Diesmal aufrecht und vielleicht komplett aus Gold. 🪙🪙🪙
  • Außerdem ist die Oberfläche relativ matt, reflektiert nicht wie gehofft. Das liegt vielleicht am schlechten Druck.
• Leuchtfeuer
  • Die Spiralwicklung ist einfach zu implementieren gewesen und erfüllt ihren Dienst. Aber durch den Versatz kann ich es nicht so richtig in WLED als Matrix einrichten und musste die Segmente behelfsmäßig nutzen.
• Ich bin mir sicher, im Laufe der Zeit folgen mehr Effekte. Aber die jetzigen werden schon nach kurzer Zeit anstrengend.

Ausblick

Sammlung von Ideen, die mir beim Umsetzen kamen:

• Die Lichtausbeute am Turmkörper könnte durch Tapezieren mit reflektierender Folie verbessert werden.
• Das Leuchtfeuer könnte durch eine flexible LED-Matrix ersetzt werden.
• Die Kuppel könnte einen winzigen Stepmotor integrieren, um die Statue zu drehen (Nein, das ist vermutlich zu kitschig, der Pharos soll ein Objekt mit Klasse sein)
• Die Kuppel könnte vielleicht durch Oberflächenveredelung dazu gebracht werden, mehr wie Gold zu reflektieren. Außerdem könnte man für dieses Material nach besseren Druckereinstellungen suchen.
• Der LED-Controller sollte im Turm verbaut sein. Um flexibel zu bleiben, sollte ein JST-zu-JST-Kabel verlegt werden, das dann auch festgeklebt werden kann.

Schlussbemerkung

Trotz einiger Rückschläge und deutlich mehr Fluchen als ich hier wiedergab ist das Projekt gelungen und das Umsetzen an sich hat mega viel Spaß gemacht.

Ich habe ein tolles neues Dekoobjekt, dessen Programmierung mir noch viel Spaß machen wird.

Was den Ausblick angeht: ja, es gibt einige Stellen, die noch deutlichen Verbesserungsbedarf haben. Am ehesten werde ich die Kuppel noch mal angehen.

Dafür, dass der Turm länger als die Hälfte meines Lebens in einem tiefen Dornröschenschlaf lag, ist dieses Projekt weit genug gegangen. Für die nächste Phase warten wir ab, wie die nächsten 18 Jahre den Stand der Technik verbessern werden.