Warum es das MR2 gibt

Ein kompletter, solarautarker LoRa-Mesh-Repeater, kaum größer als eine Faust. Die Antenne sitzt direkt auf dem Gehäuse.

Das MR2 ist ein Solar-Mesh-Repeater-Board, entstanden aus 5-jähriger Praxiserfahrung mit Meshtastic und MeshCore-Repeatern.

Die Meshtastic-Jahre

Mit dem Aufkommen von Meshtastic entstanden die ersten eigenen LoRa-Repeater, RAK-basiert, mit Li-Ion-Zellen. Die erste Grenze kam schnell: Der Solareingang des WisBlock-Basisboards lädt nur zwischen 4,4 und 5,5 Volt. Mehr beschädigt das Board laut Datenblatt dauerhaft. Das diktiert die Panelauswahl komplett – in den Foren fragen bis heute Leute nach, ob das 6-V-Panel aus RAKs eigenem Solargehäuse zulässig ist.

Der nächste Schritt war der klassische: externer Laderegler, LDO, großes 6-Watt-Panel. Die schlechte Effizienz der Wandlerkette wurde mit Panelfläche ausgeglichen. Viel hilft viel - das funktioniert zwar, hat aber seinen Preis: Das Setup ist auffällig, die Windlast erheblich, und die Standortauswahl schrumpft weiter. Ausgerechnet die exponierten Punkte, an denen ein Repeater funktechnisch hingehört, scheiden mechanisch oder optisch aus.

Dann kam der Winter. Akku leer, Standort nur über Dritte zugänglich, Repeater wochenlang offline. Dazu ein Fehler, der zugegeben werden muss: Die Panels waren angeschrägt montiert, weil es alle so machten. Dass für die Winterbilanz die senkrechte Südmontage besser ist – die tiefe Wintersonne trifft sie im günstigeren Winkel, Schnee und Schmutz haften nicht – war eine späte Erkenntnis.

Die Ausweichlösung waren netzgebundene Repeater auf Fensterbrettern und Balkonen bei Freunden und Bekannten. Die fallen aus Gründen aus, die mit Technik nichts zu tun haben: In der Adventszeit braucht jemand die Steckdose für den Schwibbogen, im Sommer für den Elektrogrill. Zwei Tage später sind Akku leer und Repeater tot.

Der Strategiewechsel

Mit MeshCore wurde die Logik umgedreht: den Verbrauch so weit senken, dass kleine Panels reichen. Klein heißt unauffällig, windlastarm und montierbar an Stellen, an denen größere Aufbauten nie geduldet würden. Energieeffizienz wurde Optimierungsvektor Nummer eins. Nummer zwei: Stabilität und Wartungsfreiheit, denn der beste Repeater ist der, zu dem man selten hinfahren muss.

Was das Traumboard können soll

Aus den Jahren Repeaterbetrieb ergab sich eine Anforderungsliste:

1. Klein/kompakt
2. Effizient, mit minimalen Wandlerverlusten.
3. Breites, automatisches MPPT: jedes übliche Panel, ob 5, 6, 9 oder 12 V.
4. Frostschutz beim Laden.
5. Echtzeituhr an Bord.
6. Temperatur und relative Luftfeuchte im Gehäuse – ist das Gehäuse noch dicht?
7. Multi-Chemistry: Li-Ion, LiFePO₄, LTO, Na-Ion.
   
8. Zukunftsfähig: komplett per Software konfigurierbar.
9. Brown-Out-Schutz. Ein leerer Akku darf kein Angstgegner sein: kontrollierter Schlaf, wenn die Sonne mal nicht reicht, und selbstständiger Wiederanlauf.
10. CE-zertifiziert.

Leider gab es so ein Board noch nicht - also musste es selbst entwickelt werden.

Das Zielbild: ein solarautarker Repeater im Nistkastenformat, der auch dann übers Jahr kommt, wenn er im Sommer unter Laub fast nur Diffuslicht bekommt. Im Winter ist das Laub ab, und der Nistkasten erntet das wenige Licht unverschattet.

Auf diesem Bild hängt ein kompletter Mesh-Repeater: schwarzer Kasten, Baumstamm, halbe Höhe. (STL-Dateien zum Selbstdrucken – kostenlos)

Ein unterschätzter Nebeneffekt kompakter Bauweise: kurze Antennenwege. Immer wieder sieht man Installationen, bei denen Repeater und Antenne aus Windlastgründen getrennt montiert sind, verbunden über mehrere Meter Koaxialkabel. Bei 868 MHz dämpft günstiges Kabel rund 0,5 dB pro Meter, jeder Steckerübergang kommt dazu, und jeder Übergang kann bei Wind arbeiten und Wasser ziehen. Fünf Meter Kabel kosten mehr Signal und Reichweite, als der Schritt von 5,5 auf 8 dBi Antennengewinn bringt. Beim MR2-Konzept sitzt die Antenne direkt am Gehäuse: N-Einbaubuchse, 15 Zentimeter Pigtail.

Repeater der 2-Wp-Klasse an einem Mastausleger: zwei Module senkrecht nach Süden, Antenne direkt am Gehäuse. (Gehäuse als STL – kostenlos)

Die Solarauslegung

Ein autarkes System wird auf den ertragsärmsten Monat ausgelegt. In unseren Breiten ist das der Januar, und für den Januar zählt der niedrige Sonnenstand – daher die senkrechte Südmontage. Der Ertrag lässt sich beziffern: Ein senkrechtes, unverschattetes Südpanel liefert in Deutschland im Januar rund 30 kWh je Kilowatt Peak. Heruntergerechnet sind das etwa 30 Wh je Wp Panelleistung im Monat. Dem steht der Verbrauch gegenüber: knapp 1 Wh pro Tag, gerechnet mit 1 Wh also 31 Wh im Januar. Ein 1-Wp-Panel und der Repeater liegen im Durchschnittsjanuar gleichauf.

Es gibt auch schlechte Januare. Dann zählt der Akku, und zwar die tatsächlich entnehmbare Energie: Der Repeater der 1-Wp-Klasse trägt 9 Ah LiFePO₄, nominal knapp 30 Wh. Bei Kälte bleibt davon etwa die Hälfte nutzbar, und aus einem trüben Dezember kommt die Zelle selten voll. Real bleibt rund eine Woche Puffer.

Der 1-Wp-Repeater ist damit bewusst auf Kante genäht. Was die Rechnung rettet: Richtig kalt und richtig sonnenarm zugleich ist selten. Kälteperioden sind meist sonnig – dann wird wegen des Frostschutzes wenig oder gar nicht geladen, aber der Repeater läuft über den Power-Path direkt von der Sonne. Trübe Perioden sind meist mild – dann darf geladen werden. Trifft doch beides zusammen, geht der Repeater kontrolliert in den Winterschlaf und kommt von selbst zurück. Das ist so kalkuliert. Wer sicher sein will, nimmt den 2-Wp-Repeater: Platz für elf 18650-Zellen, und im Durchschnittsjanuar steht mehr Ertrag als Verbrauch.

Die Designentscheidungen

Jeder Punkt der Liste geht auf einen konkreten Ausfall aus der Praxis zurück. So wurden sie umgesetzt:

Wandlerverluste runter: Das RAK4630 kann im High-Voltage- oder im Standard-Modus laufen. Das MR2 nutzt den Standard-Modus, damit entfällt eine komplette LDO Reglerstufe in der Kette. Die 3,3-V-Schiene erzeugt ein TPS62840 mit einem Ruhestrom im Nanoampere-Bereich; liegt die Akkuspannung nahe 3,3 V (LiFePo4!), arbeitet er praktisch im Durchlassbetrieb.

Frostladen sperren aber Board weiterversorgen: Der BQ25798-Laderegler hat einen Power-Path: Bei Frost wird der Ladestrom reduziert oder gesperrt, die Versorgung des Repeaters läuft trotzdem weiter über Solar. In der Szene kursieren stattdessen Ansätze, bei Frost das Panel abzuklemmen – dann läuft der Repeater bei Sonnenschein auf Akku. Zweite Eigenschaft: ein Eingangsbereich von 3,6 bis 24 Volt mit selbsttätigem MPPT. Praktisch jedes in der Szene übliche Panel passt, ohne dass Laderegler und Panel zueinander passen müssen (wer schon einmal den richtigen CN3791 gesucht hat, kennt das Problem). Den optimalen Arbeitspunkt ermittelt der Regler selbst und führt ihn mit der Außentemperatur nach, denn auch Solarzellen ändern ihre optimale Spannung mit der Temperatur.

Muss es immer LiIon sein? Das MR2 ist auf mehrjährigen Dauereinsatz ausgelegt. Erste Wahl ist LiFePO₄: deutlich zyklenfester als Li-Ion und thermisch sehr gutmütig. Das ist ein wichtiger Punkt, denn ein thermisch durchgehender Akku im Wald wäre für die ganze Szene ein Desaster – bekannt geworden ist bisher kein solcher Fall, und das soll so bleiben. Dazu kommen abgesenkte Ladeschlussspannungen: 4,1 V bei Li-Ion, 3,5 V bei LiFePO₄. Herkömmliche Setups laden auf 4,2 V und halten die Zellen den Sommer über bei Volladung und Hitze. Das beschleunigt die Alterung erheblich. Zur Diskussion um Kälte-Laden und JEITA-Kennlinien gibt es einen lesenswerten Erfahrungsbericht der YYCMesh-Community aus den kanadischen Rockies; eine Einordnung dazu steht im Akkuchemie-Ratgeber der MR2-Dokumentation.

Messen statt hoffen. LiFePO₄ hat eine Tücke: Die Entladekurve ist so flach, dass sich der Ladezustand aus der Spannung nicht ablesen lässt. Der leere Akku kommt dann überraschend. Deshalb sitzt ein INA228-Coulomb-Zähler auf dem Board, der den Ladezustand misst. Derselbe Zähler liefert die Energiebilanz über 24 Stunden, drei und sieben Tage. Damit steht die Aussage, auf die es ankommt: Wenn das Wetter so bleibt, ist dieser Repeater in zwei Wochen leer. Das sieht man remote in der App, Wochen vor dem Ausfall, und kann den Standort optimieren oder sich darauf einstellen. Fällt die Spannung unter die chemieabhängige Schwelle, löst der INA einen Hardware-Interrupt aus: Tiefschlaf unter 500 µA, der Ladepfad bleibt aktiv, die RV-3028-Echtzeituhr weckt das Board stündlich zur Kontrolle. Der Repeater kommt nach jeder Durststrecke von selbst zurück, ohne Leiter und ohne Reset von Hand. Ein BME280 überwacht zusätzlich Temperatur, Luftdruck und die relative Feuchte im Gehäuse – eine Taupunktunterschreitung im Gerät will man früh erkennen.

Custom Firmware. Die MeshCore-Firmware für das MR2 senkt den Verbrauch des nRF52840 konsequent: Sleep-Optimierung, USB komplett aus, wenn nichts steckt. Alle Board-Parameter sind per CLI konfigurierbar, lokal über USB oder remote über den Admin-Zugang der App. Den gemessenen Ladezustand übersetzt die Firmware in äquivalente Li-Ion-Spannungen, damit die Akkuanzeige der App auch bei LiFePO₄, LTO und Na-Ion stimmt.

Innenleben eines Repeaters der 1-Wp-Klasse: MR2 mit RAK4630, kurze U.FL-Wege zur Antennenaufnahme, gestecktes Akkukabel mit Schutzmodul.

LTO und Na-Ion: gleiches Board, andere Zelle

Die Akkuchemie wird beim MR2 einmalig per CLI gesetzt (set board.bat). Das Board unterstützt Li-Ion, LiFePO₄, LTO (2S) und Na-Ion – mit den jeweils passenden Ladeschluss- und Abschaltspannungen aus der Firmware.

Das ist mehr als ein Datenblatt-Feature. LTO-Zellen laden auch bei −30 °C und schaffen ein Vielfaches der Zyklen von Li-Ion; die YYCMesh-Kollegen setzen sie für entlegene Bergstandorte ein, die monatelang nicht erreichbar sind. Und Na-Ion kommt gerade stark: kältetauglich beim Laden, thermisch gutmütig, und die Preise fallen mit jeder Fertigungsgeneration. Wer heute ein MR2 verbaut, kann in zwei Jahren auf Na-Ion wechseln, ohne neue Hardware zu kaufen. Ein CLI-Befehl, andere Zelle, fertig.

Dachpanel -> Frontpanel

Wie ernst der Winter als Auslegungsfall ist, zeigt die Entwicklung des Vogelhaus-Repeaters. Die erste Version trug ihre beiden Module allein auf dem Dach. Ein verschneites Dach legt so ein Setup tagelang lahm. Die heutige Version hat zusätzlich ein senkrechtes Frontmodul: Es fängt die tiefstehende Wintersonne im besseren Winkel ein und verschneit oder verschmutzt praktisch nicht. Und falls doch: Fünf 18650-Zellen puffern wochenlang.

Zweiter Weihnachtsfeiertag, vormittags und mittags: oben die frühe Version mit Modulen nur auf dem Dach, darunter der Nachfolger mit senkrechtem Frontmodul in der Erprobung auf dem Fensterbrett. Diesmal ohne Steckdose. (STL-Dateien)

Repeater der 1-Wp-Klasse mit Magnethalter auf einer Stahlkonstruktion, aufgenommen am 5. Januar. Montiert in Sekunden, ohne Bohren; oben eine 3-dBi-Fiberglas-Antenne. (Gehäuse als STL – kostenlos)

Im Prüflabor

Das MR2 sollte ein Produkt werden, kein Bastelprojekt. Also ging die Hardware zur Konformitätsprüfung nach der EU-Funkanlagenrichtlinie (RED 2014/53/EU) in ein akkreditiertes Prüflabor. Gemessen wurde in der Absorberkammer unter anderem die Störaussendung von 30 MHz bis 1 GHz, im Standby beim Laden und im Sendebetrieb mit voller Leistung. Beide Messungen: bestanden. Im Sendespektrum steht ein einzelner Träger bei 868 MHz, der Rest liegt über 20 dB unter dem Grenzwert.

Das MR2 in der Absorberkammer und das Sendespektrum bei voller Leistung: ein Träger im zugewiesenen Band, sonst Rauschen weit unter den Grenzwerten der EN 300 220.

Ergebnis

Das MR2 ist aus mehreren Jahren eigenem Repeaterbetrieb entstanden. Die Zahlen aus dem Dauerbetrieb: rund 0,98 Wh Verbrauch pro Tag im echten Repeaterbetrieb, über Tage gemittelt. Damit reichen in Mitteleuropa senkrechte Südpanels ab 1–2 Wp fürs ganze Jahr, genügend Akkupuffer vorausgesetzt.

Installationsfahrt: Teleskopleiter, selbst geschweißte Alu-Mastausleger, Vogelhaus- und Hilltop-Repeater, Werkzeugkiste. Ganz vorn: ein kompletter Repeater der 1-Wp-Klasse, kaum größer als eine Faust.

Wer tiefer einsteigen will: Die vollständige technische Dokumentation samt Messreihen und Akkuchemie-Ratgeber liegt auf docs.inhero.de. Das Board und die kompletten Bausätze gibt es im Shop: Inhero MR2, Hilltop S, Hilltop L und das Vogelhaus-Set. Die Gehäuse-STLs bleiben kostenlos.

Über den Autor

Der Entwickler des MR2 baut Elektronik seit den 1980ern, als Platinen noch „gedruckte Schaltungen" hießen: Leiterbahnen mit Nitrolack auf kupferkaschiertes Basismaterial gezeichnet, in Eisen(III)-chlorid geätzt, von Hand gebohrt. Zweilagig war die hohe Schule. Später kam das Studium dazu, Dipl.-Ing. (FH) für Physikalische Technik.