Mit der Hilfe eines ESP32 und eines einfachen IR Moduls kann am Stromzähler der aktuelle Stromverbrauch ausgelesen werden ohne das man den Stromzähler PIN benötigt. Mittels einem WebServer der vom ESP32 aufgebaut wird kann der aktuelle Verbrauch ausgelesen und grafisch dargestellt werden.

Da nicht jeder das Know-how bzw. die Lust hat sich einen kompletten HomeAssistant einzurichten um den Energieverbrauch auszulesen habe ich mir eine Standalone Lösung überlegt. Dadurch werden auch die Kosten der Anschaffung stark minimiert. Die Kosten für das benötigte Material belaufen sich auf unter 15€ (je nach Bauteile / Hersteller).

Alternative Lösung via Arduino IoT Remote App (nur ein File zu flashen).

Wer eine Home Assistant am laufen hat kann sich gerne meine Hassio Lösung anschauen, hier.

Digitaler Stromzähler Standalone WebServer

Benötigte Hardware

  • ESP32-WROOM-32 D1 mini (AZ-Delivery)
  • IR Modul (TCRT5000) 
  • 3D Drucker + Filament
  • Lötstation mit Equipment
  • Einzeladern

Benötigte Software

Aufbau Gehäuse

Das neue Zählergehäuse findet man hier.

IR Modul TCRT5000 modifikation

Auf dem TCRT5000 befindet sich eine Lesediode und eine Schreibdiode. Die Schreibdiode wird auch als Näherungssensor verwendet wodurch es zu Problemen kommen kann beim Ablesen des Stromzählers.

In meinem Fall habe ich die hellere (weiße Diode) einfach ausgelötet. In anderen Beiträgen habe ich gesehen, dass auch nur der Vorwiderstand entfernt wird.

Den TCRT5000 habe ich am ESP32 an die Pins G14, 5V und GND angeschlossen.

eHz Elektronischer Haushaltszähler

Das Gehäuse aus dem 3D Drucker passt beim eHz Elektronischen Haushaltszähler. Mit zwei Magneten wird das Gehäuse am Zähler befestigt da der Stromzähler Eigentum des Netzbetreibers ist!

Die rechten beiden IR Dioden werden beim IR Lese-Schreibekopf verwendet (Volkszähler). Dabei wird permanent zwischen den Unterschiedlichen zur verfügung stehenden Zählerständen geschalten und diese ausgelesen (PIN muss beim jeweiligen Energiekonzern angefragt werden).

Zähler Aufsteckmodul ESP32 + TCRT5000

Einrichten des WebServers

Der Wemos D1 mini ESP32 generiert zu Beginn sein eigenes WLAN (SSID = StromZaehler). Wenn man dieses auswählt kann man über die statische IP: 192.168.4.1 den Wi-Fi Manager öffnen um dort von seinem eigene Heimnetz die SSID und das Passwort zu hinterlegen. Das Gateway (Router IP) muss angegeben werden da sonst Zeit und Datum nicht mit dem NTP Server abgeglichen werden können. Bei einem nicht funktionierenden NTP Server werden die Werte um Mitternacht nicht zurückgesetzt. Die Daten sind direkt auf dem ESP32 im Filessystem hinterlegt und können nicht nach außen gelangen.

SSID: Wlan Name

Password: Wlan Passwort

IP Adresse: WebServer IP

Gateway Adresse: Router IP

WebServer grafische Darstellung

Den WebServer mit der Sensor Auswertung erreicht man dann über die im Wi-Fi Manager konfigurierten

WebServer on ESP32

Stromversorgung ESP32

Man kann den ESP32 auch mit einer Powerbank betreiben. Dabei muss man aber bedenken das durch den WebServer (permanentes WiFi) der Stromverbrauch sehr hoch ist. Da meine Lösung ja nur zum aktuellen Energieverbrauch messen gedacht ist bzw. um zu schauen was man so über einen kompletten Tag verbraucht, reicht eine Powerbank aus.

Wer die Energiewerte dauerhaft auslesen möchte sollte sich dann doch lieber eine Schuko Steckdose in den Verteilerkasten montieren lassen.

Software

Der ESP32 enthält ein File System (SPIFFS). SPIFFS ist ein kleines Dateisystem, das für Mikrocontroller mit einem Flash-Chip entwickelt wurde die über einen SPI-Bus verfügen. Unter dieser Seite kann man die genaue Anleitung finden und wie man dieses File System einrichtet. Anstelle des Temperatursensoren muss man nur den TCRT5000 anlöten sowie minimale Anpassungen an der Software vornehmen.

Code

/* Sensor TCRT5000 PIN14*/
const int digital_pin = 14;
int state = 0;
int laststate = 1;
unsigned int counter = 0;

......

/* Loop sensor reading*/
void loop() {

  state=digitalRead(digital_pin);
  if ( laststate == 1 && state == 0 )
  {
    counter++;
  }
  
  laststate = state;
  watt = counter * 6;
}

Fazit

Mit der Energieverbrauch Messung kann man sehr schnell sehen wo sich die Stromfresser im Haushalt befinden. Wir haben bei der letzten Messung herausgefunden, dass der SAECO Kaffeevollautomat im eingeschalteten Zustand während dem Frühstück 400W zieht. Das liegt an dem permanent aktiven Heizelement. Der Standby Timer lag bei 30 Minuten was zu einem hohen Stromverbrauch in der Zeit führt, dafür das kein Kaffee gemacht wird. Wir haben den Timer auf das minimalsten Wert gesetzt bzw. machen den Vollautomaten direkt nach der Benutzung aus.

Es wird ja immer von Standby Geräten bzw. Netzteilstecker gesprochen die sich permanent am Strom befinden. Jedoch kann ich hier keinen erhöhten Energieverbrauch feststellen.

Was hier am meisten Sinn macht und zu einer erstaunliche Einsparung führt ist das Balkonkraftwerk. Daher sieht man in den Grafiken des öfteren das Der Stromzähler Watt Wert Null beträgt.

Das Projekt befindet sich noch in der Entwicklung, bei weiteren Fragen einfach schreiben.

Mit der Hilfe eines ESP8266 und eines einfachen IR Modules kann am Stromzähler der aktuelle Stromverbrauch ausgelesen werden ohne das man den Stromzähler PIN benötigt. Die ausgelesenen Werte können dann mittels Home Assistant HASSIO grafisch dargestellt werden.

Das ganze ist entstanden aufgrund meines Balkonkraftwerkes. Ich wollte einfach wissen was ich aktuell einspeise und was ich verbrauche. Bei einem Balkonkraftwerk sollte man vor dem Kauf wissen welchen Grundverbrauch man hat damit man ermitteln kann ob es sich überhaupt lohnt ein doppeltes Solarmodul mit 600W zu kaufen oder doch lieber ein einzelnes mit 300W. Aktuell habe ich ein 300W Solarmodul am EG Stromzähler und ein doppeltes Modul mit 600W am OG Stromzähler hängen. Dadurch ist der Grundbedarf gedeckt und die Solarmodule sollten sich nach ca. 4-5 Jahren amortisiert haben.

Hier geht es zu meiner Standalone Lösung ohne Home Assistant.

Digitaler Stromzähler

Benötigte Hardware

Benötigte Software

3D Gehäuse Tinkercad

Aufbau

IR Modul TCRT5000 modifikation

Auf dem TCRT5000 befindet sich eine Lesediode und eine Schreibdiode. Die Schreibdiode wird auch als Näherungssensor verwendet wodurch es zu Problemen kommen kann beim Ablesen des Stromzählers.

In meinem Fall habe ich die hellere (weiße Diode) einfach ausgelötet. In anderen Beiträgen habe ich gesehen das auch nur der Vorwiderstand entfernt wird.

Den TCRT5000 habe ich am Nodemcuv2 an den Pins D5, 3V3 und GND angeschlossen die direkt nebeneinander liegen.

eHz Elektronischer Haushaltszähler

eHz Digitaler Stromzähler (ESP8266)

Das Gehäuse aus dem 3D Drucker passt beim eHz Elektronischen Haushaltszähler. Mit zwei Magneten wird das Gehäuse am Zähler befestigt da der Stromzähler Eigentum des Netzbetreibers ist!

Die rechten beiden IR Dioden werden beim IR Lese-Schreibekopf verwendet (Volkszähler). Dabei wird permanent zwischen den Unterschiedlichen zur verfügung stehenden Zählerständen geschalten und diese ausgelesen (PIN muss beim jeweiligen Energiekonzern angefragt werden).

In unserem Fall benutzen wir die mittlere IR-Diode zum auslesen des aktuellen Stromverbrauchs am Zähler. Zum testen einfach den IR Sensor mit der Hand an die zu testende IR-Diode halten und in den ESP-Home live loggs schauen ob sich der Wert verändert. Ich hatte noch einen Baustrahler im Keller angeschlossen um zu schauen ob die Werte plausibel sind.

Ein Sensor am ESP8266

ESP Home ein Sensor config.yaml

Update Intervall ist hier in der yaml auf 60s eingestellt. Alle 60s sollte sich der aktuelle Stromverbrauch ändern.

esphome:
  name: strom
  platform: ESP8266
  board: nodemcuv2
  
# Sensor configuration
sensor:
  - platform: pulse_counter
    pin: D5
    name: "Energieverbrauch"
    unit_of_measurement: 'W'
    update_interval: 60s
    filters:
      - multiply: 6
    accuracy_decimals: 0
    icon: 'mdi:flash'
    id: energieverbrauch_w
    
  - platform: total_daily_energy
     name: "Tagesverbrauch"
     power_id: energieverbrauch_w

time:
  - platform: sntp
    id: my_time

# Enable logging
logger:

# Enable Home Assistant API
api:

ota:
  password: „xxxxxxxxxx“

wifi:
  ssid: !secret wifi_ssid
  password: !secret wifi_password

captive_portal:

Home Assistant grafische Darstellung

Spannungsversorgung Verteilerkasten

Aktuell habe ich im Haus an jedem meiner Zähler einen Sensor mit Magnet befestigt. Die Sensoren sind an einem ESP8266 nodemcuv2 angeschlossen (Spannung, Masse, D5 und D6).

Die Zählerschranksteckdose die den Nodemcuv2 betreibt habe ich mir extra dafür eingebaut

ESP Home Logs

INFO Reading configuration /config/esphome/strom.yaml...
INFO Detected timezone 'CET' with UTC offset 1 and daylight saving time from 27 March 02:00:00 to 30 October 03:00:00
INFO Starting log output from strom.local using esphome API
INFO Successfully connected to strom.local
[19:32:31][I][app:102]: ESPHome version 2021.9.3 compiled on Oct 10 2021, 21:35:03
[19:32:31][C][wifi:501]: WiFi:
[19:32:31][C][wifi:361]:   SSID: 'xxxxxxxxxxxxxxx'[redacted]
[19:32:31][C][wifi:362]:   IP Address: xxx.xxx.xxx.xx
[19:32:31][C][wifi:364]:   BSSID: xx:xx:xx:xx:xx:xx[redacted]
[19:32:31][C][wifi:365]:   Hostname: 'strom'
[19:32:31][C][wifi:369]:   Signal strength: -51 dB ▂▄▆█
[19:32:31][C][wifi:373]:   Channel: 6
[19:32:31][C][wifi:374]:   Subnet: 255.255.255.0
[19:32:31][C][wifi:375]:   Gateway: xxx.xxx.xxx.x
[19:32:31][C][wifi:376]:   DNS1: xxx.xxx.xxx.x
[19:32:31][C][wifi:377]:   DNS2: (IP unset)
[19:32:31][C][logger:193]: Logger:
[19:32:31][C][logger:194]:   Level: DEBUG
[19:32:31][C][logger:195]:   Log Baud Rate: 115200
[19:32:31][C][logger:196]:   Hardware UART: UART0
[19:32:31][C][pulse_counter:147]: Pulse Counter 'Energieverbrauch'
[19:32:31][C][pulse_counter:147]:   State Class: 'measurement'
[19:32:31][C][pulse_counter:147]:   Unit of Measurement: 'W'
[19:32:31][C][pulse_counter:147]:   Accuracy Decimals: 0
[19:32:31][C][pulse_counter:147]:   Icon: 'mdi:flash'
[19:32:31][C][pulse_counter:148]:   Pin: GPIO14 (Mode: INPUT)
[19:32:31][C][pulse_counter:149]:   Rising Edge: INCREMENT
[19:32:31][C][pulse_counter:150]:   Falling Edge: DISABLE
[19:32:31][C][pulse_counter:151]:   Filtering pulses shorter than 13 µs
[19:32:31][C][pulse_counter:152]:   Update Interval: 60.0s
[19:32:31][C][total_daily_energy:024]: Total Daily Energy 'Tagesverbrauch'
[19:32:31][C][total_daily_energy:024]:   Device Class: 'energy'
[19:32:31][C][total_daily_energy:024]:   State Class: 'total_increasing'
[19:32:31][C][total_daily_energy:024]:   Unit of Measurement: 'Wh'
[19:32:31][C][total_daily_energy:024]:   Accuracy Decimals: 2
[19:32:31][C][total_daily_energy:024]:   Icon: 'mdi:flash'
[19:32:31][C][captive_portal:148]: Captive Portal:
[19:32:31][C][ota:029]: Over-The-Air Updates:
[19:32:31][C][ota:030]:   Address: strom.local:8266
[19:32:31][C][ota:032]:   Using Password.
[19:32:31][C][api:135]: API Server:
[19:32:31][C][api:136]:   Address: strom.local:6053
[19:32:31][C][api:140]:   Using noise encryption: NO
[19:32:31][C][sntp:044]: SNTP Time:
[19:32:31][C][sntp:045]:   Server 1: '0.pool.ntp.org'
[19:32:31][C][sntp:046]:   Server 2: '1.pool.ntp.org'
[19:32:31][C][sntp:047]:   Server 3: '2.pool.ntp.org'
[19:32:31][C][sntp:048]:   Timezone: 'CET-1CEST-2,M3.4.0/2,M10.5.0/3'
[19:32:32][D][pulse_counter:159]: 'Energieverbrauch': Retrieved counter: 68.00 pulses/min
[19:32:32][D][sensor:121]: 'Energieverbrauch': Sending state 408.00000 W with 0 decimals of accuracy
[19:32:32][D][sensor:121]: 'Tagesverbrauch': Sending state 6002.70361 Wh with 2 decimals of accuracy
[19:32:32][D][pulse_counter:159]: 'Energieverbrauch': Retrieved counter: 68.00 pulses/min
[19:32:32][D][sensor:121]: 'Energieverbrauch': Sending state 408.00000 W with 0 decimals of accuracy
[19:32:32][D][sensor:121]: 'Tagesverbrauch': Sending state 6002.70361 Wh with 2 decimals of accuracy
[19:33:32][D][pulse_counter:159]: 'Energieverbrauch': Retrieved counter: 67.00 pulses/min
[19:33:32][D][sensor:121]: 'Energieverbrauch': Sending state 402.00000 W with 0 decimals of accuracy
[19:33:32][D][sensor:121]: 'Tagesverbrauch': Sending state 6009.40381 Wh with 2 decimals of accuracy

Zwei Sensoren an einem ESP8266

Natürlich kann man auch zwei Stromzähler mit einem ESP8266 betreiben.

An den grün markierten Stellen haben ich die Jumper wire eingesteckt.

ESP Home zwei Sensoren config.yaml

esphome:
  name: strom
  platform: ESP8266
  board: nodemcuv2
  
# Stromzähler OG
sensor:
  - platform: pulse_counter
    pin: D5
    name: "Energieverbrauch_OG"
    unit_of_measurement: 'W'
    update_interval: 60s
    filters:
    # RL = 10000 Imp./kWh 
      - multiply: 6    
    accuracy_decimals: 0
    icon: 'mdi:flash'
    id: energieverbrauch_og
    
  # Dieser Sensor errechnet die Wh aus den aktuellen Verbrauchswerten in W  
  - platform: total_daily_energy
    name: "Tagesverbrauch_OG"
    power_id: energieverbrauch_og

# Stromzähler EG    
  - platform: pulse_counter
    pin: D6
    name: "Energieverbrauch_EG"
    unit_of_measurement: 'W'
    update_interval: 60s
    filters:
    # RL = 10000 Imp./kWh 
      - multiply: 6
    accuracy_decimals: 0
    icon: 'mdi:flash'
    id: energieverbrauch_eg
    
  # Dieser Sensor errechnet die Wh aus den aktuellen Verbrauchswerten in W  
  - platform: total_daily_energy
    name: "Tagesverbrauch_EG"
    power_id: energieverbrauch_eg    
    
time:
  - platform: sntp
    id: my_time

# Enable logging
logger:

# Enable Home Assistant API
api:

ota:
  password: "xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx"

wifi:
  ssid: !secret wifi_ssid
  password: !secret wifi_password

captive_portal:

ESP Home Logs zwei Sensoren

[11:22:17][D][pulse_counter:159]: 'Energieverbrauch_EG': Retrieved counter: 2.00 pulses/min
[11:22:17][D][sensor:121]: 'Energieverbrauch_EG': Sending state 12.00000 W with 0 decimals of accuracy
[11:22:17][D][sensor:121]: 'Tagesverbrauch_EG': Sending state 146.35190 Wh with 2 decimals of accuracy

[11:22:17][D][pulse_counter:159]: 'Energieverbrauch_OG': Retrieved counter: 96.00 pulses/min
[11:22:17][D][sensor:121]: 'Energieverbrauch_OG': Sending state 576.00000 W with 0 decimals of accuracy
[11:22:17][D][sensor:121]: 'Tagesverbrauch_OG': Sending state 516.67249 Wh with 2 decimals of accuracy

[11:23:17][D][pulse_counter:159]: 'Energieverbrauch_EG': Retrieved counter: 0.00 pulses/min
[11:23:17][D][sensor:121]: 'Energieverbrauch_EG': Sending state 0.00000 W with 0 decimals of accuracy
[11:23:17][D][sensor:121]: 'Tagesverbrauch_EG': Sending state 146.35190 Wh with 2 decimals of accuracy

[11:23:17][D][pulse_counter:159]: 'Energieverbrauch_OG': Retrieved counter: 98.00 pulses/min
[11:23:17][D][sensor:121]: 'Energieverbrauch_OG': Sending state 588.00000 W with 0 decimals of accuracy
[11:23:17][D][sensor:121]: 'Tagesverbrauch_OG': Sending state 526.47168 Wh with 2 decimals of accuracy

Wie man dem Log entnehmen kann ist im unteren Abschnitt bei EG 0.00 Pulses zu sehen, bitte nicht verwundern das liegt an meinem Balkonkraftwerk was gerade mehr Leistung generiert als verbraucht wird.

Wemos D1 mini

Das ganze kann auch mit einem Wemos D1 mini realisiert werden. Der einzige Unterschied besteht darin das die Software unter ESPHome richtig kompiliert werden muss. Dazu muss die Board Version geändert werden. Wenn ihr den Sensor am Board angeschlossen habt könnt ihr euren Aufbau mittels einer einfachen Taschenlampe testen. Einfach mit der Taschenlampe über die Diode am TCRT fahren. Dabei sollte die LED am TCRT blinken. In den Logs solltet dann auch der Counter ansteigen.

......

esp8266:
  board: d1_mini

......

Bei weiteren Fragen einfach schreiben.