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. Auf der Suche nach einer Alternative zu der doch komplizierten WebServer Lösung bin ich auf die Arduino IoT Cloud Seite gestoßen. Nach kürzester Zeit hatte ich die Daten meines ESP32 + IR Moduls auf dem Handy Bildschirm.

Arduino IoT Cloud Remote App

Arduino IoT Remote App
Die Werte sind so niedrig da mein Solarkraftwerk zu dem Zeitpunkt Strom generiert hat.

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 wurde. 

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 Netzbetreiber angefragt werden).

Zähler Aufsteckmodul ESP32 + TCRT5000

Einrichten von Arduino IoT Cloud Remote

Nachdem man sich bei Arduino Cloud IoT registriert hat, kann man sich ein neues Projekt mit dem Button “Create” anlegen. Anschließend sind die Felder Devices, Network und Variables auszufüllen. Das Setup von Devices und Network ist eigentlich selbsterklärend, daher werde ich nicht genauer auf diese beiden Punkte eingehen.

Variables

Durch drücken des Add Button kann man eine Variable hinzufügen. In unserem Fall lautet die Variable “Strom”. Als Datentyp verwenden wir einen integer number mit der permission Read only. Bei send value geben wir on change (threshold: 0) an. Das ganze sollte dann so aussehen.

Die Variable Strom wird im Sketch angegeben und automatisch generiert. Das heißt sie muss im Code nicht extra deklariert werden (kann direkt verwendet werden).

Dashboard

Damit wir später an der Handy App das Diagramm zu sehen bekommen müssen wir unter Dashboards ein Chart hinzufügen mit dem Button “Add”. Hier muss man nur noch die Verlinkung zwischen Chart und der Variable Strom herstellen (rechts außen).

Code (Sketch)

/* 
  Sketch generated by the Arduino IoT Cloud Thing "Untitled"
  https://create.arduino.cc/cloud/things/xxxx-xxxx-xxxx-xxxx 

  Arduino IoT Cloud Variables description

  The following variables are automatically generated and updated when changes are made to the Thing

  int strom;

  Variables which are marked as READ/WRITE in the Cloud Thing will also have functions
  which are called when their values are changed from the Dashboard.
  These functions are generated with the Thing and added at the end of this sketch.
*/

#include "thingProperties.h"
#include <time.h>

/* Configuration of NTP */
#define MY_NTP_SERVER "2.europe.pool.ntp.org"
#define MY_TZ "CET-1CEST,M3.5.0,M10.5.0/3"

/* Globals NTP */
time_t now;
tm tm;

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

/* Update Time for Chart */
int period = 60*1000; // 1min
unsigned long time_now = 0;

/* Reset function after page update */
void resetFunc(){
  counter = 0;
  watt = 0;
}

void setup() {
  // Initialize serial and wait for port to open:
  Serial.begin(9600);
  // This delay gives the chance to wait for a Serial Monitor without blocking if none is found
  delay(1500); 

  // Defined in thingProperties.h
  initProperties();

  // Connect to Arduino IoT Cloud
  ArduinoCloud.begin(ArduinoIoTPreferredConnection);
  
 /*
     The following function allows you to obtain more information
     related to the state of network and IoT Cloud connection and errors
     the higher number the more granular information you’ll get.
     The default is 0 (only errors).
     Maximum is 4
 */
  setDebugMessageLevel(2);
  ArduinoCloud.printDebugInfo();
  
  /* Time NTP */
  configTime(0, 0, MY_NTP_SERVER); 
  setenv("TZ", MY_TZ, 1); // Set your time zone
  tzset();
  
  delay(1000);
}

void loop() {
  ArduinoCloud.update(); 

  // Impulse counter to watt
  state=digitalRead(digital_pin);
  if ( laststate == 1 && state == 0 )
  {
    counter++;
  }
  laststate = state;

  watt = counter * 6;
  
  if(millis() >= time_now + period){
    time_now += period;
    strom = watt;
    resetFunc();
    Serial.println(strom);
  }
}

/*
  Since Strom is READ_WRITE variable, onStromChange() is
  executed every time a new value is received from IoT Cloud.
*/
void onStromChange()  {
  // Add your code here to act upon Strom change
}

Handy IoT Remote App

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.