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Kapazitiver Regensensor mit einem ESP8266 / Arduino

Allgemeines:

Im Internet wird eine Vielzahl von verschiedenen Regensensoren angeboten. Die meisten davon kommen aus Fernost und arbeiten nach dem Resistance Prinzip.

Resistance Regensensor

Trifft ein Regentropfen auf die nicht isolierten Kontakte des Sensors, werden die nebeneinander liegenden kammförmigen Kontakte durch den Regen verbunden, was letztendlich zu einer reduzierung des Sensorwiderstandesführt.

Diese Widerstandsänderung ist abhängig vom Verschmutzungsgrad des Regenwassers, sowie der bereits eingetretenen Oxidation des Regensensors.

Über eine Komparatorschaltung kann hierbei meist der Schaltpegel eingestellt werden, bei dem Regen detektiert wird und der dann das digitale Ausgangssignal setzt.

Manche Sensoren stellen zusätzlich zu disem Digitalausgang noch ein Analogsignal zur Verfügung, was eine Lösung für eine zeitweilige Kalibrierung des Sensors durch die  Software erlauben würde.

Der große Problem bei dieser Messmethode ist es, dass selbst bei Sensoren mit vergoldeten Kontaktoberflächen immer parasitäre Ströme fließen.

Da praktisch immer ein kleiner Gleichstrom an beiden Polen des Sensores anliegt, führt dies unabhängig von der Qualität des Sensors zu einem Elektrochemischen Prozess und damit über kurz oder lang zu einer schrittweisen Zerstörung des Sensors.

Eine bessere Lösung stellt dieser Sensor dar, da er nach einem anderen Prinzp, dem Kapazitiven Prinzip beruht.

Das Funktionsprinzip bei einem Kapazitiven Sensor ist dem oben vorgestellten Messverfahren durchaus ähnlich. Es unterscheitet sich jedoch in einem wesentlichen Punkt, bei Regen wird hier keine leitende Verbindung hergestellt. Duch die Wassertropfen auf der Oberfläche wird lediglich die Kapazität des Sensors verändert, das Wasser wirkt als Dieelektrikum.

Der Vorteil bei diesem Lösungsansatz liegt darin, dass keine blanken Leiterbahnoberflächen der Witterung ausgesetzt sind und dadurch auch kein Elektrochemischer Prozess ausgelöst wird, der den Sensor beschädigt. Alle leitenden Teile sind durch eine Lackschutzschicht vor Witterungseinfüssen geschützt.

Die Kapazität des Sensors beträgt im trockenen Zustand ca. 170pF. Tritt eine Betauung ein oder trifft regen auf den Sensor auf, steigt die Kapazität an.
Durch das ermittelte Delta C, lässt sich sogar eine Aussage über die Art des Regens und dessen Intensität treffen.

Ist es z.B. Neblig oder es handelt sich um einen feinen Nieselregen, der die Sensoroberfläche benetzt, bilden sich viele kleine Wassertröpfchen auf dem Sensor, was wiederrum zu einem großen Delta C führt.
Bei einem Durchschnittlichen Regegnereignis sind es vorwiegend größere Tropfen, die zu einem großen Teil sofort wieder abrutschen, so ergibt sich ein kleineres Delta C.

Um schnell festzustellen, wenn der Regen zuende ist, besitzt der Sensor eine Heizung an der Platinenunterseite. Diese besteht aus zwanzig 15 Ohm Heizwiderstände, die es bei einer Versorgungsspannung von 5V immerhin auf eine Heizleistung von knapp 1,8 W bringen.
Sie sorgen für eine zügiges verdunsten der Flüssigkeit oder der Eisbildung auf der Sensoroberfläche.

Durch die sehr kleine Bauform des Sensors, kann selbst mit dieser relativ geringen  Leistung ein schnelles  (ca. 5 Minuten) Abtrocknen sichergestellt werden.
Energetisch gesehen ist es sinnvoll, die Sensorheizung nur für die Dauer einer Regenerkennung zu betreiben. Das bedeutet, wird keine Feuchtigkeit oder Regen mehr detektiert, soll die Sensorheizung abgeschaltet werden!
Heirfür ist bereits ein Transistor auf der Platine vorgesehn.
Wird hier ein Mosfet bestückt und ist der Pin für dessen Ansteuerung nicht angeschlossen, muss dieser auf Masse gelegt werden.
Da der Mosfet bei einem offenem Gate in einem Halbleitenden Zustand gehen könnte, was zur einer Zerstörung des Bauteils füren würde.

Bestückung der Platinenunterseite

Diese Bild zeigt die Bestückung der Unterseite des Sensors. Es ist gut zu erkkennen, das im Layout zwar Pats für eine Befestigung der Sensorplatine vorgesehn sind, diese jedoch keine Bohrung besitzen.
Weshalb hier auch kurz auf die Befestigung des Sensors eingegangen werden soll.

Wie zu sehen ist befinden sich die Anschlüsse annähernd mittig auf der Sensorplatine.

Verwendt man z.B. eine feste Wasserdichte Hensel Anschlussdose um die Elektronik darin zu verstauen, genügt es in den Deckel ein passendes rundes Loch zu bohren, damit die Anschlüsse nach innen ragen. Der Regensensor selbst wird am besten mit Silikon wasserdich mit dem Deckel verklebt. Sollten dennoch Befestigungslöcher benötigt werden, so können diese nachträglich ausgebohrt werden.

Es bietet sich an die Platine für die Auswertung mit dem entsprechenden Gegenstück auszustatten, so das diese von der Innenseite aufgesteckt werden kann.

Die Befestigung dieser Platine kann mit Distanzbolzen, die am Deckel eingeschraubt werden, erfolgen. Werden die Schrauben nicht vom Sensor (mit Silikon) überdeckt werden, sollte hier auf Edelstahlschrauben zurück gegriffen werden.

Im Unteren Bild ist der Schaltplan der Sensorplatine zu sehen. Bei der Steckverbindung wurde beim Entwurf wert darauf gelegt, dass die Signale für alle möglichen Anschlussvarianten an den Pins herausgeführt wurden.

Somit stehen dem Endanwender alle möglichen Verfahren, die zur Kapazitätsmessung angewannt werden können zur Verfügung.

Schaltplan Kapazitiver Regensensor V1.00

Pinbelegung:

  1.  VDD +5V / 3,3V
  2. NC
  3. Sensorheizung
  4. Ladewiderstand
  5. Analog wert (Ladezustand)
  6. Entladewiderstand
  7. GND
  8. GND

Kapazitätsmessung durch Laden und Samplen der Kondensatorspannung

Source  Code als Anwendungsbeispiel von Matthias Busse
Quellenverweis :
Kapazitäten von 10nF bis 2000uF einfach messen mit dem Arduino

// Kapazität Messgerät 10nF bis 2000uF
//
// Matthias Busse 22.2.2015 Version 1.1

#define messPin 0            // Analog Messeingang
#define ladePin 13           // Kondensator lade Pin über einen 10kOhm Widerstand
#define entladePin 11        // Kondensator entlade Pin über einen 220 Ohm Widerstand 
#define widerstand  9953.0F  // 10 kOhm > gemessen 9,953 kOhm

unsigned long startZeit;
unsigned long vergangeneZeit;
float microFarad;
float nanoFarad;

void setup() {
  pinMode(ladePin, OUTPUT);     // ladePin als Ausgang
  digitalWrite(ladePin, LOW);  
  Serial.begin(9600);           // Serielle Ausgabe
  Serial.println("Kapazitaetsmesser Version 1.1");
}

void loop() {
  // Kondensator laden
  digitalWrite(ladePin, HIGH);            // ladePin auf 5V, das Laden beginnt
  startZeit = micros();                   // Startzeit merken
  while(analogRead(messPin) < 648){}      // 647 ist 63.2% von 1023 (5V) 
  vergangeneZeit= micros() - startZeit - 114; // 0-Messung abziehen (112-116 us)
  if(vergangeneZeit > 4294960000) vergangeneZeit = 0; // Minuswerte auf 0 setzen (ist long deshalb der hohe Wert)
 // Umrechnung: us zu Sekunden ( 10^-6 ) und Farad zu mikroFarad ( 10^6 ),  netto 1  
  microFarad = ((float)vergangeneZeit / widerstand);   
  Serial.print(vergangeneZeit);           // Zeit ausgeben
  Serial.print(" nS    ");         

  if (microFarad > 1){
    if(microFarad < 100) {
      Serial.print(microFarad,2);         // uF.x ausgeben
      Serial.println(" uF     ");
    }
    else {
      Serial.print((long)microFarad);     // uF ausgeben
      Serial.println(" uF     ");
    }
  }
  else {
    nanoFarad = microFarad * 1000.0;     // in nF umrechnen
    if(nanoFarad > 10) {
      Serial.print((long)nanoFarad);     // nF ausgeben
      Serial.println(" nF     ");
      }
    else
      Serial.println("kleiner 10 nF");  
  }

  /* Kondensator entladen */
  digitalWrite(ladePin, LOW);             // ladePin auf 0V 
  pinMode(entladePin, OUTPUT);            // entladePin wird Ausgang 
  digitalWrite(entladePin, LOW);          // entladePin auf 0V 
  while(analogRead(messPin) > 0){}        // bis der Kondensator entladen ist (0V)
  pinMode(entladePin, INPUT);             // entladePin wird Eingang
  
  while((micros() - startZeit) < 500000){}   // bis 500ms warten, d.h. max 2 Ausgaben pro Sekunde
}

Kapazitätsmessung sehr kleiner Kapazitäten

Da bei sehr kleien Kapazitäten die Ladezeit des Kondensators ebenfalls sehr klein wird, müsste beim oben vorgestellten Maessverfahren der Ladewiederstand im Verhältnis hierzu entsprechend vergrößert werden. So das mit der Samplingrate des AD-Wandlers im Mikrokontrolers immer noch ein akzeptables Messergebnis erzielt werden könnte.

Das Probelm bei einem sehr großen Ladekondensator liegt darin, dass natürlich auch der Analogeinge des Mikrokontrollers den Kondensator belatet und entlät. Der Messfehler wird also umso größer, je größer der Ladewiderstand wird, bis das System kippt und der Ladewiderstend die benötigte Ladung nicht mehr liefern kann.

Da sich der Regensensor in einem Kapazitätsbereich von 170pF – max. 400 pF bewegt, musste hier für auf eine anders Messprinzip zurückgegriffen werden.

Das Frequenzmessverfahren

Bei diesem Messverfahren wird keine ADC benötigt, es kommt mit einem Digitaleingang des Mikrokontrollers aus.
Hierfür kommt der hochgenaue Langzeittimer NE555 zum Einsatz.
Dieser Timer seht sowohl in der 5V Variante als NE555 , als auch für Mikrokontroller die nicht 5V tolerant in der 3V Variante als ICM7555 zur Verfügung.

Arbeitet der Mikrokontroller mit 3,3,V und stehen nur ein NE555 zur Verfügung, kann auch ein Spannungsteiler am Ausgang den Levelshift übernehmen.

Der NE555 wird in dieser Schaltung als Multivibrator eingesetzt, der abhängig von angeschlossenen Kondensator seine Ausgangsfrequenz verändert.

Für die Messung werden vom Regensensor nur der Pin 5. Analogwert und Pin 7. GND benötigt.
Soll die Heizung genutzt werden kommen noch die Pin 1. VDD und Pin 3. Sensorheizung hinzu.

Die Ausgangsfrequenz berechnet sich nach folgender Formel:
f = 1 / (0,694 * C * (R1 +(2 * R2)))

Die Ein- Zeit berechnet sich wie folgt:
tH = 0,694 * (R1 + R2) * C

Die Aus- Zeit berechnet sich wie folgt:
tL = 0,694 * R2 * C

Programaufbau für die Kapazitätsmessung des Regensensors

Im ersten Schritt wird für den Regensensor eine Null Abgleich vorgenommen, dies findet bei der ersten Initialisierung mit einem  trockenen Regensensors statt.
Der so ermittelte Wert wird als Nullpunkt Frequenz gespeichert.

int C = Cref * Nullpunkt / freq * Cref;

 

ESP8266 EEProm richtig verwenden

Grundlagen

Der ESP8266 verfügt je nach Bestückung des verwendeten ESP-Moduls über ein Flash Speicher, der von 1KBit bis zu 16 KBit haben kann.

Beim ESP wird hiervon fester Bereich von 4096 Byte für eine „qasi“ EEProm reserviert, welches vom Programm gelesen und auch beschrieben werden kann. Diese Daten bleiben wie das Programm nach einem neustart erhalten.

Die Größe dies für den EEProm reservierten Bereichs ist in der spi_flash.h unter SPI_FLASH_SEC_SIZE (4096) definiert.

Quelle: www.ullisroboterseite.de
Quelle: www.ullisroboterseite.de

EEproms eignet sich perfekt zum speichern non Daten bzw. von Daten Strukturen, die nach einem Neustart des ESP wieder zur Verfügung stehen sollen.
Da es sich hierbei aber immer noch um eine Flash Ram handelt und diese vom Hersteller mit einer maximalen beschreibbarkeit von ca. 10.000 mal angegeben werden, sollten hier nur Daten gespeichert werden, die keiner häufigen oder gar zyklischen Änderung unterliegen. 

Deshaln eignet sich dieser Speicher auch nicht für Messdaten, für  Konfigurationsdaten, die sich aber nur selten ändern, ist er perfekt.

Verwendung

Die definition erfolgt als Arduino-typischer Klassenkonstruktor mit der Klasse EEPROMClass, diese stellt eine Reihe vordefinierter Funktionen bereit, die für das Handling mit dem EEProm notwendig sind.

Mit „void EEPROMClass::begin(size_t size)“ wird das Objekt zunächst initialisiert.

Dabei wird ein interner Puffer mit Namen _datain der angegeben Größe angelegt.
In diesen Bereich, der nun als EEPROM deklarierte ist, wird nun der Puffer eingelesen.
Alle nachfolgende Lese- bzw. Schreib Operationen in disem Zwischenpuffer.
Dieser Zwischenpuffer wird erst dann in den Flash Speicher übertragen, wenn man dies mit der Methode EEPROM.commit(); anfordert oder das Programm die Operation mit einem EEPROM.end(); abschließt.

Die internen Variablen _dirty vermerkt, ob eine Änderung des Dateninhalts stattgefunden hat. Ein Zurückschreiben des Pufferinhalts erfolg deshalb nur dann, wenn auch eine Änderung stattgefunden hat.

Die Methode getDataPtr() liefert den Zeiger auf den internen Pufferspeicher. Bei einem Aufruf dieser Methode wird _dirty gesetzt, da der Pufferinhalt über diesen Zeiger abgeändert werden könnte.

Der Kalssenaufruf EEPROMClass benötigt beim Konstruktor die Angabe der Speicheradresse (Sektornummer) in EEPROM.cpp, _SPIFFS_end ergibt sich aus der in der IDE festgelegten SPIFFS-Konfiguration.

Die vordefinierte Instanz der Klasse EEPROM wir folgt angelegt:

EEEPROMClass EEPROM((((uint32_t)&_SPIFFS_end - 0x40200000) / SPI_FLASH_SEC_SIZE));

Um z.B. Konfigurationsdaten in Verbindung mit dem EEPROM zu lesen und zu speichern, bietet es sich an die Daten in einer Structur zu verwalten.

 

typedef struct {
  int PHysteresisH1 = 10;          // Fall Back Hysteresis für Relais 
  int PThresholdH1 = 100;          // Schwellwert für Relais 
  int PHysteresisL1 = 10;          // Fall Back Hysteresis für Relais 
  int PThresholdL1 = 50;           // Schwellwert für Relais 
  int PRelaisStateL1 = 0;          // 0- NO / 1- NC
  int PRelaisStateH1 = 0;          // 0- NO / 1- NC
  int PRelaisStateErr = 1;         // 0- NO / 1- NC
  int PSerialOutState = 0;         // 0- OFF / 1- ON
  int PWifiState = 0;              // 0- OFF / 1- ON
  int PMode = 0;                   // 0= relative / 1= Absolut Druck
  int PACMode = 0;                 // 0= keine Autocalibration / 1= Autokalibration
  int PDeltaAC = 10;               // Maximale Abeichung Druckdifferenz 
  int PCalibrationTime = 5000;     // Calibration Counter Time in ms
  unsigned long PHoldTime = 500;   // Für Abfallverzögerung in ms
} PSettings;
PSettings psettings;

Um Speicherplatz zu sparen, sollte der Pufferspeicher nicht größer als notwendig initialisiert werden. Die Maximale Größe beträgt 4096.

Lesen von Daten aus dem Pufferspeicher

EEPROM.begin(1024); // Puffergröße die verwendet werden soll
EEPROM.get(512, psettings); // Anfangsadresse bei der die definierte Structur abgelegt ist
EEPROM.end(); // schließen der EEPROM Operation

Schreiben von Daten in den Pufferspeicher und anschließende Übernahme in den Flash mit commit()

EEPROM.begin(1024);
EEPROM.put(0, settings); //Schreiben einer zweiten Structur ab Adresse 0
EEPROM.commit();
EEPROM.end();

Quellen Verweise:
www.ullisroboterseite.de
www.kriwanek.de

ESP Interrupt Routiene Linkerattribute

Beim der Einbinden von ISR Routienen in den Quellcode des ESP kann es zu einer Fehlermeldung des Compilers kommen.

need to add the ICACHE_RAM_ATTR macro to interrup service routines (ISRs)

Das ICACHE_RAM_ATTR und ICACHE_FLASH_ATTR sind Linkerattribute. Bevor Sie Ihren Programmcode kompilieren, können Sie festlegen, ob die Funktion im RAM oder FLASH gespeichert werden soll (normalerweise legen Sie nichts fest: kein Cache).

Der ESP8266 ist Multitasking und der ESP32 verfügt über 2 Kerne. So können Sie Ihren Code als Multithreading ausführen, da er das RTOS verwendet.

Und jetzt das Problem: Der gesamte Flash wird für das Programm und die Speicherung verwendet. Das Lesen und Schreiben in den Flash kann aber nur über einen Thread erfolgen. Wenn Sie versuchen über 2 verschiedene Threads gleichzeitig auf den Flash zuzugreifen, kann es bei einem Konflikt zu abstürzen Ihres ESP kommen.

Sie können Ihre Funktion anstelle des Flashs, aber auch im RAM ablegen. Selbst wenn Sie etwas in das EEPROM oder den Flash schreiben, kann diese Funktion aufgerufen werden, ohne auf den Flash zuzugreifen.

Mit ICACHE_RAM_ATTR stellen Sie die Funktion in den RAM.
und
mit ICACHE_FLASH_ATTR stellen Sie die Funktion in den FLASH, z.B. um RAM zu sparen.

Interrupt-Funktionen sollten deshalb immer mit dem ICACHE_RAM_ATTR Linkerattribute versehen werden.
Funktionen, die häufig aufgerufen werden, sollten kein Cache-Attribut verwenden.

Wichtig:
Greifen Sie NIEMALS innerhalb eines Interrupts auf Ihren Flash Speicher zu!
Da der Interrupt jeder Zeit während eines Flash-Zugriffs auftreten kann.
Wenn Sie also gleichzeitig versuchen, auf den Flash zuzugreifen, kommt es zu einem Absturz und das kann manchmal auch erst nach einer lägerer Betriebszeit geschehen.

Da Sie nur 32 KB IRAM (Instruction RAM) haben, sollten Sie versuchen, nur Interrupt-Funktionen in den RAM zu stellen.
Nicht alle Ihre Funktionen, auch wenn dies mit Linkerattributen möglich ist.

const uint8_t interruptPin = 14;
volatile byte interruptCounter = 0;
int numberOfInterrupts = 0;
void ICACHE_RAM_ATTR handleInterrupt();

void setup() {

  Serial.begin(9600);
  pinMode(interruptPin, INPUT);
  attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(interruptPin), handleInterrupt, CHANGE);

}

void handleInterrupt() {
  interruptCounter++;
}

void loop() {

  if(interruptCounter>0){

      interruptCounter--;
      numberOfInterrupts++;

      Serial.print("An interrupt has occurred. Total: ");
      Serial.println(numberOfInterrupts);
  }

}
// Quelltext by Alfredo Ramirez

 

 

Start- Stop Zeitmessung mit DOT Matrix Display und WLAN Anbindung

Timekeeper Manual
Timekeeper Manual
Timekeeper-Manual.pdf
Version: 1.01
2.5 MiB
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Details

Allgemeines

Die hier beschriebene Zeitmessung „Timekeeper“ entstand auf Anfrage für eine Zeitmessung zu Trainingszwecke für eine Gleichmäßigkeitsprüfung, wie sie bei Oldtimer Rennen zur Wertung durchgeführt wird.

Aufgabenstellung:

Beim Durch- bzw. Überfahren eines Startinitiators sollte eine neue Zeitmessung begonnen werden, diese sollte mit dem Durch- bzw. Überfahren des Zielinitiators enden.
Die Zeitnahme sollte in drei verschiedenen Modi erfolgen können, eine reine Zielzeiterfassung, eine Ziel- und Zwischenzeiterfassung (was einen weiteren Zeitmesseingange für die Zwischenzeit notwendig machte) und die Erfassung von zwei Rundenzeiten (LAP1 und LAP 2).

Die gemessenen Zeiten sollten durch eine große Anzeige, die gut aus dem Fahrzeug, nach Beendigung der Zeitnahme abzulesen wäre. Des Weiteren sollte die Möglichkeit bestehen, die gemessenen Zeiten zusätzlich in einer APP auf dem Smartphon angezeigt zu bekommen.

Eine Webserver Ansicht, die alternativ zur APP Ansicht benutzt werden könnte, wurde ebenfalls angestrebt.

Die Anforderungen wurden in diesem Projekt kurzbeschrieben wie folgt realisiert:


Die gesamte Zeitmessung erhielt ein robustes Aluminium Gehäuse mit einer verspiegelten Plexiglasscheibe, hinter der eine gut lesbare LED DOT Matrix Anzeige angebracht wurde.
Die Auflösung des Displays beträgt 1024 Led Bildpunkte.

Um die drei Initiatoren direkt per M12 Steckverbinder anzuschließen, wurden auf der Rückseite des Gehäuses drei Buchsen angebracht, die einen direkten Anschluss von Industrie Laserlichtschranken (z.B. der Firma Leutze) ermöglichen.
Aus diesem Grund wird das Modul mit einem =24V/1A Stecker Netzteil versorgt, dass sogleich die Versorgungsspannung für die angeschlossenen Initiatoren wie auch der internen Elektronik bereitstellt.

Die Zeiterfassung erfolgt Mikrocontroller gestützt, mit einem ESP8266. Dieser Baustein bietet alle Voraussetzungen, die für die Realisierung des Projektes und eine Anbindung über ein WIFI Netzwerk notwendig sind.

Eine Externe Antenne sorgt für eine optimale Reichweite des Moduls.

Um die ermittelten Zeiten direkt auf einem Smartphone anzuzeigen, wurde eine Anbindung an die BLYNK APP realisiert.
Da diese APP ist sowohl für Android als auch für IOS erhältlich ist. Sie überzeugte durch ihr offenes und flexibles Konzept und ist zudem eine sehr kostengünstige Lösung für den Endkunden.

Durch den Kauf von zusätzlicher Energie, kann die App leicht und flexibel um weitere Anzeigen und Funktionen erweitert werden.

Ist keine Internetverbindung möglich oder vorhanden, arbeitet das Timekeeper Modul somit nach der Initialisierung im Standalone Modus, die ermittelten Zeiten werden auf dem Display angezeigt.

Zusätzlich können die gemessenen Zeitinformation in diesem Betreibsmodus aber auch über ein integriertes Webinterface abgerufen und angezeigt werden. Hierfür wird ein interner Access Point geöffnet, mit dem man sein Smartphon verbinden kann, um auf die ermittelten Zeiten zuzugreifen.

Ist eine Anbindung an ein lokales WLAN und somit eine Internet Verbindung vorhanden, bietet das Modul weitere Optionen für die Bedienung und die Zeitanzeige.

Es ist dann z.B. möglich die neusten Firmware Updates vom Webserver des Herstellers direkt in das Modul zu laden und zu installieren.

Ein integrierter NTP-Zeitservice stellt dann die aktuelle Uhrzeit und das Datum zur Verfügung. Wird mit dem Modul länger als 90 Sekunden keine neue Zeitmessung mehr durchgeführt wird diese dann automatisch auf dem Display angezeigt.

Die Auswahl verschiedener Funktionen erfolgt über dem MODE-Taster auf der Rückseite des Moduls. Damit kann ein Menü aufgerufen werden, um die Funktionsweis des Moduls zu konfigurieren.

 

Die M12 Buchsenanschlüsse sind kompatible mit der von uns empfohlenen Leuze Laserlichtschranken von Typ PRKL 25 4.1 200-S12 und können somit direkt angeschlossen und betrieben werden.

Steckerbelegung:

Versionsverlauf:

Intended:

  • Version 1.02
    Nicht geplant

Released:

  • 08.05.2019: Version 1.01RC
    „Single Ini“ Zeitnahmefunktion mit nur einem Initiator, Trenddarstellung der Zeitdifferenz und Umgestaltung der Bedienelemente.
    Erweiterung der Blynk App um ein Eingabefeld für die Entfernung zwischen dem Start- und Ziel Initiator sowie die Integration einer Anzeige der daraus berechneten Geschwindigkeit.
    Timekeeper BLYNK Token V1.01
    Timekeeper BLYNK Token V1.01
    Timekeeper-BLYNK-Token-V1.01.png
    Version: 1.01
    10.6 KiB
    479 Downloads
    Details
  • 20.04.2019: Version 1.00
    Timekeeper finale Version 1.00, Firware released.
    Timekeeper BLYNK Token V1.00
    Timekeeper BLYNK Token V1.00
    Timekeeper-BLYNK-Token-V1.00.png
    Version: 1.00
    10.7 KiB
    318 Downloads
    Details

Sonoff Hack für Alexa von Amazon

Download Arduino Sourcecode von Github

In diesem Projekt wird gezeigt, wie man seinen WIFI Sonoff Switch  der Firma ITEAD direkt und ohne Umwege über eine App oder den ITEAD Server, über seine eigen Amazon Alexa ansteuern kann.

Hierfür sind ein paar kleinere Änderungen an der Hard- und Firmware des Sonoff nötig, die nachfolgend gezeigt werden. Nach dem Umbau bietet der Switch viele neue Möglichkeiten.

  • Konfiguration der WIFI Parameter über ein Captiv Portal.
    Zur Inbetriebnahme des Sonoff startet der Switch im Access Point Modus, hier können anschließend alle Betriebsparameter eingegeben werde, die für den Betrieb im eigenen WLAN und mit Alexa notwendig sind.
  • Wurde der Sonoff an das eigenen WLAN gebracht, kann über ein Web Interface der Schalter bedient und der Timer konfiguriert werden.
  • Zusätzlich kann der Sonoff über das in der Konfiguration definieren Schlüsselwort über Amazon Alexa angesprochen und geschaltet werden.

Allgemeines

Vom Sonoff Switch sind zwei verschiedene Modul Varianten verfügbar. Eine mit und eine ohne RF-Funkmodul.
Wir werden uns hier mit dem Modul ohne RF-Funkmodul beschäftigen, da wir nur das WLAN-Modul fü dieses Projekt benötigen.

Etwas neuer auf dem Markt sind nun auch die Sonoff Schalter Steckdosen mit der Bezeichnung Sonoff S20, hier von habe ich ein paar bestellt. Diese können genau so wie die oben beschreibenen Module mit der geänderten Firmware geflasht werden.

Warum ein Sonoff?

Der Sonoff ist nicht der erste seiner Art, also warum er und nicht ein anderer?
Das angesagte Ziel ist es, selbst die Kontrolle zu behalten. Und nicht auf irgend einen Anbieter angewiesen zu sein.
Im Auslieferungszustand ist bereits eine Firmware auf dem Sonoff vorinstalliert, so kann der Switch direkt von einem Smartphone über die App gesteuert werden.

Den Kern des Sonoff bildet ein WiFi Modul Names ESP8266, der kompatibel mit dem Arduino ist.
Somit kann eine neue Firmware leicht mit der Arduino IDE erstellt und direkt von dort in den Mikrocontroller geladen werden.
ITEAD war sogar so nett und hat alle für die Programmierung benötigten Signale herausgeführt 🙂

Lets hack!

Bevor irgend welche Arbeiten an dem Switch durchgeführt, sei es das öffnen des Gehäuses, ein Hardware Umbau oder das flashen, muss unbedingt die Netzspannung entfernt werden!!!
Es besteht LEBENSGEFAHR!!!

Im ersten Schritt wird der Flash RAM Speicher des Sonoff (1 MBit) gegen einen größeren Speicher 4MBit ausgetauscht. So bleib genügend Platz für weitere neue Innovationen.

Dieses YouTube Video zeigt die Vorgehensweise.

Eine genaue Beschreibung über die Programmierung mit der Arduino IDE und dem Austausch des Speichers finden Sie in diesem Link.

Zugriff für die Programmierung des Sonoff bietet ein Stiftleistenslot auf der Platine, der wie folgt belegt ist.

Wichtig:
Der ESP8266 arbeitet mit einer Betriebsspannung von 3.3V Vergessen deshalb nicht vor dem Anschluß ihres Programmiergerät dies auf 3.3V um zu stellen.

Programmer Sonoff (gezählt vom quadratischen Pin)
3V3 1
TX 2 (RX)
RX 3 (TX)
GND 4
 NC 5

Für die Programmierung halten sie den Taster gedrückt und schalten sie anschließend die Spannungsversorgung 3V3 des Sonoff zu. So startet der ESP8266 im Flash Modus.

Pin Belegung des Sonoff

Funktion GPIO NodeMCU
Button 0 3
Relay 12 6
Green LED 13 7
Spare (pin 5) 14 5

Die LED auf der Platine ist aktuell eine rot/grün bi-color led, bei der aber nur die grüne led verwendet wird. Die rote LED ist für die Variante mit dem RF-Modul geplant und, die in meiner Version aber nicht vorhanden ist

Nach dem flashen der neuen Firmware, was erstmalig über die Serielle Schnittstelle erfolgen muss, ist es dann möglich weitere Firmware Updates OTA in den Sonoff zu übertragen.
In der Arduino IDE sollte nach dem konfigurieren des Switches ein entsprechender Eintrag unter Port zu finden sein.

Dash Button mit Bestellsystem Software

Was ist ein Dash Button?

In diesem Projekt entsteht eine Batterie betriebener WLAN Dash Button in robuster Ausführung.
Die Elektronik soll in einem Gehäuse aus Metall untergebracht werden und eine Schutzart von IP64 erfüllen (Schutz gegen Spritzwasser und Staub).

Ein Dash Button ist eine kleine Mikrocontroller gestützte Schaltung, die bei Anforderung mit einem lokalen WLAN Netzwerk eine Verbindung herstellen kann, um so Daten an einen beliebigen Server zu senden.

Um einen Dash Button in ein bestehendes WLAN Netzwerk zu integrieren, startet der Dash Button im AP-Modus, nach dem Verbinden z.B. mit einem Smartphone oder Laptop, wird automatisch ein Captive Portal auf dem Endgerät geöffnet.

Hier können anschließend folgende Credentials definiert werden:

  • SSID des lokalen WLAN Netzwerks
  • Passwort des lokalen WLAN Netzwerks
  • Hostname des Ziel-Servers
  • URL
  • Dash Token, ein ein-eindeutiger Schlüssel für die Aktion die der Dash Button auslösen soll

Aufbau der Hardware

Der Dash Button soll unabhängig von einer externen Energieversorgung arbeiten können. Das bedeutet, dass die Energieversorgung mit Batterien realisiert wird, die im Gehäuse untergebracht werden.

Prototyp Dash Button von oben

Prototyp Dash Button von unten

Prototyp eines DashButtons im Metallgehäuse, zum Testen der Feldstärke mit einer ext. Antenne.

Deep Sleep Modus

Softwaretechnisch wird hierfür die sogenannte Deepsleep Funktion des Mikrocontrollers verwendet. In diesem Modus hat die Schaltung eine Stromaufnahme <70uA, was eine lange Lebensdauer der Batterien im Standby garantiert.

Nach Herstellerangaben, liegt der Deepsleep Ruhestrom bei ca. 10uA. Gemessen wurde beim Dashbutton jedoch eine Ruhestromaufnahme von ca. 60 uA. Dies muss jedoch noch genauer untersucht werden, da hier eine Messfehlertoleranz des Multimeters anzunehmen ist.

20150112172151.jpg

Eine Standard ESP-07 enthält einen Flash RAM von 1M, für die Programmierung wird ein SPIFFS von 64 K voreingestellt.
Direkt auf dem Modul befinden sich zwei LED’s , die rote LED ist direkt mit der Versorgungsspannung verbunden. Diese LED verursacht auch im Deepsleep Modus einen schadhaften Ruhestrom von ca. 15 mA und muss deshalb entfernt werden.
Die blaue LED ist mit TxD verbunden und zeigt die Aktivität an diesem Pin an.

Änderung des Energieversorgungsskonzeptes

Bei den Tests mit verschiedenen Primärquellen hat sich gezeigt, das mit dem ersten Layoutentwurf immer nur ein relativ kleiner Teil der zu Verfügungstehenden Kapazitäten entnommen werden kann. Deshalb wird nun in einer überarabeitenen Hardware Revision ein StepUp Booster vom Typ   NCP1402SN33T1 eingesetzt.

Dieser Baustein hat eine sehr niedrige Anlaufspannung von ca. 0.8V. Werden zwei AA-Battereien in Reihe betrieben, kann jede Zelle bis zu einer Spannung von 0.4V entladen werden, was knapp 90% der Gesamtkapazität der Zellen entspricht.

Der Baustein hat einen sehr niedrige Standby Stromaufnahme von nur 10uA und er stellt am Ausgang einen konstante Spannung von 3.3V zur Verfügung.

Das Schaltungsdesigne wird auch dahingehend geändert, dass auf den Standbystrom des NCP1402SN33T1 und den Deep Sleep Modus des ESP6288 verzichtet werden kann, da die Summe der beiden Ruhestromaufnahmen dann doch einen beträchtlichen Anteil von ca. 70 uA aus mahen würden.

Zu Einsatz kommt ein Mos Fet Transistor, der gleich zwei Aufgaben erfüllt. Zum einen dient er dem Verpolungsschutz, wenn die Batteriene versehentlich falsch eingelegt wurden und schützt so die Schaltkreise vor der Zerstörung.
Und zum anderen, wird er als Schalter für die Sapannungsversorgung verwendet.

Mit dem Betätigen des Tasters wird der Mos Fet leitend und stellt die Versorgungsspannung des Schaltkreises zur Verfügung. Ms nach dem starten des ESP 8266 steuert dieser dann übereinen Ausgang den Mos Fet an und verhindert so das sie Versorungsspannung nach dem loslassen des Taster wieder abgeschaltet wird.

Sobald alle nötigen Programmaktionen abgearbeitet wurden, gibt der ESP 8266 den Schaltausgang des Mos Fet’s wieder frei und die Spannungsversorgung wird abgeschaltet.

Batterie Kapazität

Die Richtwerte für Alkalien Batterien schwanken lt. Herstellerangaben in folgenden Bereichen:

AAA 1000  - 1500  mAh
AA  2000  - 3000  mAh
D   12000 - 20000 mAh

Eine Duracell Plus soll lt. Herstellers Angaben bis zu 2.9 Ah haben, was einer Laufzeit im Deepsleep Modus von mehreren Jahren entspräche.

Für Batterietests bietet das Layout unter anderem auch die Möglichkeit den Dash Button mit einer Knopfzelle zu betreiben.
Es hat sich jedoch gezeigt, dass eine Standard LR2032 nicht in Frage kommt, da bei diesem Typ bei einer Pulsbelastung die Spannung kurzfristig auf 2,8V einbricht. Was deutlich außerhalb der Spezifizierten Parameter des ESP8266 liegen würde.

Deshalb wurde für den Test eine Lithium Ionen Zelle z.B. Typ LIR 2032 (35mAh) verwendet. Da diese Typen auch bei einer Pulsbelastung in der für den ESP8266 definierten Spezifikation bleibt.
Der Nachteil dieser kleinen Bauform liegt jedoch in der kurzen Standbyzeit,  die bei rund 60 uA Ruhestromaufnahme gerade mal für ca. 25 Tage reicht.

Bei der Verwendung von zwei in Reihe geschalteten AA-Zink Kohle Batterien ist der Arbeitsspannungsbereich für den Betrieb eines ESP8266 sehr eingeschränkt. Bei neuen Batterien liegt die Spannung bei ca. 3,2 V. Nach einer Entladung von ca. 5% liegt die Spannung nur noch bei 3,0V. Somit erscheint der Einsatz solcher Batterietypen als wenig sinnvoll.

Eine weitere denkbare Option wäre der Verwendung von drei in Reihe geschalteten AA-Zellen, um das Spannungsniveau  in einen besseren Auslastungsbereich zu bekommen. Hier bei müsste dann jedoch wieder ein Spannungsregler eingesetzt werden, der zusätzliche Verluste mit sich bringt, was die Lebensdauer aber bei der verhältnismäßig geringen Einschaltzeit kaum einschränken dürfte.

Typische Kennlienie einer Duracell AA Batterie. (Quelle Duracell Datenblatt)

So wird nun im dritten Anlauf für dieses Projekt angenommen, dass entweder zwei paralell geschaltete LiFEPO4 AA Akkus zum Einsatz kommen oder drei AA-Zellen die in Reihe geschaltet werden. Oder die Dritte Option ein LIPO Akku mit einer Ausgangsspannung von 3.7V.

Die Platine erhält einen 3,3 V low drop Spannungsregler der Firma Mikrochip, vom Typ MIC5219-3.3BM5 LG33 3.3V –40°C to +125°C SOT-23-5.

Dieser Baustein besitzt einen Enable Eingang, der es erlaubt die komplette Schaltung abzuschalten ohne das ein merklicher Ruhestrom fließt.

Durch den Einsatz dieses Reglers kann ein ein Eingangsspannungsbereiche zwischen 3 – 5v abgedeckt werden. Darurch sind alle drei Varianten der oben beschriebenen Spannungsversorgungen möglich.

LiFEPO4 AA Akkus liefern eine Spannung von 3,4 V / 700 mA, was einer Batteriekapazität von 100% entspräche.
Durch eine Parallelschaltung von zwei LiFePO4 Akkus kann somit die Kapazität auf 1400 mAh erhöht werden.

Hierbei läge die Ausnützung der Batteriekapazität bei etwa 60% (800 mAh), im Vergleich zu drei Zink-Kohle Batteriene. Deren Entladeschlussspannung bei 1v liegt, was bei drei in reihe geschaltenenen Zellen ca. 3V entspricht  = minimale Eingangsspannung der EPS lt. Spec.

Es ergäbe sich rein rechnerisch eine Standbybetriebszeit von ca. 1,5 Jahren.

Ein großer Vorteil bei der Verwendung von LiFePO4 Zellen liegt darin, dass die Zellen wiederaufladbar sind und somit viele Male wieder verwendet werden können.
Ein gravierender Nachteil der Parallelschaltung von zwei Zellen liegt jedoch in einer Verpolung.
Wenn die Zellen von nicht fachkundigem Personal gewechselt werden sollen,  kann es durch die Parallelschaltung der beiden Zellen bei einem falschen Einlegen zu einem Kurzschluss kommen, der dann zur thermischen Zerstörung der Akkus und letztendlich des Dashbuttons führen würde.

Endladekennlinie einer LiFePO4 Zelle. (Quelle https://evtv.wordpress.com/2010/04/21/april-16-friday-show/)

Um eine lange Lebensdauer von Akkus zu gewährleisten, sind diese unbedingt vor einer Tiefentladung  zu schützen. Deshalb ist in der Firmware des DashButtons ein Schwellwert von 2,9 V programmiert, ab dem sich der Dash Button nicht mehr starten lässt. Die LED geht kurz an, blinkt für 1 Sekunde sehr schnell und geht dann sofort wieder aus!

Laut Herstellerangaben darf sich die Betriebsspannung eines ESP 8266 in einem Bereich von 3,0V – 3,6V bewegen (Typisch 3,3V).
Somit entspräche eine Batteriespannung von 3,0V gleich 0% Batteriekapazität, was einen sofortigen Batteriewechsel nötig machen würde!

Server Software

Die Server Software bietet die Möglichkeit, neben den Nutzinformation (Token) auch Informationen zur aktuellen Batteriespannung, Hard- und Software Version  und eine Statusinformation des DashButtons zu liefern.

Die Betriebsspannung wird mit dem Parameter &vbatt=x.xxx an den Server übergeben.
Er gibt die Batteriespannung in Volt an.

Beispielberechnung für die Batteriekapazität:

Bei Betrieb mit einer Li Fe PO4 Zelle , wird am Messeingang des Mikrocontrollers etwa eine  Betriebsspannung von 3,3V erreicht.
Was in diesem Fall einer prozentualen Batteriekapazität von 100 % entspräche.
Die minimale Betriebsspannung sollte 3,0V nicht unterschreiten, was somit die 0% der Batteriekapazität fest legt.

Im folgenden Beispiel wird angenommen, dass die Batterie noch eine Spannung von 3,15V (50%) liefert:

Y = Eingangsspannung 3,15V
Y0= 3,0 V
Y100= 3,3 V

X= Ergebnis in %
X0 = 0 %
X100 = 100%

X:= ((X100 – X0) * ( Y – Y0 )  /  (Y100 – Y0)) + X0;

        100 * 0.1
Y = ————-  + 0 = 50%
               0.2

Wird der Parameter nicht übergeben, wird der Wert im Server automatisch auf -1 gesetzt. Was soviel bedeutet, dass der Batteriestatus nicht ermittelt werden konnte bzw. nicht bekannt ist.

In der Server Software kann für jeden DashButton der verwendete Batterietyp ausgewählt werden. Somit kann die Berechnung der Batteriekapazität anhand einer hinterlegten Herstellerkennlinie erfolgen, was eine genauere Anzeige der tatsächlichen Kapazität ermöglicht.

Mit diesen Informationen kann in der Serverapplikation ein Mechanismus angestoßen werden, der den Admin rechtzeitig darüber informiert, wann ein Batteriewechsel erforderlich wird.

Das Layout bietet die Möglichkeit, verschieden Batterietypen in verschiedenen Leistungsklassen und Größen zu verwenden.

Externe Antenne

Um eine stabile Funkverbindung etablieren zu können, muss bei der Verwendung eines Metall- bzw. metallisierten Gehäuses eine externe Antenne verwendet werden!

Bei einem Standard ESP-07 Modulen ist bereits ein Anschluss für eine externe Antenne vorhanden. Wird der externe Antennenanschluss verwendet, muss die Verbindung zur internen (aufgelöteten) Antenne unterbrochen werden. Hierfür ist der Null Ohm Wiederstand neben dem Antennenanschluss zu entfernen.

Für die Verwendung einer externen Antenne muss der null Ohm Wiederstand (rotes Quadrat) entfernt werden. Wird das ESP07 Modul mit einer Batterie betrieben muss zusätzlich die Power LED (roter Kreis) entfernt werden, um ein unnötiges entladen der Batterie zu vermeiden.

 

Wurde die interne Antenne entfernt,ist zwingend darauf zu achten, dass das Modul nicht ohne eine angeschlossene externe Antenne betrieben wird. Da dies zur Zerstörung des ESP-Moduls führen kann.

Programmierung

Die Programmierung des Mikrocontrollers erfolgt über einen Programmieranschluss, der auf der Platine vorhanden ist.
Diese Schnittstelle ist notwendig, um erstmalig eine Firmware in den Mikrocontroller laden zu können.

Hierbei ist zu beachten, dass die Lötbrücke J1 die im Bild mit einem Stern gekennzeichnet ist, nicht geschlossen sein darf. Da im Auslieferungsstand der Pin GPIO16 auf low liegt und somit eine Dauer Reset anliegen würde.

Im Programm darf somit der GPIO16 nicht mit pinMode() konfiguriert werden.

Lötbrücke für ein optionales automatisches aktivieren des DashButton nach einer fest definierten Zeitspanne. Sie verbindet den Pin GPIO16 mit dem Eingang RESET.

Funktionsweise des Tasters und der LED

Das Layout bietet je nach Bestückung die Möglichkeit einen Taster und eine LED in SMD Technik oder aber auch bedrahteten Bauelemente zu verwenden. Somit ist es auch möglich andere Bedientasten z.B. mit Kabelanschlüssen ein zu löten.

Befindet sich das Modul im Deepsleep Modus, kann es durch einen Tastendruck aufgeweckt werden.

Je nachdem wie lange der Taster  gedrückt gehalten wir, werden unterschiedliche Funktionen aufgerufen:

  • Drücken bis eine Verbindung ausgebaut wurde  – Test Modus (Status 0).
  • Drücken über einen Zeitraum von 10 Sekunden – WIFI Setup (Status 1).
  • kurzes Drücken des Tasters – löst eine Bestellung aus (Status 2).

Anschließend versucht das Gerät eine Netzwerkverbindung zum lokalen AP zu etablieren, was durch ein langsames blinken der LED signalisiert wird.
Kann keine Verbindung hergestellt werden, beginnt die LED schnell zu blinken und man hat die Möglichkeit für 240 Sekunden eine Verbindung zu diesem Dash Button aufzubauen und die Konfiguration vor zu nehmen.
Erfolgt in dieser Zeit kein Login auf dem Dash Button, wird der Mikrocontroller wieder in den Deepsleep Modus versetzt, um die Batterie nicht unnötig zu strapazieren.

Ist der Verbindungsaufbau zum lokalen WLAN geglückt, wird die Nutzinformation (Dash Token) an den in den Credentials definierten Server verschickt.
Wurde der Empfang der Information vom Server bestätigt, leuchtet die Status LED für drei Sekunden kontinuierlich.
Wird der Empfangs nicht vom Server bestätigt, wird dies durch schnelles Blinken der LED für drei Sekunden angezeigt.
Anschließend wechselt der Mikrocontroller wider in den Deepsleep Modus.

Je nachdem welches Ereignis am Dashbutton ausgelöst wurde, wird eine entsprechende Statusinformation im Parameter &status=x dem HTTP Put Request übergeben. Wird der Parameter nicht mit übergeben, wird der Wert im Server automatisch auf -1 gesetzt, was soviel bedeutet das der Status nicht bekannt ist.

Server Applikation für den DashButton

DashButtonServer
DashButtonServer
DashButtonServer.zip
Version: V 1.0.0.0
7.9 MiB
334 Downloads
Details

Die Serverapplikation kann auch direkt mit dem Webbrowser getestet werden. Hierfür wird in die Adresszeile der folgende Aufruf eingegeben:

http://HOST
/URL?&token=ef98c8246ef0409da5fb3a27afa4ec61
&vbatt=3.12&hv=1.00&sv=1.03&status=1

  • Host:
    Ist die IP-Adresse des Servers z.B. 192.168.1.123
  • URL:
    Ist eine Pfadangabe (optional für den augenblicklichen Stand) soll später der Einordnung der Einträge dienen, z.B. für die Standorte.
  • token:
    Ist ein 32 stelliger ein eindeutiger Schlüssel des betreffenden Dash Buttons.
  • vbatt:
    Gibt die Batteriespannung in Volt an.
  • hv:
    Gibt die aktuelle Hardware Revision des DashButton an.
  • sv:
    Gibt die aktuelle Firmware Version des DashButton an.
  • status:
    Information über den Auslöser des Ereignisses.
    0 – Test (Button wurde kürzer als drei Sekunden gedrückt)
    1 – Settings (Die Einstellungen wurden aufgerufen, durch langes drücken des Tasters)
    2 – Order (Ein Bestellauftrag wurde abgesetzt)
    3 – n Für weitere Statusinformationen reserviert
Weitere Ideen:
  • Der Dash Token sollte im Prinzip ein 32 Byte Hashcode sein, der einen Prüfsumme oder einen CRC Check enthält, um die Authentizität des Tokens auf dem Server verifizieren zu können.
  • Es wäre denkbar, dass sich ein Dash Button der längere Zeit nicht betätigt wurde, automatisch aktiviert (z.B. alle 24h) und seinen Batteriestatus an den Server sendet.
    Der Parameter „status“ würde das Ereignis dann als Test identifizieren.
    Hierbei wäre zu bedenken, dass ein zyklisches Verbinden mit dem WLAN und das Senden dieser Statusinformationen die Batterielebensdauer zusätzlich verkürzen würde.