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MQTT-Zirkulationssteuerung

Der Source Code zu diesem Projekt kann in unserem Web Shop erworben werden.

Key Features:

  • Schnelle Reaktionsgeschwindigkeit durch DS18B20 Temperatursensoren
  • Kompakte Bauform ©Sonoff DH 10/16 Schaltmodul
  • Landing Portal für die WIFI und MQTT Konfiguration
  • Einsparung von Heiz- und elektrischer Energie
  • Kurze Amortisationszeit
  • Maximaler Komfort bei der Warmwasserbereitstellung
  • Minimale Pumpenlaufzeiten, geringer Verschleiß
  • Optionaler Rücklaufsensor für eine noch bessere Effizienz
  • Leichte Integration in eine vorhandene Automatisierung durch MQTT-Client Funktion
  • Weboberfläche zur optimalen Parametrierung auch ohne MQTT
  • Wachsender Funktionsumfang durch Firmware OTA-Updates direkt vom Hersteller

Allgemeines:
Die Zirkulationspumpe in ihrer Trinkwasseranlage sorgt dafür, dass auch an weit entfernten Entnahmestellen jederzeit warmes Wasser zur Verfügung steht, ohne das vorher minutenlang Wasser ungenutzt im Abfluss verschwindet.
Dies geschieht durch eine ständige Zirkulation von heißem Wassers zwischen dem Warmwasserspeicher und der letzten Entnahmestelle ihrer Trinkwasseranlage, was letztendlich zu hohe Wärmeverlusten des Warmwasserspeichers führt. Abgesehen von diesen Wärmeverlusten, wird zusätzlich auch ständig elektrischer Energie für den Betrieb der Zirkulationspumpe benötigt, was über die gesamte Lebensdauer der Anlage mit hohen Kosten zu Buche schlägt.

Um diese Verluste möglichst gering zu halten, ist die üblichste und günstigste Lösung, eine einfache Zeitschaltuhr mit Tagesprogramm. Die Zeitschaltuhr wird in den Stromkreis zwischen Steckdose und Zirkulationspupe geschaltet, um außerhalb der üblichen Entnahmezeiträume die Zirkulationspumpe vom Stromnetz zu trennen.

Der Nachteil bei dieser Lösung liegt jedoch darin, dass bei einem anderen Nutzungsverhalten die Pumpe aus ist und kein warmes Wasser zur Verfügung stellt oder die Pumpe läuft zu Zeiten, obwohl gar kein warmes Wasser benötigt wird. In beiden Fällen geht viel Energie verloren und eine komfortable Bereitstellung von warmem Wasser ist nicht gegeben.

Die Lösung:
Im hier vorgestellten Projekt soll nun gezeigt werden, wie diese Problematik mit einem handelsüblichen ©Sonoff TH10/16 (10/16A) WLAN-Schaltmodul und einem daran angeschlossenen DS18B20 Temperaturfühler einfach und schnell gelöst werden kann.

Das TH10/16-Modul ist eins der wenigen Module der Firma ©Sonoff, das über ein kleines Schaltnetzteil verfügen und nicht wie viele der anderen Module über einen Kapazitives Netzteil. Der große Vorteil hierbei ist hier die Galvanischetrennung zwischen dem 230V Stromnetz und der daran angeschlossenen Elektronik. So ist es möglich über eine kleine vierpolige 2,5 mm Klinkenbuchse Sensoren direkt mit den IO-Pins des ESP8266 Mikrokontroller zu verbinden, ohne dass Netzspannung an den Sensoren anliegt.

Das TH10/16 Modul inklusive eines DS18B20 Temperatursensors kostet kaum mehr als eine elektronische Zeitschaltuhr, bringt aber ein Maximum an Energieeinsparung und das ohne einen Eingriff in die bestehende Hausinstallation vornehmen zu müssen.
Das Modul kann direkt bei Amazon mit kurzen Lieferzeiten bestellt werden.

Das Funktionsprinzip:
Die grundlegende Funktionsweise basiert auf der Erfassung eines Temperaturanstiegs an der Entnahmeleitung des Warmwasserspeichers.

Produktlink für eine einfache und effektive  Sensorbefestigung

Der Wasserhahn fungiert hierbei quasi als Fernbedienung.
Wird für einen kurzen Moment Warmwasser entnommen, z.B. beim Zähneputzen. Registriert der Temperaturfühler an der Entnahmeleitung diesen Temperaturanstieg, die Zirkulationspumpe augenblicklich angefordert und läuft für die Zeitdauer der eingestellten Laufzeit.
Schon kurze Zeit später, steht warmes Wasser am Wasserhahn zur Verfügung.
Um eine schnelle Reaktionszeit zu gewährleisten, sollte der Sensor der Entnahmeleitung möglichst nahe am Warmwasserspeicher angebracht werden, damit das System möglichst schnell auf eine Entnahme und den damit verbundenen Temperaturanstieg reagieren kann.
An den ©Sonnoff kann optional ein weiterer DS18B20 Sensor angeschlossen werden, der die Rücklauftemperatur erfasst. Ist ein zweiter Sensor angeschlossen, wird dieser automatisch von der Firmware erkannt und es erscheinen weitere Eingabefelder in den Einstellungen.
Hier kann dann unter anderem die Rücklauftemperatur eingetragen, bei der die Zirkulationspumpe wieder vorzeitig abgeschaltet werden kann.

Wird kurze Zeit nach einer Zirkulationspumenanforderung eine weitere Entnahme erkannt, greift die Wartezeit. Sie verhindert ein mehrmaliges Einschalten nach einer kürzlichen Entnahmen. Da sich bereits heißes Wasser in den Leitungen befindet, dass sich nur langsam wieder abkühlt.
Die Pumpenlaufzeit sowie die Wartezeit nach einer Zirkulation können über entsprechende Parametrierung in den Einstellungen optimal an die Gegebenheiten angepasst werden.

Findet über einen langen Zeitraum keine Entnahme statt, kann es durch das stehende Wasser in den Rohrleitungen zu einer Verkeimungen kommen (Urlaubszeiträume, Wochenendhäuser usw.).
Um einer Verkeimung vorzubeugen und ein Höchstmaß an Hygiene zu gewährleisten, startet nach einer definierbaren Zeitpanne automatisch eine Hygienezirkulation. Diese wird in regelmäßigen Zeitabständen wiederholt, wenn zwischenzeitlich keine Entnahmen stattgefunden haben.

In eine später geplanten  Firmware Versionen ist eine vorausschauende Zirkulationsanforderung geplant. Soll diese Funktion genutzt werden, wird der oben beschriebene zweite DS18B20 Sensor in der Rücklaufleitung benötigt!

Funktion: Wenn ein regelmäßiges Verbrauchsverhalten erkannt wird, werden diese Zeiträume erlernt und die Zirkulation startet bereits im Voraus, um unnötigen Wartezeiten zu minimieren. Hingegen soll während längerer Abwesenheit die Vorausschauenden Zirkulationsläufe automatisch unterbunden werden. Mit der ersten Entnahme nach dieser Pause, startet dann die Vorausschauende Zirkulation wieder automatisch. Sollten sich Verbrauchsverhalten geändert haben, werden die veralteten Informationen automatisch gelöscht und Stück für Stück durch die neu erlernten Informationen ersetzt.

Hardware:
Die Hardware der Zirkulationssteuerung besteht aus einem ©Sonoff TH10/16 mit einem oder optional zwei DS18B20 1-Wire Temperatursensoren. Die beiden Zahlen 10/16 bezieht sich auf die Schaltleistung des Moduls.
Wir raten zum ©Sonoff TH16, er ist kaum teurer als der TH10, bietet jedoch wesentlich mehr Komfort beim Anschluss der Versorgungsspannung und der Pumpe durch seine Klemmanschlüsse. Außerdem bietet er eine ausreichende Reserve bei der Schaltleistung, was die Lebensdauer des Relaisschaltkontaktes ebenfalls wesentlich verlängert.

Die Sensoren werden über eine vier polige 2,5 mm Klinkenbuchse angeschlossen. Über diese Buchse werden zwei GPIO’S und die Versorgungsspannung herausgeführt.

Steckerbelegung ©Sonoff TH10/16

Der Stecker ist ein vierpoliger 2,5mm Klinkenstecker, über den die 1-Wire Temperatursensoren vom Typ DS18B20 mit dem Modul verbunden werden (DQ – GPIO 14, +3,3V und GND). Beim Anschluss von zwei Temperatursensoren, werden diese parallel an die entsprechenden Anschlusspins angeschlossen.
Die Temperatursensoren am Warmwasservorlauf bzw. am Zirkulationsrücklaufrohr, erkennen kleinste Temperaturänderungen und steuern so das Laufverhalten der Zirkulationspumpe.

Da der ©Sonoff nur eine 2,5mm 4-Pin Eingangsbuchse besitzt, gibt  es für den Anschluss von zwei Sensor zwei einfach Lösungen. Man schneidet die angespritzten Steker (soweit vorhanden) ab und verbindet die jeweils gleichen Adern miteinand. Nun kann man entweder einen Lötbaren Stecker verwenden, an den die Adern entsprechend der oben beschrieben Anschlussbelegung angelötet werden. Eine Zweite, lötfreie Lösung bietet die Verwendung eines sogenannten Terminal Adapters Klinke 2,5mm 4-Polig mit Schraubklemmen.
Einen entsprechenden Produktlink finden Sie hier:

Aderfarbcode der DS18B20 Sensoren
DS18B20 Sensoren können zwei Adrig oder auch drei Adrig angeschlossen werden.
Bei einem zweiadrigen Anschluss betreibt man den Sensor im sogenannten parasitären Modus, die benötigte Versorgungsspannung wird über die Sensorleitung eingespeist und über einen kleinen Kondensator im inneren des Sensors gespeichert.

Signal
Beschreibung Klemme des Adapters
GND
(sw/gn)
GND V
Data
(gelb/weis)
DQ – GPIO 14 L
VDD
(rot)
+3,3V Versorgungs-spannung     |
—–
  —

Jeder DS18B20 Temperatursensor besitzt seine eigenen, einzigartigen 64-bit Seriennummer, was den Betrieb mehrere Sensoren an nur einer Datenleitung zu zulässt.

Hardwareanpassung des ©Sonoff
An dieser Stelle wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass für alle im Folgenden beschrieben Arbeitsschritte, wie der Austausch des Flashspeichers, die Programmierung einer neuen Firmware, dass ©Sonoff Modul komplett von der 230V Netzspannung getrennt sein muss.
Ansonsten besteht Lebensgefahr durch einen elektrischen Schlag!

Der Flashspeicher, der mit dem das ©Sonoff TH Modul ausgeliefert wird, ist ein Winbond 25Q08FV, der mit einer Größe von 8MBit (1MByte) für diese Anwendung und die „Over the Air“ OTA-Update Funktion etwas zu knapp bemessen ist. Da bei einem OTA Update die Hälfte des Flash Speichers als Ladespeicher benötigt wird. Deshalb wird er durch einen Winbond 25Q32FV mit 32MBit (4MByte) im SOP-8 Gehäuse ausgetauscht, den Sie in unserem Webshop erhalten.

Um erstmalig eine eigene Firmware auf dem ©Sonoff zu installieren, sind auf der Platine bereits alle benötigen Pins herausgeführt.
Für den Flashvorgang wir eine USB-Seriell Modul mit einer VSS von  3,3V benötigt. Vor dem Anschluss des Moduls ist auf die richtige Einstellung der Versorgungsspannung zu achten. Bei vielen dieser Module kann die Versorgungsspannung VSS zwischen 3.3V und 5V umgeschaltet werden. Eine zu hohe Versorgungsspannung fürhrt zur sofortigen Zerstörung des ©Sonoff Moduls.

Der Source Code zu diesem Projekt kann in unserem Web Shop erworben werden.

Möchten Sie den Austausch des Flashspeichers und-/ oder die Programmierung der Firmware nicht selbst durchführen,  übernehmen wir das gere für Sie.
Sie können dies als Dienstleistung direkt in unserem Webshop beauftragen.

Einrichten der WIFI Verbindung:
Um die Zirkulationssteuerung  in das lokale Netzwerk zu integrieren, wird Anfangs ein eigener AP geöffnet. Verbindet man sich mit diesem AP und öffnet anschließend im Webbrowser die IP-Adresse 192.168.4.1 gelangt man in das Konfigurationsportal der Zirkulationssteuerung.
Hier können dann alle notwendigen Einstellungen für das lokale Netzwerk (SSID, Kennwort) und die die Verbindung zum MQTT-Broker (Server IP, Benutzername, Kennwort und Port) vorgenommen werden.
Konnte anschließend mit den eingegebenen Informationen eine Verbindung zum lokalen Netzwerk hergestellt werden, sind alle Daten und Konfigurationen der Steuerung, neben dem MQTT-Broker auch über das integriertes Web-Interface erreichbar.

Ansicht im IO-Broker:

Die Ansicht zeigt alle verfügbaren Parameter der Zirkulationssteuerung.

Beschreibung der Notes

Note Name Beschreibung Lesen / Schreiben
INFO/Hostname Bezeichnung des Moduls Read
INFO/IPAdress Aktuelle IP-Adresse Read
INFO/Modul WLAN-Modul Read
INFO/RestartReason Beschreibung des letzten Neustart Ereignisses Read
INFO/Version Aktuelle Firmware Version Read
SETTINGS/BackflowTemp Rücklauftemperatur Abschaltwert (°C) Read / Write
SETTINGS/CHECKUPDATE Neustes Firmware Update laden (set true) Read / Write
SETTINGS/GradientIntTime Garatientenzeit ab ersten erkannten Temperaturanstieg
(sek.)
Read / Write
SETTINGS/LegionellaWaitTime Hygienezirkulationszeit
(Std.)
Read / Write
SETTINGS/PumpRunTime Pumpenlaufzeit (min.) Read / Write
SETTINGS/RelaisDirection Wirkrichtung des Realis Read / Write
SETTINGS/StartPump Pumpe manuell starten (set true) Read / Write
SETTINGS/StopPump Pumpe manuell stop
(set true)
Read / Write
SETTINGS/TempGradient Temperaturgradient innerhalb der (°C)
GradientIntTime
Read / Write
BackflowTemperatur Rücklauf Temperatur DS18B20 (°C) Read
PreflowTemperature Vorlauf Temperatur DS18B20 (°C) Read
PumpRequest Zirkulationspume aktiv
(on/off)
Read
RelPinState Status Relais Pin
(high/low)
Read
RemainingLegionellaTime Abgelaufene Hygiene Zirkulations Wartezeit
(Std.)
Read
RemainingPumpRunTime Abgelaufene Zirkulationszeit
(Min.)
Read
RemainingPumpWaitTime Abgelaufene Wartezeit
(Min.)
Read
Uptime Zeit seit dem letzten Neustart Read
Vcc Prozessor Core Spannung Read

Ansicht im Webbrowser:

Analog zur Ansicht im Broker stehen alle Parameter auch im Webbrowser Interface zur Verfügung.

 

IOT – Wetterstation

Allgemeines

Für die Erfassung und Verteilung aktueller lokaler Wetterdaten wurde im Zuge eines Kundenauftrags diese IoT-Wetterstation mit integrierter Ethernet Schnittstelle auf Basis eines ESP32 entwickelt.

Alternativ kann auch auf die Anbindung über die Ethernet Schnittstelle verzichtet werden und die Daten könnten stattdessen per WLAN Verbindung über den Mikrokontroller ESP32 versendet werden.

Sie erfasst die folgenden Wetterdaten und sendet diese zyklisch per UDP-Broadcast über den Port 8888 in das lokale Netzwerk. Auch hier wäre der Versand per MQTT an einen Broker denkbar.

Wetterdaten:
  • Aktuelle Windgeschwindigkeit
  • Aktuelle Windrichtung (0 – 360 °)
  • Windrichtungswert als Windrichtungsindex
  • Aktuelle Außen- und Modultemperatur
  • Aktuelle Daten vom Kapazitiven Regensensor
  • Aktuellen LUX Wert, RAW Index und den Weiß Wert.
  • Regen Bit der Regenerkennung
  • Dämmerungsbit der Dämmerungserkennung
  • Windmax Bit der Windmax. Erkennung

Hardwareaufbau

Die Platine der Wetterstation hat eine Abmessung von 80 x 120 mm.
Sie besitzt Schraubklemmen zum Verbinden der Eingangssignale und eine RJ45 Buchse zum Anschluss der Netzwerkverbindung über Ethernet, unten rechts im Bild.

IoT-Wetterstation Platine
IoT-Wetterstation Lux- und Kapazitiver Regensensor

Die Platine der verfügt über folgende Anschlüsse:

  • Einen Programmieranschluss für Firmware Updates
  • Einen RJ45 Netzwerkanschluss
  • Schraubanschlüsse für die Sensoren

Die ersten beiden Klemmanschlüsse dienen dem Anschluss der Versorgungsspannung, diese kann in einem Bereich von 7 – 27 V= liegen.

Der nächste Anschluss wurde für einen potentialfreien Eingangskontakt vorgesehen, an den z.B. ein Regenmengenmesser mit Read Kontakt angeschlossen werden könnte (optional).

Der nächste Klemmenblock stellen zwei stabilisierte Ausgangsspannung 3.3V und 5.0 V zur Verfügung. Hiermit können Beispielsweise externe Sensoren mit Spannung versorgt werden. Die nächsten beiden Klemmen GND und 1-Wire dienen zum Anschluss von externen 1-Wire Sensoren. In diesem Projekt wird hierrüber Außentemperatur mit einem 1-Wire Sensors vom Typ DS18B20 gemessen.

Die Letzten Klemmen sind Anschlussklemmen für zwei analogen Eingangskanäle. Diese könne je nach Bedarf wahlweise 0 – 10 V oder 0 – 20 mA Eingangssignale verarbeiten.

Am ersten Analogeingang U-in1 und GND kann z.B. der Sensor zur Messung der Windgeschwindigkeit und am zweiten Analogeingang U-in2 und GND der Sensor für die Windrichtung angeschlossen werden.

Eine Kalibration der Messbereiche für die beiden Analogeneingänge U-in / I-in, erfolgt für jeden Kanal getrennt, mit je zwei Spindelpotentiometer.

Hierbei wird zuerst der Spannungseingang abgeglichen und das entsprechende Spindelpotentiometer zunächst gegen den Uhrzeiger auf seine linke Endposition gestellt.

Nach dem Anlegen einer Spannung von 10.0 V wird das Spindelpotentiometer solange verstellt, bis am entsprechenden Ausgangspin, Kanal 1 = Pin1 und Kanal 2 = Pin 7, des LM358 eine Ausgangsspannung von 3.0 V gemessen wird.

Anschließend wird der Spannungseingang getrennt und derselbe Vorgang mit dem Stromeingang durchgeführt. So können beide Eingangskanäle auf ihren Endbereich kalibriert werden.

Kanal 1:

  1. I – Abgleich 3.0V = 20 mA, CH1 Pin1 am LM358M
  2. U – Abgleich 3.0V = 10 V, CH1 Pin1 am LM358M

Kanal 2:

  1. I – Abgleich 3.0V = 20 mA, CH2 Pin 7 am LM358M
  2. U – Abgleich 3.0V = 10 V, CH2 Pin 7 am LM358M

Alle Eingänge der Wetterstation sind gegen ESD geschützt, Die beiden Analogeingänge haben zusätzlich noch einen Verpolungsschutz und eine Einganswert Limitierung um bei einem zu hohen Spannungs- bzw. Stromwerts am Eingang den Mikrokontroller nicht zu zerstören.

Der Regensensor basiert auf einer Kapazitätsmessung.

Siehe hierzu:
Kapazitiver Regensensor mit einem ESP8266 / Arduino

Die ermittelte Kapazität wird über einen NE555 in ein digitales Frequenzsignal gewandelt und an den Mikrokontroller weitergeleitet, der dann die Berechnung und Auswertung übernimmt.

Es sind zwei Temperaturmessung vorhanden, die über den 1-Wire Bus erfasst und ausgewertet werden. Als Sensoren werden DS18B20 eingesetzt, der erste befindet sich direkt auf der Platine als TO-3 und dient zur Ermittlung der Gehäuseinnentemperatur, der zweite Sensor ist ein Wasserdichter Edelstahlsensor der in drei Leiter Technik über die Klemmen des 1-Wire Eingangs angeschlossen ist und die Außentemperatur misst.

Zur Erfassung des LUX, RAW und Weißwerts wurde eine VEML7700 des Hersteller Vishay verbaut. Dieser ist über eine I2C Schnittstelle an den Mikrokontroller angebunden und kann mit einer entsprechenden Parametrierung Lux Werte bis zu 150 Klx genau messen.

Das Herzstück der Schaltung ist ein ESP32 Mikrokontroller mit 4 MB Flashspeicher der Firma Espressif. Dieser Kontroller verfügt über ein WLAN und Bluetooth Radio, das jedoch in diesem Projekt nicht zum Einsatz kommt, da der Datenaustausch über Ethernet erfolgt.

Als Schnittstelle zum Ethernet ist ein USR-ES01 Modul mit W5500 Chipsatz vorhanden, die Anbindung an den Mikrokontroller erfolgt per SPI-Bus.

Die Spannungsversorgung für die Wetterstation könnte z.B. auch direkt über das Netzwerkkabel, per Power Over Ethernet kurz PoE erfolgen. Hierfür könnte ein PoE-Splitter, der eine stabilisierte Gleichspannung von 12V aus dem Signalkabel ausschleust, in das Gehäuse der Wetterstation eingebracht werden. Auf diese Weise könnte dann auch die Spannungsversorgung für den Wind- und Windrichtungssensor erfolgen.

Firmware Update

Um ein neues Firmware Update in den ESP32 Mikrokontroller zu laden, verfügt die Platine über einen zweireihigen, acht poligen Steckverbinder, an den der passende USB-Programmieradapter angesteckt werden kann, um eine neue Firmware in den Mikrokontroller der Wetterstation zu übertragen.

Bei einer Verbindung per WLAN, könnte ein Update aber auch per OTA (Over the air) erfolgen. Diese Option seht leider bei einer Anbindung per Ethernet nicht zur Verfügung.

Der USB-Programmieradapter muss dabei so aufgesteckt werden, dass er von der Grundplatine weg zeigt. Ein Vertauschen oder falsches aufstecken führt zur sofortigen Zerstörung der Wetterstation!

Das Herunterladen einer neuen Firmware darf deshalb nur von einer entsprechend eingewiesenen Person oder einem Fachmann durchgeführt werden!

Für den Programmiervorgang muss die Spannungsversorgung zur Wetterstation unterbrochen sein und die Netzwerkverbindung getrennt werden! Des Weiteren kann es beim Flashvorgang zu Problemen kommen, wenn an den analogen Eingangskanälen noch Sensoren angeklemmt sind. Deshalb wird auch hier empfohlen dies vor dem Flashvorgang zu entfernen!