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MQTT-Zirkulationssteuerung

Technische Beschreibung MQTT-Zirkulationssteuerung
Technische Beschreibung 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 TH 16 Schaltmodul
  • Landing Portal f√ľr die WIFI und MQTT Konfiguration
  • ¬©Amazon Alexa Anbindung (Zirkulation Start/Stop) bzw. √ľber entsprechende Routinen
  • Einsparung von Heiz- und elektrischer Energie
  • Kurze Amortisationszeit
  • Maximaler Komfort bei der Warmwasserbereitstellung
  • Minimale Pumpenlaufzeiten, geringer Verschlei√ü
  • Optionaler R√ľcklaufsensor f√ľr eine noch bessere Effizienz
  • Leichte Integration in eine vorhandene Automatisierung durch MQTT-Client Funktion
  • Weboberfl√§che zur optimalen Parametrierung auch ohne MQTT
  • Wachsender Funktionsumfang durch Firmware OTA-Updates direkt vom Hersteller

Allgemeines:
Die Zirkulationspumpe in ihrer Trinkwasseranlage sorgt daf√ľr, dass auch an weit entfernten Entnahmestellen jederzeit warmes Wasser zur Verf√ľgung steht, ohne das vorher minutenlang Wasser ungenutzt im Abfluss verschwindet.
Dies geschieht durch eine st√§ndige Zirkulation von hei√üem Wassers zwischen dem Warmwasserspeicher und der letzten Entnahmestelle ihrer Trinkwasseranlage, was letztendlich zu hohe W√§rmeverlusten des Warmwasserspeichers f√ľhrt. Abgesehen von diesen W√§rmeverlusten, wird zus√§tzlich auch st√§ndig elektrischer Energie f√ľr den Betrieb der Zirkulationspumpe ben√∂tigt, was √ľber die gesamte Lebensdauer der Anlage mit hohen Kosten zu Buche schl√§gt.

Um diese Verluste m√∂glichst gering zu halten, ist die √ľblichste und g√ľnstigste L√∂sung, eine einfache Zeitschaltuhr mit Tagesprogramm. Die Zeitschaltuhr wird in den Stromkreis zwischen Steckdose und Zirkulationspupe geschaltet, um au√üerhalb der √ľblichen Entnahmezeitr√§ume die Zirkulationspumpe vom Stromnetz zu trennen.

Der Nachteil bei dieser L√∂sung liegt jedoch darin, dass bei einem anderen Nutzungsverhalten die Pumpe aus ist und kein warmes Wasser zur Verf√ľgung stellt oder die Pumpe l√§uft zu Zeiten, obwohl gar kein warmes Wasser ben√∂tigt wird. In beiden F√§llen 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 handels√ľblichen ¬©Sonoff TH10/16 (10/16A) WLAN-Schaltmodul und einem daran angeschlossenen DS18B20 Temperaturf√ľhler einfach und schnell gel√∂st werden kann.

Das TH10/16-Modul ist eins der wenigen Module der Firma ¬©Sonoff, das √ľber ein kleines Schaltnetzteil verf√ľgen und nicht wie viele der anderen Module √ľber einen Kapazitives Netzteil. Der gro√üe Vorteil hierbei ist hier die Galvanischetrennung zwischen dem 230V Stromnetz und der daran angeschlossenen Elektronik. So ist es m√∂glich √ľber 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 m√ľssen.
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 f√ľr eine einfache und effektive¬† Sensorbefestigung

Der Wasserhahn fungiert hierbei quasi als Fernbedienung.
Wird f√ľr einen kurzen Moment Warmwasser entnommen, z.B. beim Z√§hneputzen. Registriert der Temperaturf√ľhler an der Entnahmeleitung diesen Temperaturanstieg, die Zirkulationspumpe augenblicklich angefordert und l√§uft f√ľr die Zeitdauer der eingestellten Laufzeit.
Schon kurze Zeit sp√§ter, steht warmes Wasser am Wasserhahn zur Verf√ľgung.
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 R√ľcklauftemperatur 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 R√ľcklauftemperatur 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 k√ľrzlichen Entnahmen. Da sich bereits hei√ües Wasser in den Leitungen befindet, dass sich nur langsam wieder abk√ľhlt.
Die Pumpenlaufzeit sowie die Wartezeit nach einer Zirkulation k√∂nnen √ľber entsprechende Parametrierung in den Einstellungen optimal an die Gegebenheiten angepasst werden.

Findet √ľber einen langen Zeitraum keine Entnahme statt, kann es durch das stehende Wasser in den Rohrleitungen zu einer Verkeimungen kommen (Urlaubszeitr√§ume, Wochenendh√§user 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 sp√§ter geplanten Firmware Versionen ist eine vorausschauende Zirkulationsanforderung geplant. Soll diese Funktion genutzt werden, wird der oben beschriebene, zweite DS18B20 Sensor in der R√ľcklaufleitung ben√∂tigt!

Wenn ein regelmäßiges Verbrauchsverhalten erkannt wird, sollen diese Zeiträume erlernt und die Zirkulation bereits im Voraus startet, 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, sollen die veralteten Informationen automatisch gelöscht und dann nach und nach durch die neu erlernten Informationen ersetzt werden.

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 Klemmanschl√ľsse. Au√üerdem bietet er eine ausreichende Reserve bei der Schaltleistung, was die Lebensdauer des Relaisschaltkontaktes ebenfalls wesentlich verl√§ngert.

Die Sensoren werden √ľber eine vier polige 2,5 mm Klinkenbuchse angeschlossen. √úber diese Buchse werden zwei GPIO’S und die Versorgungsspannung herausgef√ľhrt.

Steckerbelegung ©Sonoff TH10/16

Der Stecker ist ein vierpoliger 2,5mm Klinkenstecker, √ľber 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 Zirkulationsr√ľcklaufrohr, erkennen kleinste Temperatur√§nderungen und steuern so das Laufverhalten der Zirkulationspumpe.
Da der ¬©Sonoff nur eine 2,5mm 4-Pin Eingangsbuchse besitzt, gibt es f√ľr den Anschluss von zwei Sensor zwei einfach L√∂sungen. Man schneidet die angespritzten Stecker (soweit vorhanden) ab und verbindet die jeweils gleichen Adern miteinander. Nun kann man entweder einen l√∂tbaren Stecker verwenden, an den die Adern entsprechend der oben beschrieben Anschlussbelegung angel√∂tet werden. Eine Zweite, l√∂tfreie L√∂sung bietet die Verwendung eines sogenannten Terminal Adapters Klinke 2,5mm 4-Polig mit Schraubklemmen.

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 parasit√§ren Modus, die ben√∂tigte Versorgungsspannung wird √ľber die Sensorleitung eingespeist und √ľber 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

M√∂chten Sie die Hardware Modifikation und das flashen einer eigenen Firmware selbst vornehmen, wird im folgenden die Vorgehensweise hierf√ľr kurz beschrieben.
Diese Beschreibung soll lediglich eine Hilfestellung geben und erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit!
Alle selbst durchgef√ľhrten Arbeiten erfolgen auf Ihr eigenes Risiko!

An dieser Stelle wird ausdr√ľcklich darauf hingewiesen, dass f√ľr alle 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 Gr√∂√üe von 8MBit (1MByte) f√ľr diese Anwendung und die „Over the Air“ OTA-Update Funktion etwas zu knapp bemessen ist. Da bei einem OTA Update die H√§lfte des Flash Speichers als Ladespeicher ben√∂tigt wird. Deshalb wird er durch einen Winbond 25Q32FV mit 32MBit (4MByte) im SOP-8 Geh√§use ausgetauscht, den Sie in unserem Webshop erhalten.

Um erstmalig eine eigene Firmware auf dem ¬©Sonoff zu installieren, sind auf der Platine bereits alle ben√∂tigen Pins herausgef√ľhrt.
F√ľr den Flashvorgang wir eine USB-Seriell Modul mit einer VSS von¬† 3,3V ben√∂tigt. 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 f√ľhrt zur sofortigen Zerst√∂rung des ¬©Sonoff Moduls.

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 k√∂nnen dann alle notwendigen Einstellungen f√ľr das lokale Netzwerk (SSID, Kennwort) und die die Verbindung zum MQTT-Broker (Server IP, Benutzername, Kennwort und Port) vorgenommen werden.
Konnte anschlie√üend mit den eingegebenen Informationen eine Verbindung zum lokalen Netzwerk hergestellt werden, sind alle Daten und Konfigurationen der Steuerung, neben dem MQTT-Broker auch √ľber das integriertes Web-Interface erreichbar.

Einrichten einer Amazon Alexa Verbindung:
Die Zirkulationssteuerung kann √ľber ein Sprach Kommando mit Alexa Ger√§ten ein bzw. ausgeschaltet werden. Wurde die Zirkulationssteuerung mit dem ein Kommando aktiviert, l√§uft genau wie bei der Entnahmeerkennung die eingestellte Pumpenlaufzeit ab, bevor die Zirkulationspumpe automatisch wieder deaktiviert wird.
Um die Zirkulationssteuerung √ľber Alexa ansteuern zu k√∂nnen, vergeben Sie zuerst den Alexa Invocation (Aufrufnamen) im Webbrowser oder per MQTT. Nach der Eingabe wird die Zirkulationssteuerung neu gestartet und ist bereit f√ľr die Kommunikation mit Alexa Ger√§ten.
Stellen Sie vor der Suche von neuen Ger√§ten in ihrer Alexa App sicher, dass ihre Alexa mit dem 2,4 MHz Netzwerk ihres Routers verbunden ist, da vom ESP8266 nur dieses Tr√§gerfrequenz unterst√ľtzt wird.
W√§hlen sie in der Alexa App im Reiter Ger√§te, Ger√§t hinzuf√ľgen aus. Anschlie√üend suchen sie nach Sonstige Ger√§te und starten sie die Suche. Nach dem die Zirkulationssteuerung erkannt wurde, kann diese mit den Kommando „Ger√§tename ein / aus“ angesteuert werden.

Ansicht im IO-Broker:

Die Ansicht zeigt alle verf√ľgbaren Parameter der Zirkulationssteuerung.

Beschreibung der Notes

Note Name Beschreibung Lesen / Schreiben
INFO/Hostname Bezeichnung des Moduls Read
INFO/Port Webserver Por 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/AlexaInvocationName Alexa Aufrufname (max. 30 Zeichen) Read / Write
SETTINGS/BackflowTemp R√ľcklauftemperatur Abschaltwert (¬įC) 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 (¬įC)
GradientIntTime
Read / Write
BackflowTemperatur R√ľcklauf Temperatur DS18B20 (¬įC) Read
PreflowTemperature Vorlauf Temperatur DS18B20 (¬įC) 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
WIFI-Quality
WIFI-Qualität in % Read

Ansicht im Webbrowser:

Analog zur Ansicht im Broker stehen alle Parameter auch im Webbrowser Interface zur Verf√ľgung.

Aus Sicherheitsgr√ľnden wurde eine Anmeldung an der Weboberfl√§che des Regensensors eingef√ľhrt!
Die Standard Anmeldedaten f√ľr die Eingabeaufforderung lauten:

Benutzername: admin
Kennwort: Password

Hinweis:
Wird keine Sicherheitsabfrage f√ľr die Weboberfl√§che gew√ľnscht, lassen Sie das Kennwortfeld einfach leer!

Versionsverlauf:

Intended:

  • Hard.Firmware Version 1.03
    Neu Funktionen f√ľr das vorausschauende Entnahmeverhalten.

Released:

  • 02.08.2022¬† Version 1.02
    WIFI-Quality Anzeige in MQTT und Webinterface eingebaut
    Webpage Kennwortabfrage eingebaut, bei leerem Kennwort erfolgt keine Abfrage.
    Uptime Fehlerbeseitigung.
  • 22.04.2022¬† Version 1.01
    Fehlerbeseitigung bei der √úbertragung der MQTT Daten. Updates bei der Genauigkeit der Messwerte verbessert.
    Bibliotheksupdate durchgef√ľhrt, neues Anmeldeportal.
  • 29.11.2021 Version 1.00
    Integration f√ľr Ansteuerung mit ¬©Amazon Alexa