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MQTT- Kapazitiver Regensensor

Kapazitiver Regensensor MQTT
Kapazitiver Regensensor MQTT
Kapazitiver_Regensensor_MQTT.zip
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Der Source Code für dieses Projekt kann in unserem Web Shop erworben werden.

Allgemeines:

Anfang 2021, wurde von uns eine IoT-Wetterstation für eine Projekt in Südtirol entwickelt. Ein Teil der Aufgabenstellung bestand darin, einen kapazitiv arbeitenden Regensensor zu integrieren.
Nach Abschluss der Entwicklung, blieben aus dem Prototyping noch einige der Sensor Platinen übrig, die wir anschließend über unseren Web-Shop angeboten haben.
Um dem interessierten Kunden das Funktionsprinzip näher zu bringen und eine Anleitung für den grundlegenden Aufbau eines kapazitiven Regensensors anzubieten, wurde der folgenden Artikel auf unserem Blog dazu veröffentlicht: Kapazitiver Regensensor.

Da die Kundenanfragen für diesen Sensor unerwartet groß waren, haben wir uns entschlossen ein kleine Auswerte Platine zu entwickeln, die mit einem ESP8266 (WEMOS D1 mini) ausgestattet ist und die Sensordaten per Webserver und MQTT zur Verfügung stellt.
Zusätzlich befindet sich auf der Auswerte Platine ein potentialfreier Relais Schaltkontakt, der es erlaubt bei einer Regenerkennung auch direkt einen externen Schaltvorgang auszulösen. Um z.B. eine Markise ein zu fahren.

Aufbau Hardware:

Das Regensensor Modul besteh aus drei Einzel Komponenten

  • Kapazitive Sensorplatine
    Die Funktionsweise der Sensorplatine wird bereits im Beitrag Kapazitiver Regensensor ausführlich beschrieben, weshalb wir hier nicht mehr näher darauf eingehen werden.
  • Auswerteeinheit
    Die Platine der Auswerteeinheit bildet das Gegenstück zur Sensorplatine. Die beiden Platinen besitzen dieselben Abmessungen, was bei der Befestigung z.B. in einem geeigneten Gehäuse wie einer Verteilerdose von großem Vorteil ist. Die Bohrlöcher für die Befestigung der Auswerteeinheit werden somit komplett von der aufgeklebten Sensorplatine überdeckt und bietet so einen perfekten Korrosionsschutz.
    Auf der Platine befindet sich ein DS18B20 Temperatursensor, der durch seine Position die Gehäuseinnentemperatur und gleichzeitig die Temperatur kurz unterhalb der Sensorplatine erfasst. Auf diese Weise kann in den Wintermonaten verhindert werden, dass sich Forst auf dem Sensor bilden kann, der am Ende zu Fehlmessungen führt. Die Firmware des Mikrokontrollers schaltet bei einem Regenereignis die Sensorheizung automatisch ein, um ein schnelleres Abtrocknen zu der Sensoroberfläche zu gewährleisten und somit auf das Ende eines Regenereignisses schnell reagieren zu können.
    Unterschreitet die vom Temperatursensor gemessene Temperatur 3 °C, wird die Sensor Heizung ebenfalls aktiviert um Frostbildung auf der Sensoroberfläche zu verhindern. Hierbei wird die Heizung im Zeitabstand von 15 Sekunden ein- und ausgeschaltet. So wird auf der einen Seite Energie gespart aber auch die Temperatur des Sensors begrenzt. Den wenn sich kein Kondensat auf der Sensoroberfläche befindet, was durch die Erwärmung verdampfen kann, kommt es auch nicht zu einer Abkühlung durch Verdunstung.
  • Die Spannungsversorgung der Sensorheizung wird über eine 500mA selbstrückstellende Sicherung geschützt. Der WMOS D1 mini besitzt eine eigene selbstrückstellende Sicherung. Die Spannungsversorgung erfolgt nicht über die Micro USB-Buchse, sondern über die zwei auf der Platine herausgeführten Lötpunkte *5V und GND. Nähere Informationen hierzu erhalten Sie in der Dokumentation, die sie oben im Beitrag kostenlos herunterladen können.

ACHTUNG:
Auf der Platine ist kein Verpolungsschutz vorhanden! Ein falscher Anschluss der Spannungsversorgung führt zu einer Zerstörung der elektronischen Bauteile.
Das Netzteil benötigt eine stabilisierte Ausgangsspannung von 5V= und  mindestens 1A  Ausgangs Strom, um die Auswerteeinheit und die Sensor Heizung sicher zu betreiben.

  • Auf der Platine der Auswerteeinheit befindet sich auch noch der hochgenaue Langzeit Timer 7555, der hier als 3V Variante bestückt ist und die Kapazitätsfrequenzumsetzung durchführt. Als letztes Bauteil ist nun noch das Read Relais zu nennen, dass einen potentialfreien Ausgangskontakt zur Verfügung stellt und bei einem Regenereignis ein externes Schaltsignal zur Verfügung stellt.
    Der ungenutzte Raum der Platine wurde mit einem 2,54mm Lochraster versehen, das noch genügend Raum für eigenen Erweiterungen und Ideen bietet.
  • WEMOS D1 mini pro
    Das verwendetet WEMOS D1 mini Board wird in einer an das Schaltungsdesigne der Auswerteeinheit modifizierten Variante ausgeliefert! (Nähere Informationen hierzu finden Sie in der Technischen Beschreibung)
    Es besitz 4 MB Flash, was ausreichend Platz für zukünftige Erweiterungen oder eigenen Ideeen bereithält. Das Modul wird mit der aktuellen Firmware ausgeliefert, kann aber jeder Zeit über ein Internetverbindung OTA auf die neueste Firmware Versionen upgedatet werden.
    Alle Anschlüsse des WEMOS sind nochmals separat auf dem Lochraster (Stiftleiste 2,54mm) herausgeführt.

Aufbau der Firmware:

Um das Regensensormodul in das lokale Netzwerk zu integrieren, wird Anfangs ein eigener AP geöffnet. Verbindet man sich mit diesem AP und öffnet man anschließend im Webbrowser die IP-Adresse 192.168.4.1 gelangt man in das Konfigurationsportal des Regensensor Moduls.
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 des Sensors wie Einschaltschwellen, die Schalthysterese usw. neben dem MQTT-Broker auch über das integriertes Web-Interface erreichbar.

Die Kapazität des Sensors steht als Rohwert vom Sensor zur Verfügung. Für die Auswertung der Schaltschwelle, wird der kompensierte (kalibrierte) Sensorwert herangezogen.
Um nicht mit dem absoluten Kapazitätswert des Sensors arbeiten zu müssen, kann der Sensorwert bei Trockenheit selbst definiert werden. Hierfür wird eine Kalibrierung durchgeführt. So dass der Kompensierte Sensorwert dann bei Trockenwetter null hat.
Wandert der Wert um 10 pF in den negativen Bereich führt das Sensormodul einen automatischen Nullabgleich durch.

Ansicht im IO-Broker:

Die Ansicht zeigt alle verfügbaren Parameter des Sensormoduls. Die großgeschriebenen Parameter können über den Broker geschrieben werden.

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
CALIBRATE Sensorkalibrierung (set true) Read / Write
CHECKUPDATE Neustes Firmware Update laden (set true) Read / Write
CalCapacity Kapazitäts- Kompensationswert Read
CompCapacity Relativer (kompensierter Kapazitätswert pF) Read
CurCapacity Aktuelle Sensor Kapazität (absolut Wert pF) Read
CurFrequency Aktuelle Sensorfrequenz (Hz) Read
HystCapacity Schalthysterese Kapazitätswert (pF) Read
Heating Status der Sensorheizung Read
Rain Status der Regenerkennung Read
TRSHCAPACITY Schaltschwelle für die Regenerkennung (pF) Read / Write
Temperature Ds18B20 Temperatursensor Wert (°C) Read
Uptime Zeit seit dem letzten Neustart Read
Vcc Prozessor Core Spannung Read

*Alle groß geschrieben Notes sind beschreibbar!

Einfaches Blockly Skript für den IO-Broker

In diesem Abschnitt soll Beispielhaft die Integration einer Markisen Ansteuerung mit einem Blockly Skript für den IO-Broker gezeigt werden.
Die Variable „Rain-Trigger“ ist eine User definierte boolesche Variable im Broker und dient hier als Trigger für das Umschalten zwischen den Zuständen der Regenerkennung und der Regenende Erkennung.

In diesem Skript wird bei einer Regenerkennung ein kurzer „Close“ Befehl an einen Shelly 2.5 Rollladenschalter gesendet, eine Bedienung durch den Nutzer bleibt somit jederzeit weiterhin möglich.

Shelly 2.5 Rollladenschalter bei Amazon

Ansicht im Webbrowser:

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

Montage Vorschlag:

Das Regensensor Modul sollte in einem Winkel von ca. 30° mountiert werden, damit der auftreffende Regen die Sensoroberfläche nur benetzt und abfließen kann.  Das Modul lässt sich leicht in eine Hensel Verteilerdose (ohne Klemmen) mit den Abmessungen 104 mm x 104 mm, vom Typ DK 0200 G / IP66 einbauen.

Abzweigdose DK 0200 G / IP66 bei Amazon

Hinweis:
Die oben genannte Abzweigdose besitzt keine Einführungen oder Würgenippel. Die Einführungsöffnungen sind mit einer Gummimembrane ausgestattet, die leicht durchstochen werden kann und das Kabel anschließend wieder Wasserdicht umschließt.

Im ersten Schritt werden die Befestigungslöcher für vier Distanzhülsen M3x8mm auf der Deckel Oberseite angezeichnet und mit einem 3,2mm Bohrer gebohrt.
Dann werden die Löcher mit einem Senker soweit angesenkt, dass die M3x4mm Senkkopfschrauben plan in den Senkungen verschwinden.

Anschließend wird mit einem Fräser oder einem Forstner Bohrer ein ca. 25 mm großes Loch für den Sensorstecker und den DS18B20 Sensor ausgemessen und gebohrt.

Nun werden die Distanzhülsen M3x6mm auf der Innenseite des Deckels befestigt und die Auswerteeinheit so montiert, dass die Buchsen Leiste und der Sensor im Sensorbohrloch platziert sind.

Danach kann der Sensor mit Silikon auf den Deckel aufgeklebt werden.

Achten sie beim Aufbringen des Sensors darauf, dass die Stiftleiste richtig in der zehn Poligen Buchsen Leiste steckt, so dass nach dem aufbringen der Sensorplatine auch alle vier Senkkopfschrauben verdeckt werden.

Versionsverlauf:

Intended:

  • – Keine weiteren Anfragen offen.

Released:

  • 16.07.2021: Alle HW Versionen, Firmware Version 01
    – Überarbeitung im Dialog Update, Reset und Restart im Webfrontend vorgenommen.
  • 03.07.2021: Alle HW Versionen, Firmware Version 02
    – Anzeige von Einheiten für den MQTT – Broker erweitert.
  • 04.06.2021: Alle HW Versionen, Firmware Version 01
    – In dieser Version wurde eine Fehlerbeseitigung im
    Webfrontend vorgenommen, es betrifft die Umschaltung
    der Wirkrichtung des potentialfreien Relais Ausgangs.

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!