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Pylontech PV-Akkustatus im HomeAssistant

Wer eine Photovoltaik Anlage in seinem Eigenheim aufgebaut hat, verwendet vielleicht sogar einen Energiespeicher. In diesem Beispiel handelt es sich um eine Offgrid Anlage, die mit zwei Modulen des Herstellers Pylontech ausgestattet ist. Die Pylontech Akkus der Type US3000C haben eine Ausgangs Spannung von 48V. Die Nennkapazität beträgt 3500Wh. Die verbauten Zellen sind LiFePO4 Zellen und die nutzbare Kapazität ist lt. Datenblatt mit 3374Wh.angegeben. Die Akkus sind so gebaut, dass sie mit weiteren Pylontech-Akkus parallelgeschaltet werden können. Das intern verbaute BMS (BatterieManagementSystem) kommuniziert über eine sogenannte "Link" Schnittstelle mit den anderen Pylontech Batteriemodulen. Ein als "Master" konfigurierter Akku erledigt den Datenaustausch zum Wechselrichter. Hier stellt Pylontech den CAN- oder RS485 Bus als Schnittstelle zur Verfügung. Will man jedoch Informationen über die einzelnen Zellen (Spannungen, Ströme, Ladungen, Temperaturen etc.) haben, so gibt es an jedem Modul noch eine Schnittstelle mit der Bezeichnung "Console". Das ist eine RS232 Schnittstelle über die man direkt mit dem BMS des Akkus kommunizieren kann. Dieser Port wird auch genutzt, um die Firmware des BMS zu aktualisieren. Ich rate aber DRINGEND davon ab, mit Firmwareupdates und Flashsoftware daran herum zu spielen. Das ist dem Hersteller oder dem Haftungsträger vorbehalten.

Da man über diese Schnittstelle aber auch einiges an Informationen über die im Akku verbauten Zellen erfährt, ist das ein interessanter Zugang. So hatte ich anfangs einen Laptop mit einem Terminal angeschlossen und konnte so die einzelnen Zellenspannungen und vor allem den evtl. unterschiedlichen Ladezustand der parallel geschalteten Module entdecken und monitoren. So dachte ich mir, wäre es doch eine gute Idee, wenn man diese Infos in seiner Hausautomatisierung zur Verfügung hat und dort visualisieren und für Steuerungszwecke nutzen kann.

Da für uns Freaks und Technikinteressierte Begriffe wie Homeassistant, Docker, Proxmox, HomeMatic, NodeRed usw. durchaus bekannt sind, dachte ich mir, diese Daten sollen auch im Homeassistant zu Entitäten werden. So war schnell wieder ein kleines neues Projekt geschaffen. Mein Plan: die Daten der Serien Schnittstelle auslesen und per MQTT an den Homeassistant senden.

Bevor ich mich nun aber mit dem Zerlegen der Datenstrings, die über den seriellen Port herauspurzeln beschäftige, bemühte ich zuerst einmal die Suchmaschinen. Vielleicht hat sich ja schon jemand anderes mit diesem Thema beschäftigt.  Und genau so war es auch. Auf GitHub wurde ich unter dem Begriff "pylontec2mqtt" fündig. Unter https://github.com/irekzielinski/Pylontech-Battery-Monitoring ist ein Projekt gehostet, das mittels ESP8266 die seriellen Daten vom Port abholt und per MQTT und Wifi zum Homeassistant Server sendet. Ein Fork mit einer Weiterentwicklung dieses Projektes ist unter https://github.com/hidaba/PylontechMonitoring zu finden.

Warum ich das Projekt trotz des einfachen Nachbaus hier im Blog veröffentliche? Ich habe die Schaltung ein wenig optimiert und in ein Layout gepackt und den Code etwas angepasst. Das Ergebnis möchte ich hier teilen. Mir war es in wichtig, einen vernünftigen Aufbau auf einer Platine zu haben, die mit einem USB A-B Kabel für die Spannungsversorgung und einem LAN-RJ45 Kabel für die Datenverbindung angesteckt wird. Dabei wollte ich eine "solide" USB Steckverbindung verwenden (nicht die Fragilen Mini- oder Mikro USB Steckverbindungen)

Auf einer Lochrasterplatine und mit den üblichen Entwicklungsplatinen habe ich mir auf die Schnelle ein Funktionsmuster "zusammen gestrickt" um darauf die Software anpassen zu können.

Funktionsmuster auf Lochraster  

So habe ich zuerst aus den Skizzen im Git-Projekt einen Schaltplan erstellt. An der "Console" Schnittstelle liegt ein "echter" RS232 Pegel an, der über den MAX3232 IC auf eine 5V TTL umgesetzt wird. Mit dem BSS123 FET wird für die Signale RX und TX je ein Pegelwandler auf 3.3V realisiert.

pylontec2mqtt schematic

Diese 3.3V TTL Pegel verarbeitet der ESP8266 in Form des Wemos D1Mini oder WemosD1Pro Entwicklungsboard, das auf die Platine aufgesteckt wird. Die gesamte Konstruktion habe ich dann in ein kleines Kunststoffgehäuse gepackt, das bequem über die Lan und USB Kabel mit dem Pylontec und einer USB Spannungsquelle zu verbinden ist. 

Layout im Designtool

Im Bild oben ist der Layout Entwurf dargestellt. Die Platine und die Lage der Bauteile wurden vor der Fertigung nochmals mit der Vorschau überprüft und dann beim Hersteller des Vertrauens bestellt.

Vorschau der Platine vor der Fertigung 
Nach kaum zwei Wochen Wartezeit hielt ich dann die Leeren Platinen in Händen und konnte sie mit den Bauteilen bestücken.

fertig bestückte Platine

Im Bild oben ist die fertig bestückte Platine zu sehen. Hier fehlt nur mehr das Wemosboard mit dem ESP.

Vergleich zwischen Funktionsmuster und erstem "Fertigungsmodell"

Schlussendlich habe ich einen WemosD1 Pro aufgesteckt, da dieser die Möglichkeit bietet, eine externe WiFi Antenne anzuschließen und somit eine vernünftige Funkreichweite zu erhalten.

Nach dem Aufspielen der Software und der Inbetriebnahme ist der Webserver des Wemos unter der im Code angegebenen IP Adresse erreichbar. Hier kann auch gleich geprüft werden, ob der Pylontech Akku mit dem Wemos kommuniziert. Das Ergebnis sieht dann wie folgt aus.


 

Webseite des WEMOS

 

Hier ist zu erkennen, dass beide Akkumodule korrekt erkannt werden. Im nächsten Schritt wird überprüft, ob über das MQTT Protokol Nachrichten versandt werden. Die IP Adresse des MQTT Brokers ist auch im Code des Wemos festzulegen. Ich habe in meinem Aufbau den MQTT-Explorer im Homeassistant eingerichtet, um schnell und einfach die MQTT Funktionen prüfen zu können.

MQTT Explorer 

Im Bild oben ist zu erkennen, dass auch die Daten über MQTT korrekt ankommen. Jetzt ist es nur mehr notwendig, im Homeassistant ein Sensor yaml file anzulegen, um die topics im als Entitäten zur Verfügung zu stellen.  Dazu habe ich im configuration.yaml folgenden code hinzugefügt: 

mqtt:
  sensor:
#Pylontec Akku Serial Readout (ESP32 192.168.xxx.yyy)
    - state_topic: "ingmarsretro/pylontec/ESP_WiFi_RSSI"
      name: "Pylontec_RSSI"
      unit_of_measurement: dB
      
    - state_topic: "ingmarsretro/pylontec/availability"
      name: "Pylontec_Status"
      
    - state_topic: "ingmarsretro/pylontec/currentDC"
      name: "DC-Strom"
      unit_of_measurement: "mA"
      
    - state_topic: "ingmarsretro/pylontec/getPowerDC"  
      name: "getPower DC"
      unit_of_measurement: "W"
      
    - state_topic: "ingmarsretro/pylontec/powerIN"  
      name: "Power IN"
      unit_of_measurement: "W"  
      
    - state_topic: "ingmarsretro/pylontec/estPowerAC"
      name: "Pylontec_estPowerAC"
      unit_of_measurement: Watt  
      
    - state_topic: "ingmarsretro/pylontec/soc"
      name: "Pylontec_SOC"
      unit_of_measurement: "%"  
      
    - state_topic: "ingmarsretro/pylontec/temp"
      name: "Pylontec_temperature"
      unit_of_measurement: "°C"
      
    - state_topic: "ingmarsretro/pylontec/battery_count"
      name: "Pylontec_BatteryCount"
      unit_of_measurement: "pcs"      
      
    - state_topic: "ingmarsretro/pylontec/base_state"
      name: "Pylontec_BaseState"
      
    - state_topic: "ingmarsretro/pylontec/is_normal"  
      name: "Pylontec_is_normal"

    - state_topic: "ingmarsretro/pylontec/powerOUT"
      name: "Pylontec_powerOUT"
      unit_of_measurement: Watt
      
# Pylontech battery module 0      
      
    - state_topic: "ingmarsretro/pylontec/0/current"
      name: "Pylontec_Battery0_current"
      unit_of_measurement: "A"

    - state_topic: "ingmarsretro/pylontec/0/voltage"
      name: "Pylontec_Battery0_voltage"
      unit_of_measurement: "V"
      
    - state_topic: "ingmarsretro/pylontec/0/soc"
      name: "Pylontec_Battery0_soc"
      unit_of_measurement: "%"
      
    - state_topic: "ingmarsretro/pylontec/0/charging"
      name: "Pylontec_Battery0_charging"
      
    - state_topic: "ingmarsretro/pylontec/0/discharging"
      name: "Pylontec_Battery0_discharging"
     
    - state_topic: "ingmarsretro/pylontec/0/idle"
      name: "Pylontec_Battery0_idle"
      
    - state_topic: "ingmarsretro/pylontec/0/state"
      name: "Pylontec_Battery0_state"
      
    - state_topic: "ingmarsretro/pylontec/0/temp"
      name: "Pylontec_Battery0_temp"
      unit_of_measurement: "°C"
      
# Pylontech battery module 1      
      
    - state_topic: "ingmarsretro/pylontec/1/current"
      name: "Pylontec_Battery1_current"
      unit_of_measurement: "A"

    - state_topic: "ingmarsretro/pylontec/1/voltage"
      name: "Pylontec_Battery1_voltage"
      unit_of_measurement: "V"
      
    - state_topic: "ingmarsretro/pylontec/1/soc"
      name: "Pylontec_Battery1_soc"
      unit_of_measurement: "%"
      
    - state_topic: "ingmarsretro/pylontec/1/charging"
      name: "Pylontec_Battery1_charging"
      
    - state_topic: "ingmarsretro/pylontec/1/discharging"
      name: "Pylontec_Battery1_discharging"
     
    - state_topic: "ingmarsretro/pylontec/1/idle"
      name: "Pylontec_Battery1_idle"
      
    - state_topic: "ingmarsretro/pylontec/1/state"
      name: "Pylontec_Battery1_state"
      
    - state_topic: "ingmarsretro/pylontec/1/temp"
      name: "Pylontec_Battery1_temp"
      unit_of_measurement: "°C"
      

Auf der Homeassistant Website könnte die Visualisierung dann beispielsweise so aussehen:


 

Zu guter Letzt poste ich unten noch den angepassten Code. Die zum Kompilieren notwendigen Libraries und weiteren Infos sind den oben angeführten GitHub Links zu entnehmen.

#include <ESP8266WiFi.h>
#include <ESP8266mDNS.h>
#include <ArduinoOTA.h>
#include <ESP8266WebServer.h>
#include <circular_log.h>
#include <ArduinoJson.h>
#include <NTPClient.h>
#include <ESP8266TimerInterrupt.h>

//+++ START CONFIGURATION +++

//IMPORTANT: Specify your WIFI settings:
#define WIFI_SSID "wifiname"
#define WIFI_PASS deinpasswort1234"
#define WIFI_HOSTNAME "mppsolar-pylontec"

//Uncomment for static ip configuration
#define STATIC_IP
  IPAddress local_IP(192, 168, xxx, yyy);
  IPAddress subnet(255, 255, 255, 0);
  IPAddress gateway(192, 168, xxx, zzz);
  IPAddress primaryDNS(192, 168, xxx, zzz);

//Uncomment for authentication page
//#define AUTHENTICATION
//set http Authentication
const char* www_username = "admin";
const char* www_password = "password";


//IMPORTANT: Uncomment this line if you want to enable MQTT (and fill correct MQTT_ values below):
#define ENABLE_MQTT

// Set offset time in seconds to adjust for your timezone, for example:
// GMT +1 = 3600
// GMT +1 = 7200
// GMT +8 = 28800
// GMT -1 = -3600
// GMT 0 = 0
#define GMT 3600

//NOTE 1: if you want to change what is pushed via MQTT - edit function: pushBatteryDataToMqtt.
//NOTE 2: MQTT_TOPIC_ROOT is where battery will push MQTT topics. For example "soc" will be pushed to: "home/grid_battery/soc"
#define MQTT_SERVER        "192.168.xx.broker"
#define MQTT_PORT          1883
#define MQTT_USER          ""
#define MQTT_PASSWORD      ""
#define MQTT_TOPIC_ROOT    "ingmarsretro/pylontec/"  //this is where mqtt data will be pushed
#define MQTT_PUSH_FREQ_SEC 2  //maximum mqtt update frequency in seconds

//+++   END CONFIGURATION +++

#ifdef ENABLE_MQTT
#include <PubSubClient.h>
WiFiClient espClient;
PubSubClient mqttClient(espClient);
#endif //ENABLE_MQTT

//text response
char g_szRecvBuff[7000];

const long utcOffsetInSeconds = GMT;
char daysOfTheWeek[7][12] = {"Sunday", "Monday", "Tuesday", "Wednesday", "Thursday", "Friday", "Saturday"};
// Define NTP Client to get time
WiFiUDP ntpUDP;
NTPClient timeClient(ntpUDP, "pool.ntp.org", utcOffsetInSeconds);


ESP8266WebServer server(80);
circular_log<7000> g_log;
bool ntpTimeReceived = false;
int g_baudRate = 0;

void Log(const char* msg)
{
  g_log.Log(msg);
}

//Define Interrupt Timer to Calculate Power meter every second (kWh)
#define USING_TIM_DIV1 true                                             // for shortest and most accurate timer
ESP8266Timer ITimer;
bool setInterval(unsigned long interval, timer_callback callback);      // interval (in microseconds)
#define TIMER_INTERVAL_MS 1000

//Global Variables for the Power Meter - accessible from the calculating interrupt und from main
unsigned long powerIN = 0;       //WS gone in to the BAttery
unsigned long powerOUT = 0;      //WS gone out of the Battery
//Global Variables for the Power Meter - Überlauf
unsigned long powerINWh = 0;       //WS gone in to the BAttery
unsigned long powerOUTWh = 0;      //WS gone out of the Battery

void setup() {
  
  memset(g_szRecvBuff, 0, sizeof(g_szRecvBuff)); //clean variable
  
  pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT); 
  digitalWrite(LED_BUILTIN, HIGH);//high is off
  
  // put your setup code here, to run once:
  WiFi.mode(WIFI_STA);
  WiFi.persistent(false); //our credentialss are hardcoded, so we don't need ESP saving those each boot (will save on flash wear)
  WiFi.hostname(WIFI_HOSTNAME);
  #ifdef STATIC_IP
     WiFi.config(local_IP, gateway, subnet, primaryDNS);
  #endif
  WiFi.begin(WIFI_SSID, WIFI_PASS);

  for(int ix=0; ix<10; ix++)
  {
    Log("Wait for WIFI Connection");
    if(WiFi.status() == WL_CONNECTED)
    {
      break;
    }

    delay(1000);
  }

  ArduinoOTA.setHostname(WIFI_HOSTNAME);
  ArduinoOTA.begin();
  server.on("/", handleRoot);
  server.on("/log", handleLog);
  server.on("/req", handleReq);
  server.on("/jsonOut", handleJsonOut);
  server.on("/reboot", [](){
    #ifdef AUTHENTICATION
    if (!server.authenticate(www_username, www_password)) {
      return server.requestAuthentication();
    }
    #endif
    ESP.restart();
  });
  
  server.begin(); 
  
  timeClient.begin();

  
#ifdef ENABLE_MQTT
  mqttClient.setServer(MQTT_SERVER, MQTT_PORT);
#endif

  Log("Boot event");
  
}

void handleLog()
{
  #ifdef AUTHENTICATION
  if (!server.authenticate(www_username, www_password)) {
    return server.requestAuthentication();
  } 
  #endif
  server.send(200, "text/html", g_log.c_str());
}

void switchBaud(int newRate)
{
  if(g_baudRate == newRate)
  {
    return;
  }
  
  if(g_baudRate != 0)
  {
    Serial.flush();
    delay(20);
    Serial.end();
    delay(20);
  }

  char szMsg[50];
  snprintf(szMsg, sizeof(szMsg)-1, "New baud: %d", newRate);
  Log(szMsg);
  
  Serial.begin(newRate);
  g_baudRate = newRate;

  delay(20);
}

void waitForSerial()
{
  for(int ix=0; ix<150;ix++)
  {
    if(Serial.available()) break;
    delay(10);
  }
}

int readFromSerial()
{
  memset(g_szRecvBuff, 0, sizeof(g_szRecvBuff));
  int recvBuffLen = 0;
  bool foundTerminator = true;
  
  waitForSerial();
  
  while(Serial.available())
  {
    char szResponse[256] = "";
    const int readNow = Serial.readBytesUntil('>', szResponse, sizeof(szResponse)-1); //all commands terminate with "$$\r\n\rpylon>" (no new line at the end)
    if(readNow > 0 && 
       szResponse[0] != '\0')
    {
      if(readNow + recvBuffLen + 1 >= (int)(sizeof(g_szRecvBuff)))
      {
        Log("WARNING: Read too much data on the console!");
        break;
      }
      
      strcat(g_szRecvBuff, szResponse);
      recvBuffLen += readNow;

      if(strstr(g_szRecvBuff, "$$\r\n\rpylon"))
      {
        strcat(g_szRecvBuff, ">"); //readBytesUntil will skip this, so re-add
        foundTerminator = true;
        break; //found end of the string
      }

      if(strstr(g_szRecvBuff, "Press [Enter] to be continued,other key to exit"))
      {
        //we need to send new line character so battery continues the output
        Serial.write("\r");
      }

      waitForSerial();
    }
  }

  if(recvBuffLen > 0 )
  {
    if(foundTerminator == false)
    {
      Log("Failed to find pylon> terminator");
    }
  }

  return recvBuffLen;
}

bool readFromSerialAndSendResponse()
{
  const int recvBuffLen = readFromSerial();
  if(recvBuffLen > 0)
  {
    server.sendContent(g_szRecvBuff);
    return true;
  }

  return false;
}

bool sendCommandAndReadSerialResponse(const char* pszCommand)
{
  switchBaud(115200);

  if(pszCommand[0] != '\0')
  {
    Serial.write(pszCommand);
  }
  Serial.write("\n");

  const int recvBuffLen = readFromSerial();
  if(recvBuffLen > 0)
  {
    return true;
  }

  //wake up console and try again:
  wakeUpConsole();

  if(pszCommand[0] != '\0')
  {
    Serial.write(pszCommand);
  }
  Serial.write("\n");

  return readFromSerial() > 0;
}

void handleReq()
{
  #ifdef AUTHENTICATION
  if (!server.authenticate(www_username, www_password)) {
    return server.requestAuthentication();
  }
  #endif
  bool respOK;
  if(server.hasArg("code") == false)
  {
    respOK = sendCommandAndReadSerialResponse("");
  }
  else
  {
    respOK = sendCommandAndReadSerialResponse(server.arg("code").c_str());
  }

  handleRoot();
}



void handleJsonOut()
{
  #ifdef AUTHENTICATION
  if (!server.authenticate(www_username, www_password)) {
    return server.requestAuthentication();
  }
  #endif
  if(sendCommandAndReadSerialResponse("pwr") == false)
  {
    server.send(500, "text/plain", "Failed to get response to 'pwr' command");
    return;
  }

  parsePwrResponse(g_szRecvBuff);
  prepareJsonOutput(g_szRecvBuff, sizeof(g_szRecvBuff));
  server.send(200, "application/json", g_szRecvBuff);
}

void handleRoot() {
  #ifdef AUTHENTICATION
  if (!server.authenticate(www_username, www_password)) {
    return server.requestAuthentication();
  }
  #endif
  timeClient.update(); //get ntp datetime
  unsigned long days = 0, hours = 0, minutes = 0;
  unsigned long val = os_getCurrentTimeSec();
  days = val / (3600*24);
  val -= days * (3600*24);
  hours = val / 3600;
  val -= hours * 3600;
  minutes = val / 60;
  val -= minutes*60;

  time_t epochTime = timeClient.getEpochTime();
  String formattedTime = timeClient.getFormattedTime();
  //Get a time structure
  struct tm *ptm = gmtime ((time_t *)&epochTime); 
  int currentMonth = ptm->tm_mon+1;

  static char szTmp[9500] = "";  
  long timezone= GMT / 3600;
  snprintf(szTmp, sizeof(szTmp)-1, "<html><b>Pylontech Battery</b><br>Time GMT: %s (%s %d)<br>Uptime: %02d:%02d:%02d.%02d<br><br>free heap: %u<br>Wifi RSSI: %d<BR>Wifi SSID: %s", 
            formattedTime, "GMT ", timezone,
            (int)days, (int)hours, (int)minutes, (int)val, 
            ESP.getFreeHeap(), WiFi.RSSI(), WiFi.SSID().c_str());

  strncat(szTmp, "<BR><a href='/log'>Runtime log</a><HR>", sizeof(szTmp)-1);
  strncat(szTmp, "<form action='/req' method='get'>Command:<input type='text' name='code'/><input type='submit'> <a href='/req?code=pwr'>PWR</a> | <a href='/req?code=pwr%201'>Power 1</a> |  <a href='/req?code=pwr%202'>Power 2</a> | <a href='/req?code=pwr%203'>Power 3</a> | <a href='/req?code=pwr%204'>Power 4</a> | <a href='/req?code=help'>Help</a> | <a href='/req?code=log'>Event Log</a> | <a href='/req?code=time'>Time</a><br>", sizeof(szTmp)-1);
  //strncat(szTmp, "<form action='/req' method='get'>Command:<input type='text' name='code'/><input type='submit'><a href='/req?code=pwr'>Power</a> | <a href='/req?code=help'>Help</a> | <a href='/req?code=log'>Event Log</a> | <a href='/req?code=time'>Time</a><br>", sizeof(szTmp)-1);
  strncat(szTmp, "<textarea rows='80' cols='180'>", sizeof(szTmp)-1);
  //strncat(szTmp, "<textarea rows='45' cols='180'>", sizeof(szTmp)-1);
  strncat(szTmp, g_szRecvBuff, sizeof(szTmp)-1);
  strncat(szTmp, "</textarea></form>", sizeof(szTmp)-1);
  strncat(szTmp, "</html>", sizeof(szTmp)-1);
  //send page
  server.send(200, "text/html", szTmp);
}

unsigned long os_getCurrentTimeSec()
{
  static unsigned int wrapCnt = 0;
  static unsigned long lastVal = 0;
  unsigned long currentVal = millis();

  if(currentVal < lastVal)
  {
    wrapCnt++;
  }

  lastVal = currentVal;
  unsigned long seconds = currentVal/1000;
  
  //millis will wrap each 50 days, as we are interested only in seconds, let's keep the wrap counter
  return (wrapCnt*4294967) + seconds;
}

void wakeUpConsole()
{
  switchBaud(1200);

  //byte wakeUpBuff[] = {0x7E, 0x32, 0x30, 0x30, 0x31, 0x34, 0x36, 0x38, 0x32, 0x43, 0x30, 0x30, 0x34, 0x38, 0x35, 0x32, 0x30, 0x46, 0x43, 0x43, 0x33, 0x0D};
  //Serial.write(wakeUpBuff, sizeof(wakeUpBuff));
  Serial.write("~20014682C0048520FCC3\r");
  delay(1000);

  byte newLineBuff[] = {0x0E, 0x0A};
  switchBaud(115200);
  
  for(int ix=0; ix<10; ix++)
  {
    Serial.write(newLineBuff, sizeof(newLineBuff));
    delay(1000);

    if(Serial.available())
    {
      while(Serial.available())
      {
        Serial.read();
      }
      
      break;
    }
  }
}

#define MAX_PYLON_BATTERIES 8

struct pylonBattery
{
  bool isPresent;
  long  soc;     //Coulomb in %
  long  voltage; //in mW
  long  current; //in mA, negative value is discharge
  long  tempr;   //temp of case or BMS?
  long  cellTempLow;
  long  cellTempHigh;
  long  cellVoltLow;
  long  cellVoltHigh;
  char baseState[9];    //Charge | Dischg | Idle
  char voltageState[9]; //Normal
  char currentState[9]; //Normal
  char tempState[9];    //Normal
  char time[20];        //2019-06-08 04:00:29
  char b_v_st[9];       //Normal  (battery voltage?)
  char b_t_st[9];       //Normal  (battery temperature?)

  bool isCharging()    const { return strcmp(baseState, "Charge")   == 0; }
  bool isDischarging() const { return strcmp(baseState, "Dischg")   == 0; }
  bool isIdle()        const { return strcmp(baseState, "Idle")     == 0; }
  bool isBalancing()   const { return strcmp(baseState, "Balance")  == 0; }
  

  bool isNormal() const
  {
    if(isCharging()    == false &&
       isDischarging() == false &&
       isIdle()        == false &&
       isBalancing()   == false)
    {
      return false; //base state looks wrong!
    }

    return  strcmp(voltageState, "Normal") == 0 &&
            strcmp(currentState, "Normal") == 0 &&
            strcmp(tempState,    "Normal") == 0 &&
            strcmp(b_v_st,       "Normal") == 0 &&
            strcmp(b_t_st,       "Normal") == 0 ;
  }
};

struct batteryStack
{
  int batteryCount;
  int soc;  //in %, if charging: average SOC, otherwise: lowest SOC
  int temp; //in mC, if highest temp is > 15C, this will show the highest temp, otherwise the lowest
  long currentDC;    //mAh current going in or out of the battery
  long avgVoltage;    //in mV
  char baseState[9];  //Charge | Dischg | Idle | Balance | Alarm!

  
  pylonBattery batts[MAX_PYLON_BATTERIES];

  bool isNormal() const
  {
    for(int ix=0; ix<MAX_PYLON_BATTERIES; ix++)
    {
      if(batts[ix].isPresent && 
         batts[ix].isNormal() == false)
      {
        return false;
      }
    }

    return true;
  }

  //in Wh
  long getPowerDC() const
  {
    return (long)(((double)currentDC/1000.0)*((double)avgVoltage/1000.0));
  }

  // power in Wh in charge
  float powerIN() const
  {
    if (currentDC > 0) {
       return (float)(((double)currentDC/1000.0)*((double)avgVoltage/1000.0));
    } else {
       return (float)(0);
    }
  }
  
  // power in Wh in discharge
  float powerOUT() const
  {
    if (currentDC < 0) {
       return (float)(((double)currentDC/1000.0)*((double)avgVoltage/1000.0)*-1);
    } else {
       return (float)(0);
    }
  }

  //Wh estimated current on AC side (taking into account Sofar ME3000SP losses)
  long getEstPowerAc() const
  {
    double powerDC = (double)getPowerDC();
    if(powerDC == 0)
    {
      return 0;
    }
    else if(powerDC < 0)
    {
      //we are discharging, on AC side we will see less power due to losses
      if(powerDC < -1000)
      {
        return (long)(powerDC*0.94);
      }
      else if(powerDC < -600)
      {
        return (long)(powerDC*0.90);
      }
      else
      {
        return (long)(powerDC*0.87);
      }
    }
    else
    {
      //we are charging, on AC side we will have more power due to losses
      if(powerDC > 1000)
      {
        return (long)(powerDC*1.06);
      }
      else if(powerDC > 600)
      {
        return (long)(powerDC*1.1);
      }
      else
      {
        return (long)(powerDC*1.13);
      }
    }
  }
};

batteryStack g_stack;


long extractInt(const char* pStr, int pos)
{
  return atol(pStr+pos);
}

void extractStr(const char* pStr, int pos, char* strOut, int strOutSize)
{
  strOut[strOutSize-1] = '\0';
  strncpy(strOut, pStr+pos, strOutSize-1);
  strOutSize--;
  
  
  //trim right
  while(strOutSize > 0)
  {
    if(isspace(strOut[strOutSize-1]))
    {
      strOut[strOutSize-1] = '\0';
    }
    else
    {
      break;
    }

    strOutSize--;
  }
}

/* Output has mixed \r and \r\n
pwr

@

Power Volt   Curr   Tempr  Tlow   Thigh  Vlow   Vhigh  Base.St  Volt.St  Curr.St  Temp.St  Coulomb  Time                 B.V.St   B.T.St  

1     49735  -1440  22000  19000  19000  3315   3317   Dischg   Normal   Normal   Normal   93%      2019-06-08 04:00:30  Normal   Normal  

....   

8     -      -      -      -      -      -      -      Absent   -        -        -        -        -                    -        -       

Command completed successfully

$$

pylon
*/
bool parsePwrResponse(const char* pStr)
{
  if(strstr(pStr, "Command completed successfully") == NULL)
  {
    return false;
  }
  
  int chargeCnt    = 0;
  int dischargeCnt = 0;
  int idleCnt      = 0;
  int alarmCnt     = 0;
  int socAvg       = 0;
  int socLow       = 0;
  int tempHigh     = 0;
  int tempLow      = 0;

  memset(&g_stack, 0, sizeof(g_stack));

  for(int ix=0; ix<MAX_PYLON_BATTERIES; ix++)
  {
    char szToFind[32] = "";
    snprintf(szToFind, sizeof(szToFind)-1, "\r\r\n%d     ", ix+1);

    const char* pLineStart = strstr(pStr, szToFind);
    if(pLineStart == NULL)
    {
      return false;
    }

    pLineStart += 3; //move past \r\r\n

    extractStr(pLineStart, 55, g_stack.batts[ix].baseState, sizeof(g_stack.batts[ix].baseState));
    if(strcmp(g_stack.batts[ix].baseState, "Absent") == 0)
    {
      g_stack.batts[ix].isPresent = false;
    }
    else
    {
      g_stack.batts[ix].isPresent = true;
      extractStr(pLineStart, 64, g_stack.batts[ix].voltageState, sizeof(g_stack.batts[ix].voltageState));
      extractStr(pLineStart, 73, g_stack.batts[ix].currentState, sizeof(g_stack.batts[ix].currentState));
      extractStr(pLineStart, 82, g_stack.batts[ix].tempState, sizeof(g_stack.batts[ix].tempState));
      extractStr(pLineStart, 100, g_stack.batts[ix].time, sizeof(g_stack.batts[ix].time));
      extractStr(pLineStart, 121, g_stack.batts[ix].b_v_st, sizeof(g_stack.batts[ix].b_v_st));
      extractStr(pLineStart, 130, g_stack.batts[ix].b_t_st, sizeof(g_stack.batts[ix].b_t_st));
      g_stack.batts[ix].voltage = extractInt(pLineStart, 6);
      g_stack.batts[ix].current = extractInt(pLineStart, 13);
      g_stack.batts[ix].tempr   = extractInt(pLineStart, 20);
      g_stack.batts[ix].cellTempLow    = extractInt(pLineStart, 27);
      g_stack.batts[ix].cellTempHigh   = extractInt(pLineStart, 34);
      g_stack.batts[ix].cellVoltLow    = extractInt(pLineStart, 41);
      g_stack.batts[ix].cellVoltHigh   = extractInt(pLineStart, 48);
      g_stack.batts[ix].soc            = extractInt(pLineStart, 91);

      //////////////////////////////// Post-process ////////////////////////
      g_stack.batteryCount++;
      g_stack.currentDC += g_stack.batts[ix].current;
      g_stack.avgVoltage += g_stack.batts[ix].voltage;
      socAvg += g_stack.batts[ix].soc;

      if(g_stack.batts[ix].isNormal() == false){ alarmCnt++; }
      else if(g_stack.batts[ix].isCharging()){chargeCnt++;}
      else if(g_stack.batts[ix].isDischarging()){dischargeCnt++;}
      else if(g_stack.batts[ix].isIdle()){idleCnt++;}
      else{ alarmCnt++; } //should not really happen!

      if(g_stack.batteryCount == 1)
      {
        socLow = g_stack.batts[ix].soc;
        tempLow  = g_stack.batts[ix].cellTempLow;
        tempHigh = g_stack.batts[ix].cellTempHigh;
      }
      else
      {
        if(socLow > g_stack.batts[ix].soc){socLow = g_stack.batts[ix].soc;}
        if(tempHigh < g_stack.batts[ix].cellTempHigh){tempHigh = g_stack.batts[ix].cellTempHigh;}
        if(tempLow > g_stack.batts[ix].cellTempLow){tempLow = g_stack.batts[ix].cellTempLow;}
      }
      
    }
  }

  //now update stack state:
  g_stack.avgVoltage /= g_stack.batteryCount;
  g_stack.soc = socLow;

  if(tempHigh > 15000) //15C
  {
    g_stack.temp = tempHigh; //in the summer we highlight the warmest cell
  }
  else
  {
    g_stack.temp = tempLow; //in the winter we focus on coldest cell
  }

  if(alarmCnt > 0)
  {
    strcpy(g_stack.baseState, "Alarm!");
  }
  else if(chargeCnt == g_stack.batteryCount)
  {
    strcpy(g_stack.baseState, "Charge");
    g_stack.soc = (int)(socAvg / g_stack.batteryCount);
  }
  else if(dischargeCnt == g_stack.batteryCount)
  {
    strcpy(g_stack.baseState, "Dischg");
  }
  else if(idleCnt == g_stack.batteryCount)
  {
    strcpy(g_stack.baseState, "Idle");
  }
  else
  {
    strcpy(g_stack.baseState, "Balance");
  }


  return true;
}

void prepareJsonOutput(char* pBuff, int buffSize)
{
  memset(pBuff, 0, buffSize);
  snprintf(pBuff, buffSize-1, "{\"soc\": %d, \"temp\": %d, \"currentDC\": %ld, \"avgVoltage\": %ld, \"baseState\": \"%s\", \"batteryCount\": %d, \"powerDC\": %ld, \"estPowerAC\": %ld, \"isNormal\": %s}", g_stack.soc, 
                                                                                                                                                                                                            g_stack.temp, 
                                                                                                                                                                                                            g_stack.currentDC, 
                                                                                                                                                                                                            g_stack.avgVoltage, 
                                                                                                                                                                                                            g_stack.baseState, 
                                                                                                                                                                                                            g_stack.batteryCount, 
                                                                                                                                                                                                            g_stack.getPowerDC(), 
                                                                                                                                                                                                            g_stack.getEstPowerAc(),
                                                                                                                                                                                                            g_stack.isNormal() ? "true" : "false");
}

void loop() {
#ifdef ENABLE_MQTT
  mqttLoop();
#endif
  
  ArduinoOTA.handle();
  server.handleClient();

  //if there are bytes availbe on serial here - it's unexpected
  //when we send a command to battery, we read whole response
  //if we get anything here anyways - we will log it
  int bytesAv = Serial.available();
  if(bytesAv > 0)
  {
    if(bytesAv > 63)
    {
      bytesAv = 63;
    }
    
    char buff[64+4] = "RCV:";
    if(Serial.readBytes(buff+4, bytesAv) > 0)
    {
      digitalWrite(LED_BUILTIN, LOW);
      delay(5);
      digitalWrite(LED_BUILTIN, HIGH);//high is off

      Log(buff);
    }
  }
}

#ifdef ENABLE_MQTT
#define ABS_DIFF(a, b) (a > b ? a-b : b-a)
void mqtt_publish_f(const char* topic, float newValue, float oldValue, float minDiff, bool force)
{
  char szTmp[16] = "";
  snprintf(szTmp, 15, "%.2f", newValue);
  if(force || ABS_DIFF(newValue, oldValue) > minDiff)
  {
    mqttClient.publish(topic, szTmp, false);
  }
}

void mqtt_publish_i(const char* topic, int newValue, int oldValue, int minDiff, bool force)
{
  char szTmp[16] = "";
  snprintf(szTmp, 15, "%d", newValue);
  if(force || ABS_DIFF(newValue, oldValue) > minDiff)
  {
    mqttClient.publish(topic, szTmp, false);
  }
}

void mqtt_publish_s(const char* topic, const char* newValue, const char* oldValue, bool force)
{
  if(force || strcmp(newValue, oldValue) != 0)
  {
    mqttClient.publish(topic, newValue, false);
  }
}

void pushBatteryDataToMqtt(const batteryStack& lastSentData, bool forceUpdate /* if true - we will send all data regardless if it's the same */)
{
  mqtt_publish_f(MQTT_TOPIC_ROOT "soc",          g_stack.soc,                lastSentData.soc,                0, forceUpdate);
  mqtt_publish_f(MQTT_TOPIC_ROOT "temp",         (float)g_stack.temp/1000.0, (float)lastSentData.temp/1000.0, 0.1, forceUpdate);
  mqtt_publish_i(MQTT_TOPIC_ROOT "currentDC",    g_stack.currentDC,          lastSentData.currentDC,          1, forceUpdate);
  mqtt_publish_i(MQTT_TOPIC_ROOT "estPowerAC",   g_stack.getEstPowerAc(),    lastSentData.getEstPowerAc(),   10, forceUpdate);
  mqtt_publish_i(MQTT_TOPIC_ROOT "battery_count",g_stack.batteryCount,       lastSentData.batteryCount,       0, forceUpdate);
  mqtt_publish_s(MQTT_TOPIC_ROOT "base_state",   g_stack.baseState,          lastSentData.baseState            , forceUpdate);
  mqtt_publish_i(MQTT_TOPIC_ROOT "is_normal",    g_stack.isNormal() ? 1:0,   lastSentData.isNormal() ? 1:0,   0, forceUpdate);
  mqtt_publish_i(MQTT_TOPIC_ROOT "getPowerDC",   g_stack.getPowerDC(),       lastSentData.getPowerDC(),       1, forceUpdate);
  mqtt_publish_i(MQTT_TOPIC_ROOT "powerIN",      g_stack.powerIN(),          lastSentData.powerIN(),          1, forceUpdate);
  mqtt_publish_i(MQTT_TOPIC_ROOT "powerOUT",     g_stack.powerOUT(),         lastSentData.powerOUT(),         1, forceUpdate);

  // publishing details
  for (int ix = 0; ix < g_stack.batteryCount; ix++) {
    char ixBuff[50];
    String ixBattStr = MQTT_TOPIC_ROOT + String(ix) + "/voltage";
    ixBattStr.toCharArray(ixBuff, 50);
    mqtt_publish_f(ixBuff, g_stack.batts[ix].voltage / 1000.0, lastSentData.batts[ix].voltage / 1000.0, 0, forceUpdate);
    ixBattStr = MQTT_TOPIC_ROOT + String(ix) + "/current";
    ixBattStr.toCharArray(ixBuff, 50);
    mqtt_publish_f(ixBuff, g_stack.batts[ix].current / 1000.0, lastSentData.batts[ix].current / 1000.0, 0, forceUpdate);
    ixBattStr = MQTT_TOPIC_ROOT + String(ix) + "/soc";
    ixBattStr.toCharArray(ixBuff, 50);
    mqtt_publish_i(ixBuff, g_stack.batts[ix].soc, lastSentData.batts[ix].soc, 0, forceUpdate);
    ixBattStr = MQTT_TOPIC_ROOT + String(ix) + "/charging";
    ixBattStr.toCharArray(ixBuff, 50);
    mqtt_publish_i(ixBuff, g_stack.batts[ix].isCharging()?1:0, lastSentData.batts[ix].isCharging()?1:0, 0, forceUpdate);
    ixBattStr = MQTT_TOPIC_ROOT + String(ix) + "/discharging";
    ixBattStr.toCharArray(ixBuff, 50);
    mqtt_publish_i(ixBuff, g_stack.batts[ix].isDischarging()?1:0, lastSentData.batts[ix].isDischarging()?1:0, 0, forceUpdate);
    ixBattStr = MQTT_TOPIC_ROOT + String(ix) + "/idle";
    ixBattStr.toCharArray(ixBuff, 50);
    mqtt_publish_i(ixBuff, g_stack.batts[ix].isIdle()?1:0, lastSentData.batts[ix].isIdle()?1:0, 0, forceUpdate);
    ixBattStr = MQTT_TOPIC_ROOT + String(ix) + "/state";
    ixBattStr.toCharArray(ixBuff, 50);
    mqtt_publish_s(ixBuff, g_stack.batts[ix].isIdle()?"Idle":g_stack.batts[ix].isCharging()?"Charging":g_stack.batts[ix].isDischarging()?"Discharging":"", lastSentData.batts[ix].isIdle()?"Idle":lastSentData.batts[ix].isCharging()?"Charging":lastSentData.batts[ix].isDischarging()?"Discharging":"", forceUpdate);
    ixBattStr = MQTT_TOPIC_ROOT + String(ix) + "/temp";
    ixBattStr.toCharArray(ixBuff, 50);
    mqtt_publish_f(ixBuff, (float)g_stack.batts[ix].tempr/1000.0, (float)lastSentData.batts[ix].tempr/1000.0, 0.1, forceUpdate);
  }
} 

void mqttLoop()
{
  //if we have problems with connecting to mqtt server, we will attempt to re-estabish connection each 1minute (not more than that)
  static unsigned long g_lastConnectionAttempt = 0;

  //first: let's make sure we are connected to mqtt
  const char* topicLastWill = MQTT_TOPIC_ROOT "availability";
  if (!mqttClient.connected() && (g_lastConnectionAttempt == 0 || os_getCurrentTimeSec() - g_lastConnectionAttempt > 60)) {
    if(mqttClient.connect(WIFI_HOSTNAME, MQTT_USER, MQTT_PASSWORD, topicLastWill, 1, true, "offline"))
    {
      Log("Connected to MQTT server: " MQTT_SERVER);
      mqttClient.publish(topicLastWill, "online", true);
    }
    else
    {
      Log("Failed to connect to MQTT server.");
    }

    g_lastConnectionAttempt = os_getCurrentTimeSec();
  }

  //next: read data from battery and send via MQTT (but only once per MQTT_PUSH_FREQ_SEC seconds)
  static unsigned long g_lastDataSent = 0;
  if(mqttClient.connected() && 
     os_getCurrentTimeSec() - g_lastDataSent > MQTT_PUSH_FREQ_SEC &&
     sendCommandAndReadSerialResponse("pwr") == true)
  {
    static batteryStack lastSentData; //this is the last state we sent to MQTT, used to prevent sending the same data over and over again
    static unsigned int callCnt = 0;
    
    parsePwrResponse(g_szRecvBuff);

    bool forceUpdate = (callCnt % 20 == 0); //push all the data every 20th call
    pushBatteryDataToMqtt(lastSentData, forceUpdate);
    
    callCnt++;
    g_lastDataSent = os_getCurrentTimeSec();
    memcpy(&lastSentData, &g_stack, sizeof(batteryStack));
  }
  
  mqttClient.loop();
}

#endif //ENABLE_MQTT

Dyson - es muss nicht immer der Akku sein

 

Immer wieder werde ich angesprochen, mir fehlerbehaftete, kabellose Staubsauggeräte anzusehen. Dabei sind die modernen Geräte nach dem Zyklon Prinzip am häufigsten vertreten. Meist sind es die Akkus, deren BMS (Batterie-Management-System) dem Akku den "Garaus" macht, indem der im BMS verbaute Microcontroller ein "disabled" Flag setzt und den Akku unbrauchbar macht. Der Grund dafür ist meist ein defekt einer oder mehrerer Zellen. Genauer gesagt ist es die Balance der Zellen, die nicht mehr gegeben ist oder erreicht wird. Bei vielen Akkusystemen moderner kabelloser Geräte kommen Lithium-Ionen Zellen der Baugröße 18650 zum Einsatz. (zylindrische Zellen mit 18mm Durchmesser und 65mm Länge, einer Nominalspannung von 3.7V und einer Kapazität von durchschnittlich zwei Ah) Ein defekter oder ein, durch das BMS abgeschalteter Akku, lässt sich dann nicht mehr Laden, der Handstaubsauger schaltet nicht mehr ein, wenn der der Trigger gedrückt wird und es gibt je nach Bauart und Modell Blinksignale der im Akku verbauten Leuchtdioden. Zu diesen Fehlerbildern gibt es einige Ansätze, erfolgreiche Reparaturen durchzuführen. Zum einen können aufgrund des Alters des Gerätes Zellen defekt sein, die dann eine viel zu geringe oder gar keine Zellspannung mehr abgeben. Hier ist ein Tausch der einzelnen, betroffenen Zellen dann möglich - wenn auch nicht sinnvoll. Man kann natürlich auch alle Zellen erneuern - so man sich die Arbeit und den Umgang mit dem Punktschweißgerät und dem Nickelband zutraut. Ich hatte aber auch schon einige Geräte am Tisch, dessen Akkus auch keine Ausgangsspannung mehr freischalteten, obwohl die einzelnen Zellen und deren Leerlaufspannung absolut in Ordnung und die Balance untereinander gegeben war.  Der einfachste Lösungsansatz war dabei eine genauere Untersuchung der BMS Platine. Ein einfacher Reset des verbauten Microcontrollers erweckte den Akku schon häufig wieder zum Leben. (Hier ist natürlich vorausgesetzt, dass man am Board ein wenig Reverse Engineering betreibt und sich zumindest die Type des Microcontrollers und dessen Beschaltung herauszeichnet) Bei Recherchen im Netz bin ich sogar auf ein GitHub Projekt gestoßen, bei dem jemand eine eigene Firmware für das BMS Board einiger Dyson Akkus entwickelt hat.


 

Wie im Titel des Beitrags beschrieben, muss es aber nicht immer an einem defekten Akku liegen, dass der kleine Zyklon nicht mehr tobt. In diesem Fall hat sich folgendes Verhalten gezeigt:

Beim Betätigen des Triggers blinkt die LED am Dyson DC34 und der Motor dreht nicht.  Steckt man das Ladegerät an den Akku des Saugers an, so leuchtet die LED am Netzteil und es sieht alles nach einem, wie in der Bedienungsleitung beschriebenen Ladevorgang aus.

Dyson DC34 am Ladegerät - noch ist die LED an

 

Soweit so gut. Doch schon nach einigen Minuten erlischt die LED am Ladegerät und man bekommt signalisiert, dass der Akku vollgeladen ist. Dem ist aber nicht so. Wenn der Trigger betätigt wird, so passiert nichts außer, dass die LED am Dyson zu blinken beginnt. Der Motor bleibt still. Also war mein erster Verdacht - wie so oft - der Akku ist defekt. Also habe ich zuerst einmal den Akku demontiert und die Spannungen der 18650er Zellen gemessen. Die waren jedoch alle ok – also einem Bereich um die 3.5V und vor allem gab es auch unter den Zellen keine großen Abweichungen. Sie waren somit auch gut balanciert, aber eben leer. Im nächsten Schritt habe ich dann das BMS Board genauer betrachtet und den darauf befindlichen Mikrocontroller resettet. Ein erneuter Ladeversuch brachte aber keine Änderungen und LED am Ladegerät erlosch wieder nach einigen Minuten.

So war der nächste Schritt, den Akku mit einem Labornetzteil zu laden und dann messen wie sich das BMS und die Zellen verhalten. Das Modell DC34 ist eines der „älteren“ Geräte. Hier wurden auf der DC Seite noch zwei Spannungen benötigt. 16.75V DC und 24.35V DC werden über den dreipoligen Ladestecker geliefert. Da der Akku ja schon geöffnet war, war es ein Leichtes, die beiden Spannungen anzulegen. Und siehe da, das Laden der Zellen klappte. Nach einigen Minuten am Labornetzteil hatte der Dyson Akku wieder genug Energie um den Sauger zu betreiben. Somit konnte ich den Akku als Defekt ausschließen.

Der nächste Ansatz war nun, das Ladegerät zu untersuchen. Und um das Ergebnis vorweg zu nehmen – genau das war das Problem. Um hier die Ursache zu finden, entschloss ich mich, das Ladegerät zu öffnen. Aufgrund der Nachhaltigkeit der heutigen Konsumentenprodukte ist das Teil ganz einfach zu öffnen – lediglich zwei Kreuzschlitzschrauben halten die Gehäuseschalen zusammen und nach dem Lösen dieser, fallen die Teile einfach auseinander und die Platine liegt auf dem Tisch… - schön wär´s. Leider ist kein Hersteller daran interessiert, dass seine defekten Teile einfach zu reparieren sind. So ist das Gehäuse auch nicht verschraubt. Denn Schrauben sind ja auch teuer. Die Kunststoffteile sind natürlich verschweißt bzw. verklebt und nur mit einer Trennscheibe am Dremel zu lösen. Gesagt – getan. 


 

Nach dem Öffnen und Freilegen der Netzteilplatine habe ich die DC-Ausgänge mit Lasten, die der aufgedruckten Nominalleistung entsprechen, belastet und gleichzeitig die Spannungen gemessen. Diese fallen unter Last um ein paar Millivolt ab, aber sind zu Anfang auch vorhanden. Dann passierte aber folgendes: Nach ein paar Minuten Betrieb fielen die Spannungen auf 0V ab und die LED leuchtete nicht mehr. Aha! Also kurz von der Netzspannung getrennt und wieder eingesteckt. Doch die LED blieb dunkel und es gab keine Ausgangsspannung. Erst nach einigen Minuten ohne AC-Versorgung fuhr das „Schaltnetzteil“ wieder hoch. Unter Last ließ sich das Verhalten immer nachvollziehen. Zwei bis fünf Minuten unter Last und das Netzteil schaltet ab. Bei einem Versuch ohne Ausgangsbelastung passierte lange nichts und die Spannungen standen stabil. Erst geschätzte dreißig Minuten später war wieder Ende. Nach einer genaueren Untersuchung ist mir dann aufgefallen, dass die primäre Ansteuerung des Wandlers auf einmal nicht mehr vorhanden war. Der Enable/Undervoltage Pin des Controller IC wurde aber im Ausschaltmoment über den Optokoppler Transistor nicht aktiviert und trotzdem war Schluss. 

DC34 Ladegerät mit Lastwiderständen

 

Ein kurzes Berühren des Controller ICs mit dem Finger und das darauffolgende Wahrnehmen von unangenehmer Hitze und Schmerz eröffnete mir eine neue Fehlerursache. Das Teil wird thermisch zu heiß und es könnte ja eine „thermal-Protection“ geben. Bingo. Bei dem Controller IC handelt es sich um einen TNY278PN der TinySwitch Family von „power integrations“, einem IC der den Leistungs Mosfet und die Ansteuerelektronik (den PWM Generator) in einem Chip vereint hat. Und sieht man sich das Datenblatt an, dann ist folgendes zu lesen:

Auszug aus dem Datenblatt des TNY

 

Somit hat es etwas mit der Erwärmung des IC´s, bzw. dessen thermischer Belastung zu tun, die sich anscheinend nicht mehr im Sollbereich bewegt. Glücklicherweise schaltet der Chip durch seine eingebaute Sicherheitstechnik ab und nicht die Sicherung, die auslöst, wenn der Mosfet stirbt und dauerhaft niederohmig wird. Das Abschalten des Controller ICs auch bei Nichtbelastung war ein weiteres Indiz, dass der Chip nicht mehr in Ordnung ist. Also habe ich den IC erneuert und das Board wieder in Betrieb genommen. Die LED und die Ausgangsspannungen waren sofort wieder da. Nach 20 Minuten Dauerbetrieb mit angeschlossenen Lastwiderständen war immer noch alles OK. Auch die Temperatur des Controller IC war durchaus im erträglichen Bereich.


 
alt vs. neu

Also konnte ich davon ausgehen, dass das Ladegerät wieder ok war. Vor dem Verkleben der Gehäuseschalen bekam ein Gehäuseteil noch ein Tuning in Form von vier Lüftungslöchern. So gibt es zumindest die Möglichkeit, die thermische Abwärme im Netzteil abzuführen.

Netzteil mit Tuning :D

Keysight DSO-X 2012A Oszilloskop stirbt im Standby – Netzteiltausch

In einem alten Beitrag aus dem Jahr 2019 habe ich über Oszilloskope des Herstellers Keysight und deren Problem mit einem plötzlichen Ausfall berichtet. (siehe Link). Es ging damals darum, dass die Oszilloskope plötzlich ihren Dienst verweigerten - manchmal auch mit einem Knall und anschließendem Geruch nach "Strom". Oder es passierte einfach gar nichts nach dem Einschalten. Der Grund dafür war und ist immer wieder der Ausfall des verbauten 12VDC Netzteils CCH0123F1-Z03A. Das Oszilloskop ist so konstruiert, dass das Netzteil bei ausgeschaltetem "Hauptschalter" des Oszilloskops trotzdem am Netz hängt und im Standby-Modus betrieben wird. Der an der Frontseite des Gerätes befindliche Druckschalter schaltet das Netzteil dann in den PowerON Modus und die 12V Leistung ein. Wenn die Geräte in den Labors permanent an bestromten Steckdosen hängen, verwundert es auch nicht, dass die Geräte schneller altern, als die guten alten Kisten mit den Kathodenstrahlröhren. Die Teile, die der permanenten Stromversorgung durch thermische Dauerlast zu Opfer fallen, habe ich, sowie auch den Reparaturaufwand im damaligen Beitrag dargestellt. Von Seiten der Vertriebsfirmen ist auch ein Nachbestellen oder eine Ersatzlieferung von neuen Netzteilen nicht vorgesehen oder gewünscht. Wenn die Geräte innerhalb der Garantie- Gewährleistungszeit ausfallen sollten, ist der Austausch durch den Hersteller kein Problem. Fallen die Geräte aber erst aus, wenn sie schon ein paar Jahre im Labor oder der Werkstatt verweilen (dabei spielt es aber keine Rolle ob sie jeden Tag in Betrieb sind, oder eben nur angeschlossen und ausgeschaltet herumstehen), so läuft ein üblicher Reparatur- Serviceprozess beim Hersteller. Da sind dann auch die ordentlichen Tarife für den Service von Messtechnik zu bezahlen.

Im Bild oben: "neues Meanwell Powersupply" unten: "origales Lineage Power"

Die Netzteile sind, wie im alten Bericht beschrieben, recht gut zu reparieren. Allerdings ist die Reparatur auch ziemlich zeitaufwendig. Schneller geht es natürlich, wenn ein neues Netzteil eingebaut wird. Die Vertriebsfirmen der Keysight Oszilloskope bieten leider keinen Ersatzteilsupport an und einen direkten Lieferanten des original verbauten Lineage Power Netzteils habe nicht finden können. Es gibt aber auch eine andere Alternative: Im Forum des EEV-Blogs haben einige User alternative Netzteile gefunden, die in die DSO-X Oszilloskope passen. Ein passendes Modell ist das RPSG-160-12 von Meanwell. Es handelt sich dabei um ein 12V 160W Powersupply. Die Bezeichnung "G" in RPSG deutet darauf hin, dass auch ein 5V Standby-Supply vorhanden ist. Und genau diese Funktion benötigt auch das DSO-X. Denn wie schon zuvor beschrieben, ist der Frontschalter am Oszi nicht dazu gedacht, die Primärseite der Netzversorgung zu trennen, sondern lediglich eine Leitung am DC-Niedervoltstecker gegen Masse zu schalten. Diese Leitung steuert im Netzteil den "PowerON-Pin".

Mechanisch passt das Meanwell beinahe auf die Montagehalterungen des DSO-X. "Beinahe" bedeutet, dass der Abstand der Befestigungslöcher der Längsseite am Powersupply um etwa einen Millimeter weiter auseinander liegt, als die Befestigungsbolzen am Chassis des Oszilloskops. Das lässt sich aber mit einer kleinen Rundfeile oder einem 4mm Bohrer schnell anpassen. Jetzt kann das Meanwell Powersupply mit den originalen Torx Schrauben am Oszi Chassis befestigt werden. Die Steckverbindung für die AC-Versorgung von der OSZI-Platine zum Netzteil kann direkt vom alten Netzteil übernommen werden.

Pinout der Meanwell Steckerleisten
Die 12V Spannungsversogung am CN2 des Netzteils liegt an den Pins 1,2,3,4 (+12V) und 5,6,7,8 (GND) an. Die Verbindungsleitung zum Oszi ins entsprechend anzupassen.

DC12V Ausgänge an CN2
 

Im Bild unten sind die Pins der Steckerleiste am Oszi beschriftet dargestellt.

DC12V Eingang ins Oszilloskop
Ich habe die Drähte passend umgepinnt und den Stecker wie unten dargestellt mit dem Powersupply verbunden.

 

Die Hauptenergieversorgung zum Oszilloskop ist jetzt hergestellt. Es fehlt nur noch die "Einschaltleitung" (PowerOn). Hierzu habe ich den 7. Pin (GND) und den 9.Pin(Switch) aus dem alten Stecker gelöst und direkt auf dem Standby Board des Netzteils angelötet. Der Draht am untersten Pin des Standby Boards ist das Signal "PowerOn" und der darüber ist GND. Somit kann das Netzteil mit dem frontseitigen Einschalter am Oszilloskop hochgefahren werden.

"Steuerleitungen" für das PowerOn des Netzteils

Gesamtansicht der Verkabelung 
 

Nach einem kurzen Funktionstest und Überprüfen der Spannung (kann ggf. auch an dem Trimmpoti am Netzteil korrigiert werden) ist der Umbau abgeschlossen und der Zusammenbau kann wieder erfolgen.


 

 

EVU Smartmeter mit ESP32 auslesen und Daten per MQTT senden

So nach und nach bringe ich viele meiner Smarthome Komponenten auf einen gemeinsamen Standard. Dabei habe ich mich entschieden, sämtliche Geräte über einen NodeRed Server zusammen zu führen. Auch das HomeMatic System kommuniziert mit NodeRed. Hier übergebe ich unter anderen auch die Messwerte des EVU-Zählers (bei mir ist ein Siemens IM350 Smartmeter verbaut) an die HomeMatic CCU. Dies geschieht wie schon einem früheren Beitrag erwähnt, über die LED-Impulsschnittstelle (1000 Impulse/kWh). Hierzu wird einfach ein Fototransistor über der LED am Zähler angebracht, der die Blinkimpulse der LED erkennt und in der Zählersensor-Sendeeinheit HM-ES-TX-WM in die Momentanleistung umrechnet und über die Zeit integriert und die Daten dann an die CCU weitersendet. Das funktioniert an sich ganz gut. Nur die Aktualisierungsrate (im Minutenbereich) ist mir zu lange. Auch scheint der Fototransistor immer wieder auf das Streulicht der benachbarten LED (diese zeigt die Blindleistung in 1000 Impulse/kvarh an) zu reagieren. So entstehen Abweichungen zwischen der Zählung über den HomeMatic Sensor und den direkt am Zähler abgelesenen Werten.

Das geht auf jeden Fall genauer. Wenn man sich den IM350 Smartmeter Zähler im Detail ansieht, bzw. das Manual durchliest, so stellt man schnell fest, dass er eine sog. "Kundenschnittstelle" besitzt. Diese Kundenschnittstelle stellt einige Messdaten über eine galvanisch getrennte Datenleitung im Sekundentakt zur Verfügung. Dazu gehören unter anderen die momentane Wirkleistung in beiden Richtungen, sowie die Zählerstände von Wirk- und Blindleistung in Bezugs- und Einspeiserichtung. Also perfekte Ausgangbedingungen, um den HomeMatic Zählersensor durch eine eigene Konstruktion zu ersetzen. Nach ein wenig Internetrecherche habe ich schnell erkannt, dass ich nicht der Einzige bin, der sich mit genau dieser Thematik beschäftigt. Die Daten der Kundenschnittstelle purzeln nach Anforderung über eine Daten-Request Leitung mit einer Geschwindigkeit von 115kbaud heraus. Sie sind allerdings verschlüsselt, und nicht direkt lesbar. Um den 16 Byte langen Entschlüsselung Key zu erhalten, muss der Energieversorger konsultiert werden. Der Schlüssel ist an die Seriennummer des Smartmeters gebunden und für jedes Smartmeter individuell. Nach einigem Telefonieren mit meinen Kärntner Energieversorger wurde mir der Key-Code per Mail zugesandt. Im nächsten Schritt testete ich mit einem USB-UART Adapter an einem PC, ob bei korrekter Beschaltung der Schnittstelle auch wirklich Daten aus dem Zähler herauskommen. Dazu habe ich einen RJ11 Stecker auf ein geeignetes 6pol. Kabel gekrimpt und das offene Ende des Kabels entsprechend des Datenblattes des Zählers beschaltet. Dazu ist nicht besonders viel notwendig. Eine 5V Versorgung muss die Schnittstelle aktivieren, ebenso muss auch die Data Request Leitung an 5V geschaltet werden und schon stehen an der Data Out Leitung die Datenpakete an. Es funktioniert übrigens auch mit einer 3V3 Versorgung. Mit einem Terminalprogramm am PC (ich verwende meist putty oder hterm) kann man die verschlüsselten Daten visualisieren.

Jetzt ging es daran, sich zu überlegen, wie die Daten entschlüsselt und aufbereitet werden. Hierzu findet man mit Netz zwei Ansätze:

* über einen RaspberryPi, mit einer Python-Umgebung und einem Python Skript. Die Skripten übernehmen hier den Empfang und die Entschlüsselung der Daten und stellen sie dann auf unterschiedliche Weise zur weiteren Verarbeitung zur Verfügung

* über einen ESP32. Der ESP ist ebenfalls in der Lage eine 128Bit AES Verschlüsselung zu dekodieren und hat noch reichlich Ressourcen um die Daten aufzubereiten und über WiFi zu versenden. Außerdem ist ein ESP für wenig Geld in ausreichender Stückzahl verfügbar. Also habe ich mich für diese Lösung entschieden. Dazu gibt es auf GitHub ein open source Projekt vom User https://github.com/Andre-Schuiki/esphome_im350  in dem er einen ESP32 IM350 Decoder als Basis für eigene Projekte zur Verfügung stellt. Mit seinen Sourcen erhält man einen Decoder der die Zählerdaten im Sekundentakt ausliest und über die USB UART Programmierschnittstelle und auch via Telnet über WiFi ausgibt. Dieses Sourcen habe ich als Basis verwendet. 

Mein Ziel ist es, die aus dem Smartmeter gewonnenen Daten in MQTT Messages zu verpacken und an meinen MQTT Broker zu senden. Ab da ist es dann ein Einfaches, sie in NodeRed und die HomeMatic CCU zu bekommen und dort zu speichern. Also habe ich den Code angepasst.  Dazu wurde die Wifi Verbindung zum Router auf eine statische IP gesetzt. (sind in settings.h zu definieren). Die ausgelesenen Messwerte, sowie die RSSI der WiFi Verbindung, werden jetzt über MQTT Topics zur Verfügung gestellt. (die IP-Adresse zum Broker ist auch in settings.h zu definieren). Wenn man den Code jetzt kompiliert und auf den ESP jagt, dann sollte er sich in das jeweilige Netzwerk einbuchen. Solange der ESP noch auf einem PC-hängt, kann man über die Programmierschnittstelle und ein Terminal auch gleich überprüfen was er tut. Verbindet man jetzt den RJ11 Stecker mit der Kundenschnittstelle des Zählers, dann solle im Display des Zählers im Sekundentakt das Dreieck über der Beschriftung "KU" blinken. Passiert das, dann sollten auch schon im Terminal die Messwerte stehen (vorausgesetzt man hat den KEY vom EVU nicht vergessen in secrets.h einzugeben). Klappt auch das, dann stellt ein Blick auf den MQTT-Broker (mit z. Bsp.: MQTT-Explorer) sicher, dass die Messages auch ankommen. Jetzt kann der ESP vom PC entfernt werden.

Anschlussbelegung

 

ESP32 im "freifliegenden" Testaufbau

 

Ich habe eine sehr einfache Lösung gewählt und des ESP auf einer Lochrasterplatine befestigt. Das 6polige Kabel zum Smartmeter dort angelötet. Auf der Lochrasterplatte finden dann noch die Pull-Up Widerstände und ein NPN Transistor (BC547 etc.) zum Invertieren der Datenpulse Platz. Die Platine habe ich in einem kleinen Kunststoffkästchen untergebracht, dass jetzt lediglich mit einem Kabel an der Kundenschnittstelle und mit einem USB Kabel an einem USB Steckernetzteil angeschlossen ist.

 

 

Der fertige Aufbau sieht dann (bzw. zurzeit) so aus. Die Daten landen im MQTT Broker und NodeRed visualisiert sie und schickt sie auch zur HomeMatic CCU.

so kommen die Daten im MQTT Broker an

 
und können zum Beispiel so in NodeRed verarbeitet werden


wenn jemand an den angepassten Skripten interessiert ist, kann ich die gerne zusenden. Betreffend einer Veröffentlichung auf  GitHub muss ich mich erst informieren welche Lizenzbedingungen betreffend des ursprünglichen Repositorys zu erfüllen sind. Es wird dann hier (public) verfügbar sein:

https://github.com/ingmarsretro/esphome_im350/tree/main/standalone_version_mqtt