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<h1 id="beeiot-v2.0"><a name="beeiot-v2.0" href="#beeiot-v2.0"></a>BeeIoT v2.0</h1><h3 id="eine-bienenstockwaage-im-eigenbau-(mit-iot-technik)"><a name="eine-bienenstockwaage-im-eigenbau-(mit-iot-technik)" href="#eine-bienenstockwaage-im-eigenbau-(mit-iot-technik)"></a>Eine Bienenstockwaage im Eigenbau (mit IoT Technik)</h3><p><em>Auf Basis Espressif ESP32S</em> !</p><p><img src="images_v2/BeeLogFront.jpg" width="250"></p><p><strong>01.10.2019 by Randolph Esser</strong></p><hr class="section"><h2 id="inhaltsverzeichnis:"><a name="inhaltsverzeichnis:" href="#inhaltsverzeichnis:"></a>Inhaltsverzeichnis:</h2><ul>
<li><a href="#einführung">Einführung</a><ul>
<li><a href="#gewichtsschwankungen-pro-tag">Gewichtsschwankungen pro Tag</a></li><li><a href="#gewichtsschwankungen-pro-jahr">Gewichtsschwankung pro Jahr</a></li><li><a href="#ereignisse">Ereignisse</a></li></ul>
</li><li><a href="#das-modul-konzept">Das Modul-Konzept</a></li><li><a href="#iot-für-bienen">IoT für Bienen</a></li><li><a href="#das-finale-beeiot-client-modul">Das finale BeeIoT Client Modul</a></li><li><a href="#die-mcu-arduino-ESP32-platform">Die MCU Arduino/ESP32 Platform</a><ul>
<li><a href="#das-esp32-devkitc-board">Das ESP32-DevKitC Board</a><ul>
<li><a href="#esp32-devkitc-sockel-belegung">ESP32 DevKitC Sockel Belegung</a></li><li><a href="#esp32-gpio-nutzung">ESP32 GPIO Nutzung</a></li></ul>
</li></ul>
</li><li><a href="#die-beeiot-sensorik">Die BeeIoT Sensorik</a><ul>
<li><a href="#die-wägezellen-auswahl">Die Wägezellen Auswahl</a></li><li><a href="#ad-wandler-hx711">AD Wandler HX711</a></li><li><a href="#temperatursensoren">Temperatursensoren</a></li><li><a href="#led-status-anzeige">LED-Status Anzeige</a></li><li><a href="#spi-devices">SPI Devices</a><ul>
<li><a href="#micro-sdcard-modul">Micro-SDCard Modul</a></li><li><a href="#lora-wan-support">LoRa WAN Support</a></li><li><a href="#narrowband-iot">NarrowBand-IoT</a></li><li><a href="#rtc-uhrzeit-modul">RTC Uhrzeit-Modul</a></li></ul>
</li></ul>
</li><li><a href="#power-management">Power Management</a><ul>
<li><a href="#externer-usb-port">Externer USB Port</a></li><li><a href="#batterie-akku">Batterie/Akku</a></li><li><a href="#power-monitoring">Power Monitoring</a></li><li><a href="#pv-solar-modul">PV Solar-Modul</a></li><li><a href="#alternativer-batterie-laderegler">Alternativer Batterie Laderegler</a></li></ul>
</li><li><p><a href="#der-aufbau">Der Aufbau</a></p>
<ul>
<li><a href="#stückliste">Stückliste</a></li><li><a href="#das-aussengehäuse">Das Aussengehäuse</a><ul>
<li><a href="#die-bosche-wägezelle">Die Bosche Wägezelle</a></li><li><a href="#das-anschluss-panel">Das Anschluss Panel</a><ul>
<li><a href="#one-wire-sonsoren">One Wire Sensoren</a></li><li><a href="#der-ds18b20-ow-temperatur-sensor">Der DS18B20 OW-Temperatur-Sensor</a></li></ul>
</li></ul>
</li><li><a href="#compute-node-box">Compute Node Box</a></li><li><a href="#steckverbinder">Steckverbinder</a></li></ul>
</li><li><p><a href="#die-esp32-beeiot-sketch-software">Die ESP32 BeeIoT Sketch Software</a></p>
<ul>
<li><a href="#esp32-vorbereitungen">ESP32 Vorbereitungen</a></li><li><a href="#esp32-ide">ESP32 IDE</a><ul>
<li><a href="#platformio">PlatformIO</a></li><li><a href="esp32-sensor-libraries-+-build">ESP32 Sensor Libraries + build</a></li></ul>
</li><li><a href="#die-client-programm-struktur">Die Client Programm Struktur</a><ul>
<li><a href="setup-phase">Setup Phase</a></li><li><a href="loop-phase">Loop Phase</a></li><li><a href="#sensorDaten-übertragungsformat">SensorDaten Übertragungsformat</a></li></ul>
</li><li><a href="#kalibrierung-der-waage">Kalibrierung der Waage</a></li><li><a href="#optional:-webui-daten-service">Optional: WebUI Daten Service</a></li></ul>
</li><li><a href="#webui-todo---liste">WebUI ToDo - Liste</a></li><li><a href="#ideen-liste">Ideen Liste</a></li><li><a href="#todo:-optional-hw-module">ToDo: Optional HW Module</a><ul>
<li><a href="#nutzung-einer-sim-karte">Nutzung einer SIM-Karte</a></li></ul>
</li><li><a href="#quellen/links">Quellen/Links</a><ul>
<li><a href="#marktübersicht-professioneller-bienenstockwaagen">Marktübersicht professioneller Bienenstockwaagen</a><!-- toc -->
</li></ul>
</li></ul><hr class="section"><h2 id="einführung"><a name="einführung" href="#einführung"></a>Einführung</h2><p>Wie oft wünscht man sich als Imker, vor dem Standbesuch, zu wissen in welchem Zustand das Volk sich befindet, bevor man es öffnet. Dabei liegen die Vorteile auf der Hand:</p><ul>
<li>Maßnahmen können vorher zeitlich eingeplant werden</li><li>Benötigtes Material kann für den Standbesuch vorbereitet werden</li><li>Die Behandlungszeit bei offener Beute kann ggfs. kürzer ausfallen, wenn sich die Mess-Annahme bestätigt</li></ul><p>Interessante Parameter zum Bienen-Monitoring, die einem dabei behilflich sein können sind</p><ul>
<li><strong>Der Beuten-Gewichtsverlauf</strong>:<ul>
<li>Honigverbrauch im Winter</li><li>Honigvorräte im Frühjahr (bis Trachtbeginn)</li><li>Anzeige von Honigverlust durch Räuberei in trachtarmer Zeit</li><li>Honigeintrag zur Haupt-Trachtzeit</li><li>Bedarf weiterer Honigräume</li><li>Zeitpunkt für Honigernte (Trachtende) bestimmen</li></ul>
</li><li><strong>Die Stocktemperatur</strong><ul>
<li>Temperaturverlauf im Bienenstock (Tag/Nacht) im Vergleich zur Aussentemperatur<br> -> Anzeichen für die Aktivität des Volkes (besonders im Winter)</li><li>Beginn der Brutzeit durch Messung der Temperatur im Brutnest (>30° C)</li><li>Warnung bei Überhitzung des Bienenstocks (Gefahr für Brut und schweren Honigwaben)</li><li>Temperatur der Wintertraube (15-25 C) überwachen</li><li>Brutfreiheit für MS (Milchsäure) oder OS (Oxalsäure) Behandlung</li></ul>
</li><li><strong>Fluglochaktivität</strong> durch<ul>
<li>Lichtschranke am Nesteingang<ul>
<li>Räubereialarm (Kämpfe am Nesteingang)</li><li>Schwarmalarm bei viel Aktivität am Nesteingang in sehr kurzer Zeit (30Min.) korrespondierend mit spontanem Gewichtsverlust (Delta: ca. 1,5 kg)</li></ul>
</li></ul>
</li><li><strong>Örtliche Wetterdaten</strong></li></ul><p>Das Ziel wäre dann aus diesen Daten Schlussfolgerungen für den nächsten Standbesuch zu ziehen oder die Wirkung letzter Massnahmen zu verfolgen:</p><ul>
<li><strong>Futterzustand</strong> von Einwinterung E9 bis zur Auswinterung im Frühjahr A4</li><li><strong>Brut-Aktivität</strong> durch ganzjährigen Temperaturverlauf im Bienenstock<ul>
<li>Brutende zum Jahresende -> Möglichkeit zur Varroabehandlung</li><li>Brutbeginn zum Jahresanfang -> “Bee-Alive” Status des Volkes</li></ul>
</li><li><strong>Honigeintrag</strong> und Trachtende zu den jeweiligen Trachtphasen</li><li><strong>Schwarmabgang</strong> („bei dem Event weiss ich, ich war zu spät“)</li></ul><p>Weitere optionale Sensor-Module:</p><ul>
<li>Mit der <em>Infra-Rot Kamera</em> von außen auf die Gesamtbeute gerichtet:<br>Liefert Hinweise auf den Bienensitz, und die Populationsaktivität im Winter</li><li>Mit dem <em>Fluglochzähler</em>: Flugaktivität am Flugloch</li></ul><p>Um die anfallenden Sensordaten auswerten zu können muss ein gewisses <em>Referenz-Verhalten</em> an jedem Sensor angenommen werden um Abweichungen/Fehlmessungen zu erkennen (<mark> Anomalie-Erkennung </mark>).<br>So gibt es allgemeine Gewichtsverläufe über das ganze Jahr hinweg, aber auch innerhalb eines Tages, die man recht gut bestimmten Volks-Zuständen zuordnen kann:</p><h3 id="gewichtsschwankungen-pro-tag"><a name="gewichtsschwankungen-pro-tag" href="#gewichtsschwankungen-pro-tag"></a>Gewichtsschwankungen pro Tag</h3><p>Hier nun ein idealisierter qualitativer Gewichtsverlauf eines sonnigen Sommertages (=Flugwetter):</p><p><img src="images_v2/WeightDayChart.jpg"></p><p>Der Tag beginnt mit dem Ausflug der Bienen (ca. 1-2kg). Da eine Biene etwa 0.1 Gramm wiegt und ca. 10-15.000 Flugbienen möglich sind ergibt sich somit ein Delta von 1-1,5kg. Diese kehren in den folgenden Stunden immer wieder mit Honig, Pollen und Wasser zurück, so dass das Gewicht kontinuierlich steigt.<br>Bis zum Sonnenuntergang ist die „Rückkehr“ der Sammlerinnen abgeschlossen und die Honigtrocknung durch die Stockbienen beginnt (begünstigt durch die kühleren Nachttemperaturen).<br>Das Delta stellt den Tageseintrag dar.</p><h3 id="gewichtsschwankung-pro-jahr"><a name="gewichtsschwankung-pro-jahr" href="#gewichtsschwankung-pro-jahr"></a>Gewichtsschwankung pro Jahr</h3><p>Über das Jahr wirken die verschiedenen Maßnahmen an den Völkern auf die Gewichtskurve ein und lassen ggfs. Erfolg (z.B. Honigeintrag) oder Misserfolg (z.B. keine Futterannahme) kontrollieren.</p><p><img src="images_v2/WeightYearChart.jpg"><br>Natürlich ist der Verlauf stark von den individuellen Behandlungs-Konzepten des Imkers abhängig, weshalb in den Stockwaagendiagrammen an jedem Änderungspunkt die entsprechende Massnahme markiert ist, um den Kurvenverlauf besser interpretieren zu können. So würde eine totale Brutentnahme im Sommer nach der letzten Schleuderung einen deutlich anderen Spätsommerverlauf haben; ebenso eine 3. Schleuderung bei Spättracht-Imkerei.</p><p>Spätestens bei der letzten Einfütterung und Einwinterung sind aber wieder alle Verläufe gleich zu erwarten.<br>Der tageweise Honigeintrag der Früh- und Sommertracht ist, wie aus dem oben dargestellten Tagesverlauf abgeleitet, durch den Treppenverlauf markant zu erkennen.</p><p>Ebenso auffällig sind die Ruhephasen eines Volkes nach/während der AS Behandlung. Diese werden aber teilweise durch die allgemeine Volksumstellung auf Winterbrut überlagert.</p><h3 id="ereignisse"><a name="ereignisse" href="#ereignisse"></a>Ereignisse</h3><p>Sonderereignisse wie</p><ul>
<li>Schwarmabgang</li><li>Schneefall</li><li>Plünderung/Diebstahl (:()</li><li>Ggfs. Räuberei</li></ul><p>sind in Abweichung zu den erwarteten Referenzverläufen ebenfalls unter Berücksichtigung der akt. Wetterlage erkennbar.</p><p>In der Regel reicht die Stockwaage nur an einem Referenzvolk pro Standort um Globalereignisse wie der richtige Schleuderzeitpunkt für alle Völker am Trachtende zu ermitteln.</p><p>Im Weiteren stelle ich nun die Funktionen der Stockwaagemodule vor.</p><h2 id="das-modul-konzept"><a name="das-modul-konzept" href="#das-modul-konzept"></a>Das Modul-Konzept</h2><p>Dieser Aufbauvorschlag besteht im Kern als Mini-Compute Node aus einem Raspberry Pi für den Ablauf das Logger Programms, einer (!) Bosche Wägezelle zur Gewichtsmessung und diverse OneWire Sensoren für verschiedene Temperaturmessungen sowie weiterem Mess-Zubehör.</p><p>Der Compute Node wird über einen Mini-USB Port mit Strom versorgt und mit FW Updates versorgt.<br>Optional kann über ein LAN Kabel die Kommunikation betrieben werden und über POE (Power over Ethernet) eine weitere Stromquelle erschlossen werden.<br>Im weiteren kann die Kommunikation über die Protokolle WiFi, BLE, GPRS betrieben werden.</p><p>Als redundante Stromquelle zum USB Port dient eine Lithium-Batteriespeisung mit Aufladung einerseits über POE oder alternativ über ein externes PV Falt-Modul. Letzteres wird für mobileren Einsatz benötigt.</p><p>Die Messdaten werden über alle Sensoren erhoben, in Datentabellen auf der SD-Karte abgespeichert und per NB-IoT/WiFi per MQTT/FTP zur Darstellung und/oder Auswertung z.B. an eine extern hosted Web Page übertragen.<br>Parallel zu dieser externen Ablage stehen die Webpage files auch über den lokalen Webserver des Raspberry als Edge Server selbst zur Verfügung.<br>Neben der einfachen Messdatensammlung dienen diverse Algorithmen auf dem Edge Server zur Plausibilisierung der Messwerte und statistischer Aufbereitung für das Tages-, Wochen- und Monats-Mittel, welche damit ebenfalls als Diagramm aufbereitet dargestellt werden können. Der ESP32 liefert “nur” die rohen Messwertdaten.</p><p><img src="images_v2/BeeLogConcept.jpg"></p><h2 id="iot-für-bienen"><a name="iot-für-bienen" href="#iot-für-bienen"></a>IoT für Bienen</h2><p>Der obige Fat-Client Ansatz dient als POC - ProofOfConcept für alle Sensor-Algorithmen und grundsätzliche (Ver-) Messbarkeit von Vorgängen in einer Bienenbeute.</p><p>Deutlich eleganter und damit skalierbarer ist der Modulstack im IoT Aufbau:</p><p><img src="images_v2/BeeIoT_Concept.jpg"></p><p>Die eigentliche Aufgabe der Sensorsteuerung und Roh-Messdatenaufnahme kann auch mit einer Arduino kompatiblen MCU (ESP32, XMC, …) geleistet werden:</p><p><strong>Vorteil:</strong></p><ul>
<li>geringerer Stromverbrauch pro Sensorclient Modul</li><li>geringere Invest-Kosten</li><li>übersichtlichere Programmstruktur durch entzerrten Modulstack</li><li>Skalierbarkeit durch standardisierte Schnittstellen<ul>
<li>-> eine gesicherte Übertragung ist leichter realisierbar</li></ul>
</li><li>Dadurch sind nahezu beliebig viele Sensor Clients in Reichweite verwaltbar.</li></ul><p><strong>Nachteil:</strong></p><ul>
<li>eine weitere Instanz zur Datenaufnahme</li><li>Mindestens 2 neue zu sichernde remote Kommunikationskanäle (NB-IOT/LTE + REST/Cloud service)</li><li>Dadurch höhere Kosten für mehr Remote Übertragungswege (-Verträge)</li></ul><p>Grundsätzlich dient das Edge Device zur Registrierung und Kontaktierung der Sensor Clients via MQTT. Dabei findet eine Konsolidierung der Rohdaten auf das wesentliche zur Übertragung an einen Cloud-/Web Service statt.<br>Erste Plausibilitätschecks und Tag-/Monat-/Jahres-Statistiken können ebenfalls erstellt werden.<br>Denn dafür reicht die Power eines Raspi Zero o.ä. bei Weitem.</p><p>Dies als Ausblick für die noch im Bau befindliche v2.0 Verion. Die Sensorlogik und Dateninterpretation zur Völksführung ist aber weitgehend synonym zur v1.x Version.</p><h2 id="das-finale-beeiot-client-modul"><a name="das-finale-beeiot-client-modul" href="#das-finale-beeiot-client-modul"></a>Das finale BeeIoT Client Modul</h2><p>Nachdem nun die funktionalen Anforderungen klarer umrissen sind, geht es an die Modulplanung:</p><p><img src="images_v2/BeeIoT_Client_Moduleplan.jpg"></p><p>Das vollständige Übersichtsbild der Stockwaagenmodule zeigt die Vielfalt der verwendeten Techniken, aber auch das Potential in Sachen Spannungsversorgung und Sensorik:</p><p>Folgende Funktionen wollen wir unterbringen:</p><ul>
<li>Spannungsversorgung<ul>
<li>Für das MCU Extension board:<ul>
<li>Interner Lithium Akku (Laufzeit 6 Monate) mit Ladekontrollmodul (BMS)<ul>
<li>über einen Spannungsanheber/Senker (BUKBooster) mit 5V zur internen USB Buchse der MCU</li><li>Akku von Extern ladbar via 5V USB Buchse, über die aber auch FW udate betrieben werden kann</li></ul>
</li></ul>
</li><li>PV Modulanschluss extern -> ebenfalls über den externen 5V USB Anschluss möglich zur Verlängerung der Akkulaufzeit</li><li>Optional: POE via RJ45 LAN-Hat mit POE/LAN Splitter</li></ul>
</li><li>Kommunikation<ul>
<li>Übertragung aller Sensordaten alle 10 Minuten um auch “Bienen-Events” mitzukriegen</li><li>lokal via externen USB auf internen USB/Ser. Adapter Port der MCU</li><li>WiFI support mit HTTP Web Service zur Startup Configuration</li><li>LoRaWAN Kommunikation mit Gateway (bis zu 7km Radius)</li><li>optional: Bluetooth (BLE)</li><li>Optional: NB-IOT via SIM7000E GPRS Modul</li></ul>
</li><li>Sensorik<ul>
<li>100kg Wägezelle über einen 24bit A/D Wandler Modul HX711(am Raspi GPIO Port Anschluss)</li><li>OneWire Temperatursensor 12bit intern an der Wägezelle (zur temp. Kalibrierung)</li><li>OneWire Temperatursensor 12bit extern</li><li>OneWire Temperatursensor 12bit extern für Stocktemperatur Messung (über 1m Leitung)</li></ul>
</li><li>Optionale Erweiterung<ul>
<li>USB GPS Maus (als Diebstahlschutz)</li><li>IR Kameramodul extern (USB oder I2C Port Anschluss)</li><li>IR Lichtschranke als Fluglochzähler (beecounter)</li></ul>
</li></ul><p>Daraus ergeben sich spezielle technische Anforderungen an jedes modul bezüglich Stromverbrauch, benötigte Schnittstellen und lokale/remote Erreichbarkeit, die wir weiter unten noch zu diskutieren haben.</p><h2 id="die-mcu-arduino/esp32-platform"><a name="die-mcu-arduino/esp32-platform" href="#die-mcu-arduino/esp32-platform"></a>Die MCU Arduino/ESP32 Platform</h2><p>Um bis zu 6 Monat Laufzeit zu erreichen darf man bei einem 10.000mAh Akku nur im Mittel 2.3mA verbrauchen (10.000/4320). Das schafft man bei so vielen Sensoren/Modulen aber nicht im Dauerlaufzustand, sondern nur indem man Sleep Phasen einschiebt.</p><p><em>Dazu folgende Rechnung:</em><br>Unter der Annahme man benötigt für die Ermittlung der Sensordaten inkl. Übertragung z.B 10 Sekunden,<br>Wäre das Verhältnis aktiver Betriebszeit zu Sleep Phase: 10/(6<em>30</em>24<em>60</em>60)=1/1.555.200.<br>Würde man in der SleepPhase aber unter 1mA kommen hätte man für die Betriebsphase über die gesamte Laufzeit noch zur Verfügung:</p><ul>
<li>Anteil Aktivphase: 10 Sek./10Minuten: 1/60</li><li>auf 6 Monate entspricht das (6<em>30</em>24)h/60 = 72h = 3Tage Aktivphase</li><li>=> 4320-3 Tage Passivphase = 4317 Tage</li><li>Stromverbrauch Passivphase: 4317 * 1mAh = 4317mAh von 10.000mAh.</li><li>Möglicher <strong>Stromverbrauch Aktivphase</strong>: (10.000mAh - 4317mAh)/72h = 5683mAh / 72h = <strong>~80mA</strong></li></ul><p>Bezüglich Stromverbrauch kommt unterhalb des RaspberryPi Zero, der i.d.Regel >150mA liegt nur noch die Arduino Klasse in Frage, mit seinen bekannten Vertretern UNO 8266 und ESP32 von Espressif:</p><h3 id="das-esp32-devkitc-board"><a name="das-esp32-devkitc-board" href="#das-esp32-devkitc-board"></a>Das ESP32-DevKitC Board</h3><p>Als kompakteste MCU Variante mit sehr niedrigem Stromverbrauch, grosser Anzahl GPIO Ports und weitverbreiteter Sensor-Unterstützung kommt hier der Arduino kompatible ESP32 in Form des ESP32-DevKitC zum Einsatz.</p><p>Der ESP32 unterstützt folgende APIs:</p><ul>
<li>3x UART (RS232, RS485 und auch IrDA)</li><li>4x SPI (SPI0/1 for RD/WR flash Cache only; HSPI and VSPI free in Master/Slave Mode)</li><li>2x I2C (Std: 100 KBit/s und Fast-Mode (400 KBit/s))<ul>
<li>2x GPIO ports - SW konfigurierte IO pins via <em>i2c_param_config()</em></li></ul>
</li><li>1x CAN Bus v2.0</li><li>18x 12bit AD Converter</li><li>2x 8bit DA Converter</li><li>1x HW-PWM</li><li>16x SW-PWM</li><li>1x IR Controller</li><li>4x 64bit Timer</li><li>1x int. HALL sensor</li><li>1x int. Temperatur Sensor (40-125 Grad F.)</li><li>Secure Boot Mode -> erlaubt das <em>Root of Trust</em> Konzept durch den “eFuse Speicher”.</li></ul><p>Zwar zeichnet sich ein Arduino 8266/UNO durch geringeren Stromverbrauch aus, der ESP32 hat aber mehr GPIO Leitungen, die wir dringend für alle verwendeten Module benötigen.</p><p>Hier kommt nur die standardmäßig verbaute <strong>Wroom32</strong> Version des ESP32 zum Einsatz.<br>Die größere Variante <strong>Wrover-B</strong> hat 2 GPIo Leitung weniger, nd ist im aktuellen Board design nicht verwendbar.</p><p><img src="images_v2/ESP32_WROOM-32D.jpg"> ==> <img src="images_v2/ESP32_Wrover-B_2.jpg"></p><p>Das ergibt die genaue Modul-Bezeichnung: <strong>ESP32-DevKitC-Wroom32 V4</strong>.</p><p>Der <strong>Wrover-B</strong> hat allerdings neben dem 4MB Flash Memory auch einen zusätlichen 8-16MB PSRam Bereich, indem wir temporär anfallende residente Sensordaten ablegen/puffern könnten.</p><p>Die Variante DevKit-C bringt bereits einige wichtige Betriebsfunktionen mit sich und ist durch ihr Standardsockelformat leichter auf ein 2,4” Lochrasterboard zu löten.<br>OnBoard findet sich auch bereits eine Bluetooth (4.2 + BLE) und WiFI (IEE 802.11 b/g/n) Unterstützung mit onboard Antenne. Zur Reichweitenvergrößerung ist bei manchen Ausführungen ein weiterer Antennen-Stecker vorhanden, an den eine zusätzliche externe WiFI Antenne angeschlossen werden kann.</p><h4 id="esp32-devkitc-wroom32-sockel-belegung"><a name="esp32-devkitc-wroom32-sockel-belegung" href="#esp32-devkitc-wroom32-sockel-belegung"></a>ESP32 DevKitC-Wroom32 Sockel Belegung</h4><p>Zunächst das Standard-Pinning und die Default-Functional Overlays des DevKit C boards, wie sie durch den Microcode bei Power-ON voreingestellt sind:</p><table>
<thead>
<tr>
<th></th>
<th></th>
<th></th>
<th></th>
<th>PIN</th>
<th>*</th>
<th>PIN</th>
<th></th>
<th></th>
<th></th>
<th></th>
</tr>
</thead>
<tbody>
<tr>
<td></td>
<td></td>
<td></td>
<td>3.3V</td>
<td>1</td>
<td>*</td>
<td>38</td>
<td>GND</td>
<td></td>
<td></td>
<td></td>
</tr>
<tr>
<td>SW2</td>
<td></td>
<td></td>
<td>EN</td>
<td>2</td>
<td>*</td>
<td>37</td>
<td>IO23</td>
<td>GPIO23</td>
<td>VSPI-MOSI</td>
<td></td>
</tr>
<tr>
<td>Sens-VP</td>
<td>ADC1-0</td>
<td>GPIO36</td>
<td>SP</td>
<td>3</td>
<td>*</td>
<td>36</td>
<td>IO22</td>
<td>GPIO22</td>
<td>I2C-SCL</td>
<td>->Wire</td>
</tr>
<tr>
<td>Sens-VN</td>
<td>ADC1-3</td>
<td>GPIO39</td>
<td>SN</td>
<td>4</td>
<td>*</td>
<td>35</td>
<td>TXD</td>
<td>GPIO01</td>
<td>UART0-TXD</td>
<td>->USB</td>
</tr>
<tr>
<td></td>
<td>ADC1-6</td>
<td>GPIO34</td>
<td>IO34</td>
<td>5</td>
<td>*</td>
<td>34</td>
<td>RXD</td>
<td>GPIO03</td>
<td>UART0-RXD</td>
<td>->USB</td>
</tr>
<tr>
<td></td>
<td>ADC1-7</td>
<td>GPIO35</td>
<td>IO05</td>
<td>6</td>
<td>*</td>
<td>33</td>
<td>IO21</td>
<td>GPIO21</td>
<td>I2C-SDA</td>
<td>->Wire</td>
</tr>
<tr>
<td>XTAL32</td>
<td>ADC1-4</td>
<td>GPIO32</td>
<td>IO32</td>
<td>7</td>
<td>*</td>
<td>32</td>
<td>GND</td>
<td></td>
<td></td>
<td></td>
</tr>
<tr>
<td>XTAL32</td>
<td>ADC1-5</td>
<td>GPIO33</td>
<td>IO33</td>
<td>8</td>
<td>*</td>
<td>31</td>
<td>IO19</td>
<td>GPIO19</td>
<td>VSPI-MISO</td>
<td></td>
</tr>
<tr>
<td>DAC1</td>
<td>ADC2-8</td>
<td>GPIO25</td>
<td>IO25</td>
<td>9</td>
<td>*</td>
<td>30</td>
<td>IO18</td>
<td>GPIO18</td>
<td>VSPI-SCK</td>
<td>U0-CTS</td>
</tr>
<tr>
<td>DAC2</td>
<td>ADC2-9</td>
<td>GPIO26</td>
<td>IO26</td>
<td>10</td>
<td>*</td>
<td>29</td>
<td>IO05</td>
<td>GPIO05</td>
<td>VSPI-SS</td>
<td></td>
</tr>
<tr>
<td></td>
<td>ADC2-7</td>
<td>GPIO27</td>
<td>IO27</td>
<td>11</td>
<td>*</td>
<td>28</td>
<td>IO17</td>
<td>GPIO17</td>
<td>UART2-TXD</td>
<td></td>
</tr>
<tr>
<td>HSPI-SCK</td>
<td>ADC2-6</td>
<td>GPIO14</td>
<td>IO14</td>
<td>12</td>
<td>*</td>
<td>27</td>
<td>IO16</td>
<td>GPIO16</td>
<td>UART2-RXD</td>
<td></td>
</tr>
<tr>
<td>HSPI-MISO</td>
<td>ADC2-5</td>
<td>GPIO12</td>
<td>IO12</td>
<td>13</td>
<td>*</td>
<td>26</td>
<td>IO04</td>
<td>GPIO04</td>
<td>HSPI-4HD</td>
<td>ADC2-0</td>
</tr>
<tr>
<td></td>
<td></td>
<td></td>
<td>GND</td>
<td>14</td>
<td>*</td>
<td>25</td>
<td>IO00</td>
<td>GPIO00</td>
<td>SW1</td>
<td>ADC2-1</td>
</tr>
<tr>
<td>HSPI-MOSI</td>
<td>ADC2-4</td>
<td>GPIO13</td>
<td>IO13</td>
<td>15</td>
<td>*</td>
<td>24</td>
<td>IO02</td>
<td>GPIO02</td>
<td>HSPI-4WP</td>
<td>ADC2-2</td>
</tr>
<tr>
<td>U1-RXD</td>
<td>FLASH-D2</td>
<td>GPIO09</td>
<td>SD2</td>
<td>16</td>
<td>*</td>
<td>23</td>
<td>IO15</td>
<td>GPIO15</td>
<td>HSPI-SS</td>
<td>ADC2-3</td>
</tr>
<tr>
<td>U1-TXD</td>
<td>FLASH-D3</td>
<td>GPIO10</td>
<td>SD3</td>
<td>17</td>
<td>*</td>
<td>22</td>
<td>SD1</td>
<td>GPIO08</td>
<td>FLASH D1</td>
<td>U2-CTS</td>
</tr>
<tr>
<td>U1-RTS</td>
<td>FLASH-CMD</td>
<td>GPIO11</td>
<td>CMD</td>
<td>18</td>
<td>*</td>
<td>21</td>
<td>SD0</td>
<td>GPIO07</td>
<td>FLASH D0</td>
<td>U2-RTS</td>
</tr>
<tr>
<td></td>
<td></td>
<td>Vin</td>
<td>+5V</td>
<td>19</td>
<td>*</td>
<td>20</td>
<td>CLK</td>
<td>GPIO06</td>
<td>FLASH CLK</td>
<td>U1-CTS</td>
</tr>
</tbody>
</table><p><strong>Pinning durch IDE board pre-selection = “esp32dev” für ESP32 DevKit-C boards V4 </strong></p><p>Welche default Einstellung pro Board bei der IDE gilt kann man bei Platformio z.B. hier finden:<br>C:\Users\’benutzername’.platformio\packages\framework-arduinoespressif32\variants\’boardtype’\pins_arduino.h</p><p>Als nächstes macht man sich auf die Suche nach geeigneten GPIO Control Leitungen, die mit ihren Eigenschaften der angeschlossenen Funktion für den Modulanschluss entsprechen müssen. Manche GPIO Leitungen sind, anders als bei einem reinen ESP32 Modul bereits durch onboard Funktionen des DevKitC Boards belegt. Dies muss aber kein Nachteil sein, weil die Funktionen ja auch benötigt werden:</p><p>Geflasht wird der ESP32 über die onboard USB-A Buchse die auch gleichzeitig zur 5V Stromversorgung des DevKitC Boards verwendet wird (standard). Onboard wird dann die 3.3V Leitung für die ESP32 MCU über einen internen DC/DC Wandler AMS1117-3.3 von Microship erzeugt, der max. 1A durchsetzen kann.<br>Zur USB/Ser.Kommunikation sind daher die Leitungen GPIO 1+3 (RX+TX)belegt.</p><p>Ein besonderes Augenmerk ist bei den Logikanschlüssen auf die richtige Logiklevel Nutzung bei unterschiedlich verwendeten Stromversorgungen der Sensormodule aufzubringen, wie sich später noch zeigen wird…(s. Micro SD-Card Modul)</p><p><strong>Hinweis: Der ESP32 selbst und alle GPIO-Anschlüsse arbeiten ausschliesslich mit 3.3V.</strong></p><p>Für den Flash-MM Anschluss werden GPIO6-11 onboard verwendet und stehen für unser Projekt daher nicht zur Verfügung. Auch die Leitungen EN(Boot-Button) und GPIO36(SP) + 39(SN) sind bereits belegt.<br>GPIO-00 wird per DevKitC FW als Reset Interrupt ausgewertet.</p><p>Über ein USB Kabel an einen Windows PC angeschlossen, zeigt sich der “Onboard USB to serial Converter” CP2102N im Windows Device Manager als:<br><img src="images_v2/ESP32_COMPort.jpg"></p><p>Über dieses COM device ist er auch für IDEs wie die <em>Arduino-IDF</em> (<a href="https://github.com/espressif/esp-idf">https://github.com/espressif/esp-idf</a>) oder <em>VC-Platform-IO</em> erreichbar. Eine COM Port Erkennung findet zumindest bei PlatformIO automatisch statt.</p><p>Auf einem Linux System nennt sich das USB Converter Device: <em>/dev/ttyUSB0</em>.</p><p>Als Standard Baudrate sollte man es erstmal mit 115200 versuchen.<br>Der USB/UART Converter CP2102 schafft aber max. 921600 Baud rate.</p><h4 id="esp32-gpio-nutzung"><a name="esp32-gpio-nutzung" href="#esp32-gpio-nutzung"></a>ESP32 GPIO Nutzung</h4><p>Und nun konkret die gewählte GPIO-Belegung der ESP32 DevKitC Sockel-Pins für das BeeIoT Projekt:<br>(gilt nur für WROOM32D Module)</p><table>
<thead>
<tr>
<th>Pin</th>
<th>Ref.</th>
<th>IO#</th>
<th>DevKitC</th>
<th></th>
<th>Protocol</th>
<th>Components</th>
</tr>
</thead>
<tbody>
<tr>
<td>1</td>
<td>+3.3V</td>
<td></td>
<td></td>
<td></td>
<td>+3.3V</td>
<td>3.3V</td>
</tr>
<tr>
<td>2</td>
<td>EN</td>
<td></td>
<td>SW2</td>
<td></td>
<td></td>
<td>ePaper-Key2</td>
</tr>
<tr>
<td>3</td>
<td>* SVP</td>
<td>GPIO36</td>
<td>Sens-VP</td>
<td>ADC1-0</td>
<td>-</td>
<td>x</td>
</tr>
<tr>
<td>4</td>
<td>* SVN</td>
<td>GPIO39</td>
<td>Sens-VN</td>
<td>ADC1-3</td>
<td>-</td>
<td>x</td>
</tr>
<tr>
<td>5</td>
<td>* IO34</td>
<td>GPIO34</td>
<td></td>
<td>ADC1-6</td>
<td></td>
<td>ePD-K3/LoRa DIO2</td>
</tr>
<tr>
<td>6</td>
<td>* IO35</td>
<td>GPIO35</td>
<td></td>
<td>ADC1-7</td>
<td></td>
<td>ePaper-Key4</td>
</tr>
<tr>
<td>7</td>
<td>IO32</td>
<td>GPIO32</td>
<td>XTAL32</td>
<td>ADC1-4</td>
<td>OneWire-SD</td>
<td>DS18B20(3x)</td>
</tr>
<tr>
<td>8</td>
<td>IO33</td>
<td>GPIO33</td>
<td>XTAL32</td>
<td>ADC1-5</td>
<td></td>
<td>LoRa DIO0</td>
</tr>
<tr>
<td>9</td>
<td>IO25</td>
<td>GPIO25</td>
<td>DAC1</td>
<td>ADC2-8</td>
<td>Wire-DT</td>
<td>HX711-DT</td>
</tr>
<tr>
<td>10</td>
<td>IO26</td>
<td>GPIO26</td>
<td>DAC2</td>
<td>ADC2-9</td>
<td>Wire-Clk</td>
<td>HX711-SCK</td>
</tr>
<tr>
<td>11</td>
<td>IO27</td>
<td>GPIO27</td>
<td></td>
<td>ADC2-7</td>
<td>ADS-Alert</td>
<td>ADS1115/BMS</td>
</tr>
<tr>
<td>12</td>
<td>IO14</td>
<td>GPIO14</td>
<td>HSPI-CLK</td>
<td>ADC2-6</td>
<td>Status-LED</td>
<td>LoRa RST</td>
</tr>
<tr>
<td>13</td>
<td>IO12</td>
<td>GPIO12</td>
<td>HSPI-MISO</td>
<td>ADC2-5</td>
<td>SPI1-MISO</td>
<td>LoRa CS\</td>
</tr>
<tr>
<td>14</td>
<td>GND</td>
<td></td>
<td></td>
<td></td>
<td>GND</td>
<td>GND</td>
</tr>
<tr>
<td>15</td>
<td>IO13</td>
<td>GPIO13</td>
<td>HSPI-MOSI</td>
<td>ADC2-4</td>
<td>SPI1-MOSI</td>
<td>LoRa DIO1</td>
</tr>
<tr>
<td>16</td>
<td>SD2</td>
<td>GPIO09</td>
<td>FLASH-D2</td>
<td>U1-RXD</td>
<td>-</td>
<td>x</td>
</tr>
<tr>
<td>17</td>
<td>SD3</td>
<td>GPIO10</td>
<td>FLASH-D3</td>
<td>U1-TXD</td>
<td>-</td>
<td>x</td>
</tr>
<tr>
<td>18</td>
<td>CMD</td>
<td>GPIO11</td>
<td>FLASH-CMD</td>
<td>U1-RTS</td>
<td>-</td>
<td>x</td>
</tr>
<tr>
<td>19</td>
<td>+5V</td>
<td></td>
<td></td>
<td></td>
<td>+5V_Ext</td>
<td>n.a</td>
</tr>
<tr>
<td>20</td>
<td>CLK</td>
<td>GPIO06</td>
<td>FLASH-CLK</td>
<td>U1-CTS</td>
<td>-</td>
<td>x</td>
</tr>
<tr>
<td>21</td>
<td>SD0</td>
<td>GPIO07</td>
<td>FLASH-D0</td>
<td>U2-RTS</td>
<td>-</td>
<td>x</td>
</tr>
<tr>
<td>22</td>
<td>SD1</td>
<td>GPIO08</td>
<td>FLASH-D1</td>
<td>U2-CTS</td>
<td>-</td>
<td>x</td>
</tr>
<tr>
<td>23</td>
<td>IO15</td>
<td>GPIO15</td>
<td>HSPI-SS</td>
<td>ADC2-3</td>
<td>MonLED-red</td>
<td>Red LED</td>
</tr>
<tr>
<td>24</td>
<td>IO02</td>
<td>GPIO02</td>
<td>HSPI-4WP</td>
<td>ADC2-2</td>
<td>SPI-CS</td>
<td>SDcard CS\</td>
</tr>
<tr>
<td>25</td>
<td>IO00</td>
<td>GPIO00</td>
<td>SW1</td>
<td>ADC2-1</td>
<td></td>
<td>ePaper-Key1</td>
</tr>
<tr>
<td>26</td>
<td>IO04</td>
<td>GPIO04</td>
<td>HSPI-4HD</td>
<td>ADC2-0</td>
<td>CLK</td>
<td>ePaper BUSY</td>
</tr>
<tr>
<td>27</td>
<td>IO16</td>
<td>GPIO16</td>
<td>UART2-RXD</td>
<td></td>
<td>DT</td>
<td>ePaper RST</td>
</tr>
<tr>
<td>28</td>
<td>IO17</td>
<td>GPIO17</td>
<td>UART2-TXD</td>
<td></td>
<td></td>
<td>ePaper D/C</td>
</tr>
<tr>
<td>29</td>
<td>IO05</td>
<td>GPIO05</td>
<td>VSPI-SS</td>
<td></td>
<td>SPI0-CS0</td>
<td>ePD CS\</td>
</tr>
<tr>
<td>30</td>
<td>IO18</td>
<td>GPIO18</td>
<td>VSPI-CLK</td>
<td></td>
<td>SPI0-Clk</td>
<td>ePD/SD/LoRa Clk</td>
</tr>
<tr>
<td>31</td>
<td>IO19</td>
<td>GPIO19</td>
<td>VSPI-MISO</td>
<td>U0-CTS</td>
<td>SPI0-MISO</td>
<td>SD/LoRa MISO</td>
</tr>
<tr>
<td>32</td>
<td>GND</td>
<td></td>
<td></td>
<td></td>
<td>GND</td>
<td>GND</td>
</tr>
<tr>
<td>33</td>
<td>IO21</td>
<td>GPIO21</td>
<td>VSPI-4HD</td>
<td></td>
<td>I2C-SDA</td>
<td>ADS1115/BMS</td>
</tr>
<tr>
<td>34</td>
<td>RXD0</td>
<td>GPIO03</td>
<td>UART0-RX</td>
<td>U0-RXD</td>
<td>-> USB</td>
<td>USB intern</td>
</tr>
<tr>
<td>35</td>
<td>TXD0</td>
<td>GPIO01</td>
<td>UART0-TX</td>
<td>U0-TXD</td>
<td>-> USB</td>
<td>USB intern</td>
</tr>
<tr>
<td>36</td>
<td>IO22</td>
<td>GPIO22</td>
<td>VSPI-4WP</td>
<td>U0-RTS</td>
<td>I2C-SCL</td>
<td>ADS1115/BMS</td>
</tr>
<tr>
<td>37</td>
<td>IO23</td>
<td>GPIO23</td>
<td>VSPI-MOSI</td>
<td></td>
<td>SPI0-MOSI</td>
<td>ePD/SD/LoRa MOSI</td>
</tr>
<tr>
<td>38</td>
<td>GND</td>
<td></td>
<td></td>
<td></td>
<td>GND</td>
<td>GND</td>
</tr>
</tbody>
</table><p>(x unter components => darf nicht verwendet werden.)</p><p>Das MCU board erhält die 5V versorgung über den internen USB connector und erzeugt die 3.3V selbst.<br>Der 5V_Ext Anschluss wird nicht verwendet. Die 5V Leitung des MCU Extension Boards wird direkt von der Batterieversorgung gespeist.</p><p>Damit sind alle möglichen GPIO Leitungen funktionell belegt. Eine Erweiterung wäre nur noch über aufwendige IO port Multiplexer möglich. Die Auswahlkriterien werden weiter unten nochmal pro Sensor diskutiert.</p><h2 id="die-beeiot-sensorik"><a name="die-beeiot-sensorik" href="#die-beeiot-sensorik"></a>Die BeeIoT Sensorik</h2><p>Als IoT Sensoren werden folgende Elemente und Anschlüsse verwendet:</p><ul>
<li>1x Wägezelle -> über einen 24bit A/D Wandler HX711 an die GPIO Ports des ESP32 angeschlossen.</li><li>3x Temperatursensoren zur Messung der (DS18B20 OneWire)<ul>
<li>Intern: Stocktemperatur (innerhalb der Beute)</li><li>Externe Temperatur</li><li>Wägezellen Temperatur (ggfs. zur Kompensation einer Temperaturdrift)</li><li>=> Alle Temp. Sensoren sind über das OneWire Protokoll direkt an einen GPIO Port des ESP32 angeschlossen.</li></ul>
</li><li>1x ADS1115/MAX1237 Messung des Batteriespannungspegel, Converter Ausgang (5V) sowie Ladespannung</li><li>1x RTC Modul (I2C)(DS3231) incl. Eprom</li><li>1x Micro SD Card Modul (SPI)</li><li>1x ePaper 2.7” (SPI) + 4 F-Keys.</li><li>1x LoRa MAC Modul mit Semtech SX1276 (e.g. Dragino LoRa Bee 868MHz)</li><li><strong>Optional</strong><ul>
<li>1x xternes IR-Kameramodul -> für Bienensitz im Winter</li><li>NB-IoT Modul zur Funk-Fernübertragung via GPRS (SM7000E)</li><li>USB GPS Maus (mapped über ser. Port RX/TX)</li></ul>
</li></ul><h3 id="die-wägezellen-auswahl"><a name="die-wägezellen-auswahl" href="#die-wägezellen-auswahl"></a>Die Wägezellen Auswahl</h3><p>Eine Standardwägezelle mit geringer Temperaturdrift und hoher Gewichtsstabilität sowie Messwiederholgenauigkeit weist heutzutage typischerweise vorkalibrierte Dehnmesstreifen in einer Wheatstonebrücke verschaltet auf. Diese ist eine gegenläufige Verschaltung von 4 Dehnmessstreifen (DMS) im Rautenmodell (siehe Schaltbild weiter unten) incl. Temperaturdriftkompensation.</p><p>Meine Auswahl fiel (wie bei so manchen anderen Waagen-Projekte im Netz auch) auf den Hersteller Bosche. Die Wägezelle muss folgenden Anforderungen entsprechen:</p><ul>
<li>Messbereich 100Kg (Waagendeckel + Beute (2 Brut- und 2 Honig-Zargen) + Deckel und Abdeckgewicht.</li><li>Stabile Verschraubung mit dem Waagendeckel zur Kraftübertragung möglich (für Zander: 40 x 50cm) Unterboden</li><li>Dadurch geringe Eckgewichtslast-Fehler</li><li>Spannungsversorgung ab 5V (aus Raspi Versorgungsspannung)</li><li>Großer Temperaturmessbereich -30 … +50 Grad</li><li>bei vorgegebener Genauigkeit: Class C3: 2mV/V<ul>
<li>Bei 5V Messzellenspannung ergibt das eine Messabweichung von<br>(100kg/5V)*2mV => +/- 40Gramm</li></ul>
</li><li>Wasserfestigkeit IP65 (spritzwassergeschützt)</li></ul><p>Daher fiel die Wahl auf die: <strong>Bosche H40A Wägezelle</strong> :<br><img src="images_v2/WeightCell.jpg"><br>mit den Eigenschaften</p><ul>
<li>Nennlast 100 kg</li><li>Kompensierte Eckenlastfehler</li><li>Für Dauereinsatz geeignet</li><li>Bezug direkt über den Bosche Shop: <a href="http://www.bosche.eu">http://www.bosche.eu</a></li><li>Material: Aluminium</li><li>Genauigkeitsklasse bis C4 (C3 Standard, C4 auf Anfrage), Y=15.000, Nennwert-Toleranz: 2,0 mV/V</li><li>Eichfähig nach OIML R60 bis 4000D, Prüfscheinnummer: DK0199-R60-12.19</li><li>Aufbau: Das Messelement ist vergossen, Schutzklasse: IP65</li><li>Max. Plattformgröße: 500 x 500 mm</li><li>Stromversorgung: 5 – 12V</li><li>Temperarturbereich: - 30 … + 70 °C</li><li>Anschluskabel: 1,8m</li><li>Preis: 58€</li></ul><p>Anfangs habe ich mit dieser wesentlich günstigeren Wägezelle gestartet: —YZC161E— (ca. 4,50€/Zelle)<br>Durch den Aufbau bedingt verkraftet diese Zelle aber nur 50Kg pro Zelle und ist baulich als Auflagesensor gedacht. Daher werden 4 Stück an jeder Ecke benötigt, die als Wheatstone-Brücke verschaltet werden müssen.</p><p>Wie aus dem unteren Bild (linke Hälfte) aber ersichtlich weisen die Auflagepunkte eine Reibung auf (je mehr Gewicht desto höher), die bei einer horizontalen Temperatur-Ausgleichsbewegung der Stabilisierungsträger Verspannungen hervorruft, und somit die Messzelle und damit die DMS vorspannt und zu starken Messfehlern führt.<br>Besonders unangenehm ist das „Springen“ der Auflage über den Messzellenauflagepunkt ab Überschreitung einer max. Dehnungs-Spannung, was wiederum zu Messwertsprüngen führt. Diese lassen sich auch über eine Messzellen-Temperaturmessung oder algorithmisch nicht mehr verlässlich kompensieren.<br>Diese Wägezelle eignet sich vorrangig für Körperwaagen, wo i.d.R. nur spontane Einzel-Messungen mit Rücksprung auf das Null-Gewichtslevel erfolgen. Für konstante Dauermessungen auf höherem Gewichtsniveau eignen sie sich nach meinen Erfahrungen nicht.</p><p><img src="images_v2/WeightCellDesign.jpg"></p><p>Daher habe ich diese zwar günstige aber aufwändig installierbare und nicht kalibrierbare Variante wieder verworfen.</p><p>Die Anbindung der <strong>Bosche Wägezelle H40A</strong> an den ESP32 erfolgt über das 24bit A/D-Wandler Modul ‘HX711‘. Dieses wurde speziell für Wägezellen mit Wheatstone-Brücke konzipiert und weisst eine einstellbare Verstärkung und integrierte Referenz-Spannungsversorgung auf.<br>Beim Kauf ist darauf zu achten, dass die Module an den Anschlüssen E- bzw. BLK mit GND verbunden sind, was sich sonst in einer geringeren Temperaturstabilität und Meßstreuung auswirkt. Im Zweifel muss die Draht-Brücke selbst durch einen externen Draht nachgearbeitet werden.<br>Module mit grüner Schutzfarbe sind aber i.d.R. richtig beschaltet.<br>Desweitern werden die Wägezellen durch ihre Anzahl an Dehnmessstreifen (DMS) mit einer Wheatstonebrücke versehen. Ein DMS wandelt eine Gewichtsbelastung an einer Körperoberfläche in Widerstandsänderungen der Größenordnung Faktor 0,0001 – 0,001 eines Referenzwertes (hier ca. 400 Ohm) um. Diese sehr geringe Änderung ist durch eine Messbrücke nach Wheatstone zu vermessen, welche durch ihre gegenläufigen Widerstandspaare temperaturstabilisierend und messverstärkend wirkt.</p><p>In der Bosche H40A sind die DMS derart verschaltet, dass das Ausgangssignal direkt auf den A/D Wandler HX711 geführt werden kann, was den Aufbau stark vereinfacht.</p><h3 id="ad-wandler-hx711"><a name="ad-wandler-hx711" href="#ad-wandler-hx711"></a>AD Wandler HX711</h3><p>Der AD Wandler HX711 ist für die Messung von Wheastonebrücken optimiert und bietet dazu 4 Anschlüsse E+/- + A+/-. An den Pins B+/B- liegt die Messspannung für die Waagzellenbrücke an.<br>In unserem Fall ist es die 3.3V Linie von der ESP32 MCU kommend. Die 5V Versorgung, welche aufgrund des weiteren Spannungsfensters einen geringeren Messfehler liefern würde, kann leider nicht genommen werden, da die zugehörigen Logikleitungen nur 3.3V aufweisen dürfen.</p><p>Hier könnte man ggfs. mit einem weiteren 5V <-> 3.3V Logikconverter optimieren.</p><p>Auf der rechten Seite befinden sich 4 Anschlüsse zur digitalen Anbindung an die GPIO Ports des ESP32:<br><img src="images_v2/HX711.jpg"></p><p>Die Eigenschaften des HX711:</p><ul>
<li>2 wählbare Eingänge zur Differenzmessung</li><li>Eine On-chip active rauscharme Steuereinheit mit wählbarer Verstärkung (32, 64 und 128)</li><li>On-chip Stromversorgungskontrolle für die Waagzelle</li><li>On-chip Rest nach Einschaltung</li><li>Einfache digitale Anbindung</li><li>Wählbare Samplegeschwindigkeit (10SPS oder 80SPS)</li><li>Stromsparregler: normaler Betrieb < 1.5mA, Off Mode < 1uA</li><li>Spannungsversorgungsbereich: 2.6 - 5.5V mit enstellbarer Verstärkung</li><li>Temperaturbereich: -40 - +85?</li></ul><p>Für Kanal A kann eine Verstärkung von 128 oder 64 gewählt werden, Kanal B bietet eine fixe Verstärkung von Faktor 32. Daher habe ich für diese Version nur den Port A mit GAIN 128 verwendet und Port B stillgelegt.<br>Zum Anschluss der HX711 Logik-Ports an den ESP32 werden nur 2 der generischen duplex-fähigen GPIO Ports benötigt<br>(Data + SCK):</p><pre class="cpp hljs"><code class="cpp" data-origin="<pre><code class="cpp">#define HX711_DT 25 // serial dataline
#define HX711_SCK 26 // Serial clock line
</code></pre>"><span class="hljs-preprocessor">#<span class="hljs-keyword">define</span> HX711_DT 25 <span class="hljs-comment">// serial dataline</span></span>
<span class="hljs-preprocessor">#<span class="hljs-keyword">define</span> HX711_SCK 26 <span class="hljs-comment">// Serial clock line</span></span>
</code></pre><p>Zur Stabilisierung und Entstörung der Stromversorgungsleitungen (3.3V & 5V) werden je 1x 100nF Siebkondensatoren sowie je ein 4,7uF Puffer-Elko verwendet.<br>Zur Abwägung dieses Stabilisierungsaufwandes dient folgende Genauigkeitsbetrachtung:</p><ul>
<li>Gegeben: Speisespannung der Wheatstonebrücke von 3.3 Volt und einer Nennwert-Toleranz von 2mV/V (Class C3)</li><li>Bei 5V Messzellenspannung ergibt das eine <strong>Messabweichung</strong> von (100kg/3.3V) x 2mV/V => <strong>+/- 60 Gramm</strong></li><li>Das ergibt eine <strong>Empfindlichkeit</strong> von 3.3V x 2mV/100kg = <strong>66µV/kg = 66nV/Gr</strong></li><li>Als default verstärkung (GAIN) wird 128 angenommen.</li></ul><p>Der verwendete A/D Wandler hat aber eine maximale Spannungsauflösung/bit von 128 x 3.3V/2hoch24 =<strong>~1,5 nV</strong> bei einer Vertärkung von 128 an Port A. Dies ergibt den Wert von 66nV/Gr / 1,5nV = <strong>44</strong>/Gramm.<br>Als 1Kg-Scale-Divider müsste man im Programm also später den Wert <strong>44000/kg</strong> ansetzen. Der Scale Offset Wert muss durch die Vermessung des äußeren Aufbaus (Deckel) erst ermittelt werden.</p><p>Der HX711 ist mit 24bit Genauigkeit auch an nur 3.3V also mehr als hinreichend ausgelegt. Diese Genauigkeit Bedarf aber einer gut stabilisierten Betriebsspannung.<br>Die Streuung um die 3.3V Stromversorgung bestimmt also direkt die Qualität/Streuung der Messwerte.<br>Der daraus resultierende Messfehler durch die Streuung kann aber über Mittlung von mehreren (~10-20) Messwerten deutlich verringert werden und damit den Vertrauensbereich deutlich erhöhen.</p><p>Im Arduino Sketch ist der HX711 Anschluss wie folgt definiert:</p><pre class="cpp hljs"><code class="cpp" data-origin="<pre><code class="cpp">// Library fo HX711 Access
#include &lt;HX711.h&gt;
// HX711 ADC GPIO Port to Espressif 32 board
#define HX711_DT 25 // serial dataline
#define HX711_SCK 26 // Serial clock line
#define scale_DIVIDER 44000 // Kilo unit value (2mV/V, GAIN=128 Vdd=3.3V)
#define scale_OFFSET 243000 // 243000 = 44000 * 5.523kg (of the cover weight)
</code></pre>"><span class="hljs-comment">// Library fo HX711 Access</span>
<span class="hljs-preprocessor">#<span class="hljs-keyword">include</span> <HX711.h></span>
<span class="hljs-comment">// HX711 ADC GPIO Port to Espressif 32 board</span>
<span class="hljs-preprocessor">#<span class="hljs-keyword">define</span> HX711_DT 25 <span class="hljs-comment">// serial dataline</span></span>
<span class="hljs-preprocessor">#<span class="hljs-keyword">define</span> HX711_SCK 26 <span class="hljs-comment">// Serial clock line</span></span>
<span class="hljs-preprocessor">#<span class="hljs-keyword">define</span> scale_DIVIDER 44000 <span class="hljs-comment">// Kilo unit value (2mV/V, GAIN=128 Vdd=3.3V)</span></span>
<span class="hljs-preprocessor">#<span class="hljs-keyword">define</span> scale_OFFSET 243000 <span class="hljs-comment">// 243000 = 44000 * 5.523kg (of the cover weight)</span></span>
</code></pre><h3 id="temperatursensoren"><a name="temperatursensoren" href="#temperatursensoren"></a>Temperatursensoren</h3><p>Für den Anschluss von mehreren Messeinheiten über einen (3-pol.) Eingangsport bietet sich das serielle OneWire Protokoll an. Dafür steht eine große Palette an günstigen (Temperatur-)Sensoren zur Auswahl.</p><p>Für die benötigte Genauigkeit der Temperaturmessung (9-12bit) wird der Sensor DS18B20 von Dallas verwendet, den es in der Bauform als 1,8m langes Versorgungskabel (3-pol.) und IP67 Abdichtung mit einer robusten Aluminium-Messspitze als Messsonde gibt.</p><p>Wie aus dem Bild ersichtlich, werden einfach alle OneWire Sensoren mit ihren 3 pol. Leitung parallel angeschlossen (es sind bis zu 10 Sensoren möglich). Zur Pullup-Versorgung der Datenleitung ist ein Widerstand von 4.7k Ohm gegen 3.3V einmalig für alle angeschlossenen Sensoren nötig, da alle Sensoren alsauch der ESP32 GPIO port mit OpenCollector Treibern arbeiten. der Pullup schafft damit einen definierten Logikpegel.</p><p><img src="images_v2/BeeIoT_Schematics.jpg"></p><p>Im Arduino Sketch finden sich dazu folgende Einstellungen:</p><pre class="cpp hljs"><code class="cpp" data-origin="<pre><code class="cpp">#include "OneWire.h"
#include "DallasTemperature.h"
// Data wire is connected to ESP32 GPIO 32
#define ONE_WIRE_BUS 32
</code></pre>"><span class="hljs-preprocessor">#<span class="hljs-keyword">include</span> "OneWire.h"</span>
<span class="hljs-preprocessor">#<span class="hljs-keyword">include</span> "DallasTemperature.h"</span>
<span class="hljs-comment">// Data wire is connected to ESP32 GPIO 32</span>
<span class="hljs-preprocessor">#<span class="hljs-keyword">define</span> ONE_WIRE_BUS 32</span>
</code></pre><h3 id="led-status-anzeige"><a name="led-status-anzeige" href="#led-status-anzeige"></a>LED-Status Anzeige</h3><p>Zur Anzeige des Betriebszustandes dient eine rote LED am rückseitigen externen Anschlusspanel.</p><p>Diese wird über einen GPIO Port getrennt angesteuert und zeigt durch Blinkcodes verschiedene Programm- Zustände (Setup / Loop / Wait)an.</p><pre class="cpp hljs"><code class="cpp" data-origin="<pre><code class="cpp">#define LED_RED 15 // GPIO number of red LED
// reused by BEE_RST: Green LED not used anymore
//#define LED_GREEN 14 // GPIO number of green LED
</code></pre>"><span class="hljs-preprocessor">#<span class="hljs-keyword">define</span> LED_RED 15 <span class="hljs-comment">// GPIO number of red LED</span></span>
<span class="hljs-comment">// reused by BEE_RST: Green LED not used anymore</span>
<span class="hljs-comment">//#define LED_GREEN 14 // GPIO number of green LED</span>
</code></pre><p>Die aufgeführte grüne LED hatte ursprünglich die Funktion als weitere Statusanzeige musste aber mangels freier GPIO ports und Stromsparzwecken eingespart werden.</p><h3 id="spi-devices"><a name="spi-devices" href="#spi-devices"></a>SPI Devices</h3><p>Grundsätzlich bietet der ESP32 2 unabhängige SPI ports (VSPI & HSPI) für den Anwender extern an, die per default unter folgenden GPIO Ports (definiert über Arduino.h) erreichbar sind:</p><pre class="cpp hljs"><code class="cpp" data-origin="<pre><code class="cpp">// ESP32 default SPI ports:
#define VSPI_MISO MISO // PIN_NUM_MISO = 19
#define VSPI_MOSI MOSI // PIN_NUM_MOSI = 23
#define VSPI_SCK SCK // PIN_NUM_CLK = 18
#define VSPI_CS SS // PIN_NUM_CS = 5
#define HSPI_MISO 12 // PIN_NUM_MISO
#define HSPI_MOSI 13 // PIN_NUM_MOSI
#define HSPI_SCK 14 // PIN_NUM_CLK
#define HSPI_CS 15 // PIN_NUM_CS
</code></pre>"><span class="hljs-comment">// ESP32 default SPI ports:</span>
<span class="hljs-preprocessor">#<span class="hljs-keyword">define</span> VSPI_MISO MISO <span class="hljs-comment">// PIN_NUM_MISO = 19</span></span>
<span class="hljs-preprocessor">#<span class="hljs-keyword">define</span> VSPI_MOSI MOSI <span class="hljs-comment">// PIN_NUM_MOSI = 23</span></span>
<span class="hljs-preprocessor">#<span class="hljs-keyword">define</span> VSPI_SCK SCK <span class="hljs-comment">// PIN_NUM_CLK = 18</span></span>
<span class="hljs-preprocessor">#<span class="hljs-keyword">define</span> VSPI_CS SS <span class="hljs-comment">// PIN_NUM_CS = 5</span></span>
<span class="hljs-preprocessor">#<span class="hljs-keyword">define</span> HSPI_MISO 12 <span class="hljs-comment">// PIN_NUM_MISO</span></span>
<span class="hljs-preprocessor">#<span class="hljs-keyword">define</span> HSPI_MOSI 13 <span class="hljs-comment">// PIN_NUM_MOSI</span></span>
<span class="hljs-preprocessor">#<span class="hljs-keyword">define</span> HSPI_SCK 14 <span class="hljs-comment">// PIN_NUM_CLK</span></span>
<span class="hljs-preprocessor">#<span class="hljs-keyword">define</span> HSPI_CS 15 <span class="hljs-comment">// PIN_NUM_CS</span></span>
</code></pre><p>Die Kurzbezeichnungen MISO, MOSI, SCK und SS stammen von der Arduino IDE via Arduino.h und definieren damit den default SPI port, wenn man keine weiteren GPIO Angaben in der Initialisierungsfunktion eines jeden SPI devices macht. (Die tatsächlichen GPIO Werte finden sich im Kommentar)</p><p>Zur Einsparung von GPIO Ports habe ich alle 3 verwendeten SPI devices (ePaper, SDCardModul und LoRa Bee) über VSPI angeschlossen.<br>Während die Leitungen MOSI, MISO und SCk zwischen allen Devices geshared werden (Parallel-Anschluss),<br>benötigt jedes device mindestens seine eigene CS\ Leitung zum Start der individuellen Protokollfensters.<br>Um Störung in der Startupphase des setup zu vermeiden werden zu Anfangs in der Setup routine alle CS\ Leitungen der 3 Devices auf inaktiv (High) vordefiniert. Das beugt Störungen bei der weiteren sequentiellen Inbetriebnahme der damit inaktiven SPI Modul Schnittstellen vor.</p><h4 id="micro-sdcard-modul"><a name="micro-sdcard-modul" href="#micro-sdcard-modul"></a>Micro-SDCard Modul</h4><p>Die Verwendung einer SD Karte ermöglicht einerseits die dauerhafte Ablage großer Mengen an Sensordaten vor dem Versand oder auch als Backup space, wenn keine Konnektivität besteht.<br>Anderseits kann im Notfall der komplette Datensatz auch manuell am Laptop ausgelesen werden.</p><p><img src="images_v2/MicroSDCard_Front.jpg"> <img src="images_v2/MicroSDCard_Back.jpg"></p><p>Dieses weitläufig verfügbare Modul enthält einen 3.3V <-> 5V level changer onboard und ermöglicht dadurch eine Vdd Spannung von 3.3V - 5V mit Logikleitungen auf 3.3V.<br>Beim Anschluss weiterer SPI Devices stellte sich aber heraus, dass der 3.3V Logiklevel nicht immer sauber eingehalten wird (speziell nach einem Reset). Vdd = 3.3V löste das Problem wieder.<br>Dadurch wird allerdings der 5V -> 3.3V Spannungswandler auf dem DevKitC Modul stärker belastet. (Die möglichen 1 A werden wir aber natürlich nicht erreichen.)</p><p>Die GPIO Port Definitionen:</p><pre class="cpp hljs"><code class="cpp" data-origin="<pre><code class="cpp">#include &lt;SPI.h&gt; // default for all SPI devices
// Libraries for SD card at ESP32:
#include "SD.h"
// ...has support for FAT32 support with long filenames
#include "FS.h"
#define SD_MISO MISO // SPI MISO -&gt; VSPI = 19 shared with ePD &amp; LoRa Bee
#define SD_MOSI MOSI // SPI MOSI -&gt; VSPI = 23 shared with ePD &amp; LoRa Bee
#define SD_SCK SCK // SPI SCLK -&gt; VSPI = 18 shared with ePD &amp; LoRa Bee
#define SD_CS 2 // SD card CS\ line - arbitrary selection !
#define SPISPEED 2000000 //20MHz clock speed
</code></pre>"><span class="hljs-preprocessor">#<span class="hljs-keyword">include</span> <SPI.h> <span class="hljs-comment">// default for all SPI devices</span></span>
<span class="hljs-comment">// Libraries for SD card at ESP32:</span>
<span class="hljs-preprocessor">#<span class="hljs-keyword">include</span> "SD.h"</span>
<span class="hljs-comment">// ...has support for FAT32 support with long filenames</span>
<span class="hljs-preprocessor">#<span class="hljs-keyword">include</span> "FS.h"</span>
<span class="hljs-preprocessor">#<span class="hljs-keyword">define</span> SD_MISO MISO <span class="hljs-comment">// SPI MISO -> VSPI = 19 shared with ePD & LoRa Bee</span></span>
<span class="hljs-preprocessor">#<span class="hljs-keyword">define</span> SD_MOSI MOSI <span class="hljs-comment">// SPI MOSI -> VSPI = 23 shared with ePD & LoRa Bee</span></span>
<span class="hljs-preprocessor">#<span class="hljs-keyword">define</span> SD_SCK SCK <span class="hljs-comment">// SPI SCLK -> VSPI = 18 shared with ePD & LoRa Bee</span></span>
<span class="hljs-preprocessor">#<span class="hljs-keyword">define</span> SD_CS 2 <span class="hljs-comment">// SD card CS\ line - arbitrary selection !</span></span>
<span class="hljs-preprocessor">#<span class="hljs-keyword">define</span> SPISPEED 2000000 <span class="hljs-comment">//20MHz clock speed</span></span>
</code></pre><p>Über Nutzung von FS.h ist auch der Betrieb mit langen filenames bei größeren Karten möglich.<br>Dieses Modul unterstützt 2GB - 16GB Micro SD Cards, vorformatiert(!) mit FAT32 Format.</p><p>Dieses Modul wäre aber auch ein Kandidat zur Einsparung wenn wir wieter den Strombedarf reduzieren wollen.</p><blockquote>
<p><strong>Hinweis:</strong> Es wird in vielen Artikeln zur Stabilisierung der SD Card Kommunikation empfohlen einen 10kOhm Pullup an der SD-CS-Leitung anzulegen. In unserem Fall ist diese aber an GPIO2 angeschlossen. Der Pullup würde einen weiteren Upload von FW in das FlashRom verhindern -> Timeout. In unserem Fall ist also kein PullUp ohne größeren Aufwand möglich.</p>
</blockquote><h4 id="e-paper-display"><a name="e-paper-display" href="#e-paper-display"></a>E-Paper Display</h4><p>Zur stromsparenden Darstellung der aktuellen Zustands- und Mess-Werte musste ein Display her.<br>Dadurch sieht man wesentliche Werte und aktuelle massnahmen gleich vorort und nicht nur über eine Webseite remote.</p><p>Als Kriterien sollen gelten:</p><ul>
<li>Stromsparend auch in der Wait-Loop Phase zwischen den Messungen</li><li>Gute Ablesbarkeit durch hohen Kontrast auch bei direkter Sonneneinstrahlung</li><li>Einfacher Anschluss an bestehende ESP32 Interface-Pegel: 3.3V</li><li>Einfache Ansteuerung und Kontrolle der Darstellung.</li></ul><p>Zumindest die ersten 3 Punkte konnte ich durch das ePaper von WaveShare erfüllen:</p><ul>
<li>Waveshare 2.7 Inch E-Paper Display HAT Module Kit 264x176 Resolution</li><li>3.3v E-ink Electronic Paper Screen with Embedded Controller</li><li>for ESP32 SPI Interface</li></ul><p>Ein Stromverbrauch entsteht nur in der Initialisierungs- und Ladephase der Darstellungsdaten.<br>Größter Vorteil ist aber das passive Darstellungsmedium: ePaper, welches auch bei direkter Sonne wie ein gedrucktes Papier erscheint. Das erhöht die Lesbarkeit im Outdoor-Einsatz enorm.<br>Ein LCD Display müsste hier nachgesteuert werden und muss dazu dauerhaft mit Strom versorgt werden.<br>Hat allerdings den Vorteil der möglichen Beleuchtung bei Dämmerung/Dunkelheit.<br>Allerdings mal ehrlich: wer imkert dann noch ???</p><p>Daher hat ein EPaper i.d.R. auch keine Hintergrundbeleuchtung. Dieses Modul weißt neben dem eigentlichen Display dafür noch 4 universelle Schalter zur späteren funktionellen Erweiterung von z.B. verschiedenen Darstellungsebenen auf. Dazu später mehr…</p><p><img src="images_v2/WaveShareFront.jpg"></p><p>Ursprünglich stellt dieses Modul einen RaspberryPi Hat dar und hat daher auch eine 40-pol. Buchsenleiste kompatibel zum RPi. Für unsere Zwecke verwenden wir den parallelen Kabelanschluss.<br>mit einem separaten SPI Interface über einen 8poligen Stecker incl Kabel:</p><p><img src="images_v2/WaveShareBack.jpg"></p><p>Die Anschlussbelegung des SPI Kabelanschlusses:</p><table>
<thead>
<tr>
<th>Pin</th>
<th>Farbe</th>
<th>Function</th>
</tr>
</thead>
<tbody>
<tr>
<td>VCC</td>
<td>rot</td>
<td>3.3V/5V</td>
</tr>
<tr>
<td>GND</td>
<td>schwarz</td>
<td>Ground</td>
</tr>
<tr>
<td>DIN</td>
<td>blau</td>
<td>SPI MOSI pin</td>
</tr>
<tr>
<td>CLK</td>
<td>gelb</td>
<td>SPI SCK pin</td>
</tr>
<tr>
<td>CS</td>
<td>orange</td>
<td>SPI Chip Selection, low active</td>
</tr>
<tr>
<td>DC</td>
<td>grün</td>
<td>Data(=1) / Command(=0) selector</td>
</tr>
<tr>
<td>RST</td>
<td>weiss</td>
<td>Reset, low active</td>
</tr>
<tr>
<td>BUSY</td>
<td>lila</td>
<td>Busy status output, low active</td>
</tr>
</tbody>
</table><p>Den passenden und umfangreichen DemoCode von WaveShare für RaspberryPi in C++ findet man <strong><a href="https://www.waveshare.com/wiki/File:2.7inch-e-paper-hat-code.7z">hier</a></strong>.</p><p>Die GPIO Belegung ist atürlich in den leitungen MISO, MOSI und SCK identisch zu SDCard und LoRa Bee.<br>neben der eigene CS Leitung gibt es noch einen Reset udn einen BUSY “Draht”.<br>Über BUSY kann man den Upload prozess neuer Display Daten pollen. Deklariert man diese GPIO Leitung im Interrupt mode kann eine asynchrone Bedienung über eine ISR (Int. Service routine) implementiert werden. da wir aber eh ‘10Min.-10Sekunden’ lang nichts besseres zu tun haben, reicht das sequentielle Polling.</p><pre class="cpp hljs"><code class="cpp" data-origin="<pre><code class="cpp">// WavePaper ePaper port
// mapping suggestion for ESP32 DevKit or LOLIN32, see .../variants/.../pins_arduino.h for your board
// Default: BUSY -&gt; 4, RST -&gt; 16, DC -&gt; 17, CS -&gt; SS(5),
// CLK -&gt; SCK(18), DIN -&gt; MOSI(23), GND -&gt; GND, 3.3V -&gt; 3.3V
#define EPD_MISO VSPI_MISO // SPI MISO -&gt; VSPI
#define EPD_MOSI VSPI_MOSI // SPI MOSI -&gt; VSPI
#define EPD_SCK VSPI_SCK // SPI SCLK -&gt; VSPI
#define EPD_CS 5 // SPI SS -&gt; VSPI
#define EPD_DC 17 // arbitrary selection of DC &gt; def: 17
#define EPD_RST 16 // arbitrary selection of RST &gt; def: 16
#define EPD_BUSY 4 // arbitrary selection of BUSY &gt; def: 4 -&gt; if 35 -&gt; RD only GPIO !
#define EPD_KEY1 0 // via 40-pin RPi slot at ePaper Pin29 (P5)
#define EPD_KEY2 EN // via 40-pin RPi slot at ePaper Pin31 (P6)
#define EPD_KEY3 34 // via 40-pin RPi slot at ePaper Pin33 (P13)
#define EPD_KEY4 35 // via 40-pin RPi slot at ePaper Pin35 (P19)
</code></pre>"><span class="hljs-comment">// WavePaper ePaper port</span>
<span class="hljs-comment">// mapping suggestion for ESP32 DevKit or LOLIN32, see .../variants/.../pins_arduino.h for your board</span>
<span class="hljs-comment">// Default: BUSY -> 4, RST -> 16, DC -> 17, CS -> SS(5),</span>
<span class="hljs-comment">// CLK -> SCK(18), DIN -> MOSI(23), GND -> GND, 3.3V -> 3.3V</span>
<span class="hljs-preprocessor">#<span class="hljs-keyword">define</span> EPD_MISO VSPI_MISO <span class="hljs-comment">// SPI MISO -> VSPI</span></span>
<span class="hljs-preprocessor">#<span class="hljs-keyword">define</span> EPD_MOSI VSPI_MOSI <span class="hljs-comment">// SPI MOSI -> VSPI</span></span>
<span class="hljs-preprocessor">#<span class="hljs-keyword">define</span> EPD_SCK VSPI_SCK <span class="hljs-comment">// SPI SCLK -> VSPI</span></span>
<span class="hljs-preprocessor">#<span class="hljs-keyword">define</span> EPD_CS 5 <span class="hljs-comment">// SPI SS -> VSPI</span></span>
<span class="hljs-preprocessor">#<span class="hljs-keyword">define</span> EPD_DC 17 <span class="hljs-comment">// arbitrary selection of DC > def: 17</span></span>
<span class="hljs-preprocessor">#<span class="hljs-keyword">define</span> EPD_RST 16 <span class="hljs-comment">// arbitrary selection of RST > def: 16</span></span>
<span class="hljs-preprocessor">#<span class="hljs-keyword">define</span> EPD_BUSY 4 <span class="hljs-comment">// arbitrary selection of BUSY > def: 4 -> if 35 -> RD only GPIO !</span></span>
<span class="hljs-preprocessor">#<span class="hljs-keyword">define</span> EPD_KEY1 0 <span class="hljs-comment">// via 40-pin RPi slot at ePaper Pin29 (P5)</span></span>
<span class="hljs-preprocessor">#<span class="hljs-keyword">define</span> EPD_KEY2 EN <span class="hljs-comment">// via 40-pin RPi slot at ePaper Pin31 (P6)</span></span>
<span class="hljs-preprocessor">#<span class="hljs-keyword">define</span> EPD_KEY3 34 <span class="hljs-comment">// via 40-pin RPi slot at ePaper Pin33 (P13)</span></span>
<span class="hljs-preprocessor">#<span class="hljs-keyword">define</span> EPD_KEY4 35 <span class="hljs-comment">// via 40-pin RPi slot at ePaper Pin35 (P19)</span></span>
</code></pre><p>Wie oben erwähnt fällt die Bedienung aber etwas aufwändiger aus, denn neben dem SPI API sind dann diverse Font Libs, und ggfs. BitMaps zu laden.<br>Aktuell verwende ich die Library: <a href="https://github.com/ZinggJM/GxEPD">https://github.com/ZinggJM/GxEPD</a><br>mit dem für mein ePaper device spezifische Extension: GxGDEW027C44.h</p><pre class="cpp hljs"><code class="cpp" data-origin="<pre><code class="cpp">// Libs for WaveShare ePaper 2.7 inch r/w/b Pinning GxGDEW027C44
#include &lt;GxEPD.h&gt;
#include &lt;GxGDEW027C44/GxGDEW027C44.h&gt; // 2.7" b/w/r
#include &lt;GxIO/GxIO_SPI/GxIO_SPI.cpp&gt;
#include &lt;GxIO/GxIO.cpp&gt;
// FreeFonts from Adafruit_GFX
#include &lt;Fonts/FreeMonoBold9pt7b.h&gt;
#include &lt;Fonts/FreeMonoBold12pt7b.h&gt;
#include &lt;Fonts/FreeMonoBold18pt7b.h&gt;
#include &lt;Fonts/FreeMonoBold24pt7b.h&gt;
#include &lt;Fonts/FreeSansBold24pt7b.h&gt;
#include "BitmapWaveShare.h"
#define HAS_RED_COLOR // as defined in GxGDEW027C44.h: GxEPD_WIDTH, GxEPD_HEIGHT
</code></pre>"><span class="hljs-comment">// Libs for WaveShare ePaper 2.7 inch r/w/b Pinning GxGDEW027C44</span>
<span class="hljs-preprocessor">#<span class="hljs-keyword">include</span> <GxEPD.h></span>
<span class="hljs-preprocessor">#<span class="hljs-keyword">include</span> <GxGDEW027C44/GxGDEW027C44.h> <span class="hljs-comment">// 2.7" b/w/r</span></span>
<span class="hljs-preprocessor">#<span class="hljs-keyword">include</span> <GxIO/GxIO_SPI/GxIO_SPI.cpp></span>
<span class="hljs-preprocessor">#<span class="hljs-keyword">include</span> <GxIO/GxIO.cpp></span>
<span class="hljs-comment">// FreeFonts from Adafruit_GFX</span>
<span class="hljs-preprocessor">#<span class="hljs-keyword">include</span> <Fonts/FreeMonoBold9pt7b.h></span>
<span class="hljs-preprocessor">#<span class="hljs-keyword">include</span> <Fonts/FreeMonoBold12pt7b.h></span>
<span class="hljs-preprocessor">#<span class="hljs-keyword">include</span> <Fonts/FreeMonoBold18pt7b.h></span>
<span class="hljs-preprocessor">#<span class="hljs-keyword">include</span> <Fonts/FreeMonoBold24pt7b.h></span>
<span class="hljs-preprocessor">#<span class="hljs-keyword">include</span> <Fonts/FreeSansBold24pt7b.h></span>
<span class="hljs-preprocessor">#<span class="hljs-keyword">include</span> "BitmapWaveShare.h"</span>
<span class="hljs-preprocessor">#<span class="hljs-keyword">define</span> HAS_RED_COLOR <span class="hljs-comment">// as defined in GxGDEW027C44.h: GxEPD_WIDTH, GxEPD_HEIGHT</span></span>
</code></pre><p>Als weiteres Gimmick unterstützt dieses ePaper von Waveshare auch die Farbe rot. Wie sich bei der Anwendung aber herausstellte, verlängert das die eh schon mit >10 Sek. recht lange Display-Update Zeiten nochmal zusätzlich. <strong>Hier ist eine Optimierung zur Stromeinsparung noch zu implementieren</strong>.<br><img src="images_v2/WaveShareFront.jpg"></p><p>Ist da Display einmal aktualisiert, ud die BUSY Leitung lässt uns “weiter arbeiten/schlafen”, liegt der Stromverbrauch aber nahezu bei 0mA.</p><h4 id="lora-wan-support"><a name="lora-wan-support" href="#lora-wan-support"></a>LoRa WAN Support</h4><p>Für die remote Connection ohne “stromfressenden” WiFi Betrieb oder nicht-erreichbarem Hotspot, ist ein LoRa Funktmodul vorgesehen. In Europa wird das ISM Band mit 433,05 bis 434,79 Mhz und das SRD Band 863 bis 870 MHz genutzt. Auf EU-868MHz voreingestellt kann es abhängig von der räumlichen Topologie (Satadt/Land) Reichweiten bis zu 2-8km ermöglichen.</p><p>Das LoRa-WAN Protokoll ist auf geringe Band-Belastung (OnAir-DutyTime) und geringem Stromverbrauch ausgelegt.</p><p>Das verbaute HW-Funkmodul bietet nur den LoRa-MAC layer Übertragungssupport.<br>Auf die Umsetzung der dazugehörigen Paketübertragungs- und Netzverwaltung sowie den dazugehörigen SW Stack auf beiden Seiten gehe ich in diesem Dokument detailliert ein: <strong><a href="https://github.com/mchresse/BeeIoTGW/blob/master/BeeIoTWAN_v10.md">BeeIoTWAN_v10.md</a></strong> des zugehörigen Github Projektes <strong>BeeIoTGW</strong>.<br>Dort findet sich auch die Beschreibung der BIoT Gateway/Edge-Server Gegenstelle für die weitere Verarbeitung der Sensordaten durch AppServices. Hier vorab schonmal das prinzip Schaltbild der Module des vollständigen BIoT WAN Netzwerkes.<br><img src="images_v2/BeeIoT_Concept.jpg"></p><p>Als Gegenstück ist ein RaspberryPi basierter Gateway vorgesehen, der seinerseits wieder die benötigte leistungsfähigere WiFi/LAN Anbindung hat, um die gewonnenen SensorDaten aller Clients zu validieren, aufbereiten und auf eine Website oder andere Abnehmer (MQTT) zu spiegeln.</p><p>Hauptanbieter des LoRa-MAC Layer HW Moduls ist die Firma Semtech, die auch die <strong><a href="https://lora-alliance.org/resource-hub/lorawanr-specification-v103">LoRaWAN Spezifikation v1.0.3</a></strong> als Member der “LoRA Alliance” mit herausgegeben hat.<br>Die Firma Dragino hat auf Basis dieses Quasi-Standard Modules (basierend auf dem SX1276/SX1278 transceiver chips) diverse Hats & Shields entworfen.<br>Der kleinste Vertreter davon (ohne GPS Modul) ist das “Dragino Lora-Bee Modul” <strong><a href="http://wiki.dragino.com/index.php?title=Lora_BEE">(Wiki)</a></strong>, welches via SPI angeschlossen wird.<br>Darauf befindet sich ein RFII95-98W (eigentlich der SX1276 chip) mit SPI Interface. Dieses SX1276 Basismodul von Semtech kann man aber auch günstig (2-6€) in Asien bestellen) und erfüllt denselben Zweck. Die Draginomodule nehmen einem nur zusätzliche Verdrahtung und ggfs. den Antennenanschluss ab.<br><img src="images_v2/SX1276.jpg"><br>Die Antenne ist behelfsweise aber auch über einen gewickelten Draht mit der passenden Länge realisierbar.<br>Dabei ist das Frequenzband bestimmt nach der Formel: 868 MHz > 8,5 cm Draht für eine Lambda/4 Antenne.<br>Eine SMA Antenne besteht intern ebenfalls nur aus:<br><img src="images_v2/LoRa_Antenna.jpg"><br>… einem Draht mit einer Wetterschutzkappe:<br><img src="images_v2/Duck_Antenna.jpg"></p><p>Die LoraModul-Verdrahtung ist recht einfach:<br>Neben den Standard shared (!) SPI Leitungen (MISO, MOSI, SCK) gibt es noch die Modul-spezifische CS Leitung zur Modul-Selektion (bei manchen Modulen auch NSS genannt), eine Reset-Leitung (RST) und 6 universelle Daten-IO Leitungen für weitere Funktionen DIO0..DIO5.<br>Für den Standard LoRa-Modem Betrieb werden die übrigen DIO1-DIO5 Leitung aber i.d.R. nicht benötigt.(Für den FSK Mode werden häufig auch DIO1+2 benötigt).<br>Manchen SW Stacks (z.B. LMIC) benötigen zum vollständigen Support DIO0-2; der Lora-Lib von Sandeep reicht aber DIO0.<br>DIO0 triggert z.B. alle LoRa-Mode RX/TX Interrupts (RXDone & TXDone).<br>Daher habe ich in dieser Schaltung nur DIO0 + DIO1 auf duplex fähige GPIO Leitungen mappen können, und DIO2 auf eine Read Only Leitung (weil sie noch frei war, aber geshared mit dem Key3 des ePaper Moduls; welche aber aktuell ohne Funktion bleibt). Ggfs. kann man darüber noch einen manuellen Sendetrigger imlementieren.<br>Alle 3 Leitungen werden aber nur im Input Mode betrieben (zur Signalisierung des Semtech Modul Status).<br>Für eine größere Stabilität am SPI Bus sollten CS udn RST mit 10k-PullUps versehen werden, damit keine Misverständnisse zw. ESP32 und SX1276 entstehen.</p><p>Das beim BIoT Client verwendete Dragino Bee Modul ist massgeblich der Träger des Semtech Moduls:<br><img src="images_v2/Dragino_Lora_Bee.jpg"> <img src="images_v2/Dragino_Lora_Bee_Cabling.jpg"><br>Beim Gateway begnüge ich mich mit dem Smetech Modul + Eigenbau Antenne (noch).<br>Auf dem 2. Bild ist das grün gefärbte Semtech LoRa Modul gut zu erkennen.</p><p>Die Spezifikation weisst folgende Eigenschaften aus:</p><ul>
<li>168 dB maximum link budget.</li><li>+20 dBm - 100 mW constant RF output vs.</li><li>+14 dBm high efficiency PA.</li><li>Programmable bit rate up to 300 kbps.</li><li>High sensitivity: down to -148 dBm.</li><li>Bullet-proof front end: IIP3 = -12.5 dBm.</li><li>Excellent blocking immunity.</li><li>Low RX current of 10.3 mA, 200 nA register retention.</li><li>Fully integrated synthesizer with a resolution of 61 Hz.</li><li>FSK, GFSK, MSK, GMSK, LoRaTM and OOK modulation.</li><li>Built-in bit synchronizer for clock recovery.</li><li>Preamble detection.</li><li>127 dB Dynamic Range RSSI.</li><li>Automatic RF Sense and CAD with ultra-fast AFC.</li><li>Packet engine up to 256 bytes with CRC.</li><li>Built-in temperature sensor and low battery indicator.</li></ul><p>Das Dragino Manual dazu findet sich <strong><a href="http://wiki.dragino.com/index.php?title=Lora_BEE">hier</a></strong>.</p><p>Da aber nahezu alle Leitungen des SemTech Moduls 1:1 am Bee-Sockel ausgeführt sind, kann man im Grunde jede Bibliothek verwenden, die den SX1276 (für 868MHz) unterstützt.</p><p>Die aktuell verwendeten GPIO Port Definitionen:</p><pre class="cpp hljs"><code class="cpp" data-origin="<pre><code class="cpp">#include &lt;SPI.h&gt; // default for all SPI devices
// Libraries for LoRa
#include "LoRa.h"
// LoRa-Bee Board at VSPI port
#define BEE_MISO VSPI_MISO // SPI MISO -&gt; VSPI
#define BEE_MOSI VSPI_MOSI // SPI MOSI -&gt; VSPI
#define BEE_SCK VSPI_SCK // SPI SCLK -&gt; VSPI
#define BEE_CS 12 // NSS == CS
#define BEE_RST 14 // Reset\
#define BEE_DIO0 33 // Main Lora_Interrupt line
#define BEE_DIO1 13 // for Bee-Events
#define BEE_DIO2 34 // unused by BEE_Lora; connected to EPD K3 -&gt; but is a RD only GPIO !
</code></pre>"><span class="hljs-preprocessor">#<span class="hljs-keyword">include</span> <SPI.h> <span class="hljs-comment">// default for all SPI devices</span></span>
<span class="hljs-comment">// Libraries for LoRa</span>
<span class="hljs-preprocessor">#<span class="hljs-keyword">include</span> "LoRa.h"</span>
<span class="hljs-comment">// LoRa-Bee Board at VSPI port</span>
<span class="hljs-preprocessor">#<span class="hljs-keyword">define</span> BEE_MISO VSPI_MISO <span class="hljs-comment">// SPI MISO -> VSPI</span></span>
<span class="hljs-preprocessor">#<span class="hljs-keyword">define</span> BEE_MOSI VSPI_MOSI <span class="hljs-comment">// SPI MOSI -> VSPI</span></span>
<span class="hljs-preprocessor">#<span class="hljs-keyword">define</span> BEE_SCK VSPI_SCK <span class="hljs-comment">// SPI SCLK -> VSPI</span></span>
<span class="hljs-preprocessor">#<span class="hljs-keyword">define</span> BEE_CS 12 <span class="hljs-comment">// NSS == CS</span></span>
<span class="hljs-preprocessor">#<span class="hljs-keyword">define</span> BEE_RST 14 <span class="hljs-comment">// Reset\</span></span>
<span class="hljs-preprocessor">#<span class="hljs-keyword">define</span> BEE_DIO0 33 <span class="hljs-comment">// Main Lora_Interrupt line</span></span>
<span class="hljs-preprocessor">#<span class="hljs-keyword">define</span> BEE_DIO1 13 <span class="hljs-comment">// for Bee-Events</span></span>
<span class="hljs-preprocessor">#<span class="hljs-keyword">define</span> BEE_DIO2 34 <span class="hljs-comment">// unused by BEE_Lora; connected to EPD K3 -> but is a RD only GPIO !</span></span>
</code></pre><p>Die Rolle des Client Node MAC layers ist in dieser <strong><a href="https://lora-alliance.org/resource-hub/lorawanr-back-end-interfaces-v10">Backend Specification</a></strong> festgehalten</p><p>Für ESP32 MAC Layer Testzwecke habe ich im Sketch aktuell die Lora-Library von Sandeep (GitHub) in Verwendung. Diese ist für eine stabile MAC Layer Kommunikation vollkommen ausreichend.</p><p>Die Antenne wird bei einem SMA Anschluss einfach aufgeschraubt: fertig.<br>Es reicht wenn die Antenne innerhalb der Box verbleibt. Man kann die Reichweite natürlich vergrößern, wenn sie nach aussen geführt wird und ein direkter “Sichtkontakt” zum Gateway gewährleistet ist (z.B. bei TopRoof-Montage).</p><p>Genaue Reichweiten Messungen stehen aber noch aus…(für die 20cm Beton-Kellerdecke reicht es aber schonmal).</p><h3 id="narrowband-iot"><a name="narrowband-iot" href="#narrowband-iot"></a>NarrowBand-IoT</h3><p>NearBand-IoT ist grundsätzlich eine LTE basierte Kommunikation mit SIM Karte und LTE-Provider, wie bei jedem Smart-Mobile auch. NB-IoT verwendet aber insbesondere die niederfrequenten Band-Anteile und erreicht damit eine bessere Durchdringung von Gebäuden. Ein Client im 3. Stock einer Tiefgarage soll damit problemlos möglich sein, was für die meisten Smart-Home Anwendung aureichend sein sollte.</p><p>Als Sender mit einem SIM Kartenleser Modul habe ich mir den häufig verwendeten und Library seitig gut unterstützten SIM700E mit GPS Maus (optional) support ausgesucht.</p><p>Leider benötigt es als echtes SIM Modem eine serielle RX/TX ANbindung, wofür weitere 2 GPIO Leitung benötigt werden. Da diese aktuell nicht mehr frei sind, bleibt es erstmal bei der LoRaWan Anbindung.</p><p>Das von mir bestellte Modul:<br>Waveshare NB-IoT eMTC Edge GPRS GNSS Hat incl. Antenne</p><ul>
<li>mit Breakout UART control pins (Baudrate: 300bps~3686400bps)</li><li>Control via AT commands (3GPP TS 27.007, 27.005, and SIMCOM enhanced AT Commands)</li><li>Supports SIM application toolkit: SAT Class 3, GSM 11.14 Release 98, USAT</li></ul><p><img src="images_v2/SIM7000E_NBIoT.jpg"></p><p>=> Link zum <strong><a href="https://www.waveshare.com/wiki/SIM7000E_NB-IoT_HAT?Amazon">SIM7000E-HAT Wiki</a></strong></p><p>Es verwendet folgende ESP32 Anschluss pins (falls verfügbar)</p><ul>
<li>TXD0: Optional</li><li>RXD0: Optional<br>=>In V2.0 aber nicht implementiert !</li></ul><h3 id="rtc-uhrzeit-modul"><a name="rtc-uhrzeit-modul" href="#rtc-uhrzeit-modul"></a>RTC Uhrzeit-Modul</h3><p>Für eine gutes Monitoring und auch für die LoRaWAn Kommunikation ist stets die genaue Uhrzeit zur Synchronisation der Datenpakete nötig.</p><p>Für eine genaue Uhrzeit kommen 2 Quellen in Frage:</p><ul>
<li>Befragung eines NTP Servers via WiFI Anbindung, oder</li><li>via localem RTC Module</li></ul><p>Beide sind im Sketch implementiert und redundant zueinander verschaltet:<br>Besteht keine WiFi Verbindung wird das RTC Modul direkt befragt. Ansonsten wird via WiFi Verbindung Kontakt zu einem NTP Server aufgenommen und das lokale RTC Modul neu mit der NTP Zeit synchronisiert.<br>Darüber erhalten wir stets eine hinreichend genaue Uhrzeit vor.</p><p><img src="images_v2/RTC_DS3231.jpg"></p><p>Dieses RTC Modul mit DS3231 chip enthält neben einem sehr genauen Uhrzeitmodul auch ein internes EEPROM zur residenten Ablage von Betriebsdaten im Sleep Mode. Dies ist eine zusätzliche Alternative zur ESP NVRAM area oder gar der SDCard. Weitere Test müssen aber noch herausarbeiten, welcher Weg den geringeren Stromverbrauch bei hinreichender Speichergröße für die Sleep Mode Housekeeping Daten darstellt. Auch ist die Häufigkeit der Widerbeschreibbarkeit ein Thema, da der Sleep Mode alle 10-Minuten gestartet wird.</p><p>Dieses EEPROM 2432 ist mit einer eigenen Stromversorgung über ein 3V onboard Lithium-Akku (LIR-2032/3.6V)gepuffert.<br>Alternativ kann der Li-Akku auch durch eine normale 3V Li Zelle (CR2032 oder CR2016) ersetzt werden, dann aber mit endlicher Laufzeit. Eine “LostPower()” Funktion erlaubt einen Batterie-Stromausfall zu erkennnen und nachträglich abzufragen, um dann ggfs. die Uhrzeit neu zu stellen.</p><p>In rot umrandet eingezeichnet sind die, von mir vorgenommenen und <strong><a href="https://thecavepearlproject.org/2014/05/21/using-a-cheap-3-ds3231-rtc-at24c32-eeprom-from-ebay/">allseits empfohlenen Änderungen</a></strong> um den Stromverbrauch weiter zu reduzieren:</p><ul>
<li>Als Massnahme zur Stromreduktion:<ul>
<li>Abschalten der Power LED durch Abheben des Widerstandes links neben der POWER LED (oben im Bild).</li></ul>
</li><li>Alternativer Batteriebetrieb (onboard)<ul>
<li>Ein Jumper unterbricht den Ladekreislauf für den onboard Li-Akku, wenn stattdessen eine standard Li-Batterie verwendet wird. -> Ablöten des SMD-Wiederstandes 220Ohm und Ersatz durch Jumper und STd. 220Ohm Widerstand in Reihe (Im Bild u. rechts; Widerstand ist auf der Rückseite verbaut).</li></ul>
</li><li>Die I2C Adressierung kann im Bild unten links geändert werden: A0..A2.</li><li>Für meine Zwecke habe ich A2 kurzgeschlossen, was folgende Adressierung des RTC Moduls ergibt:<ul>
<li>RTC_Clock: 0x68</li><li>RTC_Eprom: 0x53</li></ul>
</li></ul><p>Das ergibt folgendes Mapping im I2C Adressraum des ESP32 Treibers:<br><img src="images_v2/I2C_AddressScan.jpg"><br>Hinter der Adresse 0x48 verbirgt sich das ADS1115 Modul.</p><p>Das I2C API wird am ESP32 über 2 frei definierte GPIO Leitungen realisiert:</p><pre class="cpp hljs"><code class="cpp" data-origin="<pre><code class="cpp">// RTC DS3231 Libraries
#include "RTClib.h"
// based on Wire.h library
// -&gt;referenced to pins_arduino.h:
// static const uint8_t SDA = 21;
// static const uint8_t SCL = 22;
RTC_DS3231 rtc; // Create RTC Instance
</code></pre>"><span class="hljs-comment">// RTC DS3231 Libraries</span>
<span class="hljs-preprocessor">#<span class="hljs-keyword">include</span> "RTClib.h"</span>
<span class="hljs-comment">// based on Wire.h library</span>
<span class="hljs-comment">// ->referenced to pins_arduino.h:</span>
<span class="hljs-comment">// static const uint8_t SDA = 21;</span>
<span class="hljs-comment">// static const uint8_t SCL = 22;</span>
RTC_DS3231 rtc; <span class="hljs-comment">// Create RTC Instance</span>
</code></pre><p>Die RTClib unterstützt die RTC Typen: RTC_DS1307, RTC_DS3231, RTC_PCF8523</p><p>Die rtc.begin() Funktion stützt sich auf die default I2C GPIO Einstellungen der Wire Lib ab, wie sie über die IDE im Rahmen der Standard Wire-Library (Wire.h) definiert, verwendet werden.</p><p>Über das RTC Modul kann man sehr elegant zu Testzwecken weitere I2C Module anschliessen (unten im Bild), da die I2C Leitungen durchgeschleift wurden. Die benötigten Pullup Widerstände für SDA udn SCL Leitung befinden sich zur Entlastung der ESP32 Ausgangstreiber ebenfalls onboard, sichtbar durch 2 SMD chips mit dem Aufdruck 472 (verbrauchen aber ca. 4 mAh !).</p><p>Als weiteres Feature führt dieses RTC Modul einen internen Chip-Temperatursensor, den man elegant auslesen kann. In diesem Fall verwende ich ihn zum Monitoring der Extension BOX internen Temperatur, um einem ev. Hitzetod der Elektronik an heissen Sommertagen vorzubeugen.</p><p>Zuletzt gibt es noch einen SQW Pin, an dem man sehr genaue Frequenzen programmieren kann um ext. Prozesse zu steuern. Aktuell wird er in diesem Projekt aber nicht verwendet -> DS3231_OFF … aber gut zu Wissen.</p><pre class="cpp hljs"><code class="cpp" data-origin="<pre><code class="cpp">/** DS3231 SQW pin mode settings */
enum Ds3231SqwPinMode {
DS3231_OFF = 0x01, // Off
DS3231_SquareWave1Hz = 0x00, // 1Hz square wave
DS3231_SquareWave1kHz = 0x08, // 1kHz square wave
DS3231_SquareWave4kHz = 0x10, // 4kHz square wave
DS3231_SquareWave8kHz = 0x18 // 8kHz square wave
}
</code></pre>"><span class="hljs-comment">/** DS3231 SQW pin mode settings */</span>
<span class="hljs-keyword">enum</span> Ds3231SqwPinMode {
DS3231_OFF = <span class="hljs-number">0x01</span>, <span class="hljs-comment">// Off</span>
DS3231_SquareWave1Hz = <span class="hljs-number">0x00</span>, <span class="hljs-comment">// 1Hz square wave</span>
DS3231_SquareWave1kHz = <span class="hljs-number">0x08</span>, <span class="hljs-comment">// 1kHz square wave</span>
DS3231_SquareWave4kHz = <span class="hljs-number">0x10</span>, <span class="hljs-comment">// 4kHz square wave</span>
DS3231_SquareWave8kHz = <span class="hljs-number">0x18</span> <span class="hljs-comment">// 8kHz square wave</span>
}
</code></pre><h2 id="power-management"><a name="power-management" href="#power-management"></a>Power Management</h2><p>Als größter und wichtigster Stromverbraucher gilt das ESP32-DevKitC board im Wifi + BT Modus mit bis zu 100mA an 3.3V. Diese Stromversorgung erhält der ESP32 selbst aber über das DevKitC Board und einem onboard Spannungswandler (AMS1117-3.3) von einer 5V USB Buchse.<br>Über den externen USB Port kann ebenfalls eine Ladespannung von 5V angelegt werden. Diese kann von einem PC, USB Netzteil oder einem 5V Photovoltaik Ladepanel stammen.</p><p>So existieren auf dem Extension Board 2 Hauptversorgungsleitungen:</p><ul>
<li>+5V: von der Batterieversorgung (die widerum auch die Ladespannung beziehen kann)<ul>
<li>Verbraucher sind:<ul>
<li>3x OneWire Bus -> Temperatur Sensoren</li><li>ADS1115 -> Power monitoring</li><li>RTC Modul -> Uhrzeitversorgung</li><li>4-port LevelChanger -> für ADS1115</li></ul>
</li></ul>
</li><li>3.3V: erzeugt auf dem ESP32 DevKitC Board. (Der Wandler unterstützt max. 1A Last)<ul>
<li>Verbraucher sind:<ul>
<li>ESP32 Wroom/Wrover-B + DevKitC Board Elemente</li><li>HX711 + Bosche Weight Cell</li><li>Micro SDCard Modul</li><li>LoRa Bee Client</li><li>ePaper Display</li><li>Monitor-LED</li></ul>
</li></ul>
</li></ul><p>Manche Module benötigen aber auch 5V, wodurch als Gesamt-Extension BOX Versorgungsspannung 5V gewählt wurde.<br>Diese 5V können über verschiedene Wege bereitgestellt werden:</p><p><img src="images_v2/BeeIoT_Client_Powerplan.jpg"></p><p>Ohne weitere Optimierungen und ohne Sleepmode verbraucht der akt. Aufbau ca. 200mA im aktiven Zustand.</p><h3 id="externer-usb-port"><a name="externer-usb-port" href="#externer-usb-port"></a>Externer USB Port</h3><p>Der direkteste und einfachste Weg ( wie auch zu testzwecken bei Arduinos üblich) ist natürlich direkt über einen externen USB Port als Ladeanschluss (max 1A möglich).</p><p><strong>Vorteil:</strong> Einfach und günstig über ein USB Ladegerät bereitzustellen.<br><strong>Nachteil:</strong> Die Reichweite ist zur Vermeidung von Stör-/Strahlungseinflüssen auf wenige Meter beschränkt.<br>–> Es erfordert einen wetterfesten Netzanschluss „in der Nähe“ (ev. ideal für die Heimgartenlösung).</p><p>In diesem Projekt wird ein exter USB Port als Lade- und Maintenance Port verwendet:</p><ul>
<li>Die 5V Leitung geht als Charge input an das Batteriemodul.</li><li>Die Datenleitungen gehen aber direkt an den internen USB port des ESP32 devKitC Boards, welches wiederum seine stablisierten 5V vom Ausgang der Batterieversorgung erhält.</li></ul><p>Hierfür habe ich steck-/lötbare Micro USB Buchsen verwendet und die zuleitungen wie oben beschrieben gesplittet.<br><img src="images_v2/MicroUSB.jpg"></p><p>Hierüber ist damit weiterhin ein problemloser offline Betrieb mit Datenzugriff zum FW upload auf den ESP32 möglich.</p><h3 id="batterie/akku"><a name="batterie/akku" href="#batterie/akku"></a>Batterie/Akku</h3><p>Als ladbare Batterie kämen in Frage ein</p><ul>
<li>Gel/Blei Akku<ul>
<li>Positiv: günstig im Einkauf</li><li>Negativ: hohes Gewicht und Volumen</li></ul>
</li><li>Lithium-Fe Akku<ul>
<li>Positiv: Hohe Energiedichte -> geringes Volumen und Gewicht</li><li>Positiv: lange Haltbarkeit der Ladung</li><li>Negativ: sensibel bei niedrigen Temperaturen</li><li>Negativ: hoher Preis</li></ul>
</li></ul><p>Natürlich wäre eine extern geladene Lithium Batterie wie z.B.<br> Lithium Akku 12-7.5 12,8V 7,5Ah 96Wh LiFePO4 Lithium-Eisenphosphat für 100€<br>über einen StepDown Wandler auf 5V der einfachste Weg eine konstante Spannungsversorgug sicherzustellen. Ist von 12V kommen aber mit größeren Wandlungs-Verlusten behaftet, und aufgrund von Gewicht und Abmaßen recht unhandlich.</p><p>Eleganter geht es mit einem Akkupack, welches in die Waage eingebaut werden kann und gleich ein Lade/Entlade Management Modu mit sich bringt. Viele dieser Varianten unterstützen aber nur Be- oder Entladung, gekoppelt mit einem weiteren Steckzyklus bei der Umschaltung.</p><p>Es gibt aber auch sogenannte <strong>“Passthru”</strong>-Regler die gleichzeitg Laden und Entladen beherrschen.<br>Ein günstiger Vertreter ist: <strong><a href="https://www.amazon.de/dp/B07FZ27Z77/ref=pe_3044161_185740101_TE_item">POWERADD Pilot Pro4 Powerbank</a></strong> mit den Eigenschaften:</p><ul>
<li>mit 30.000mAh Kapazität</li><li>3 USB Output(5V/2,1A)</li><li>2x USB 2A-Charge Input (parallel)</li><li>mit Lade-/Entladeintelligenz kompatibel zu iPhone XR/XS/X / 8 / 8Plus / 7 Samsung Galaxy usw.</li><li>Preis: 25,99€</li></ul><p>Dummerweise ist die interne Lade/Entladeintelligenz auch hinderlich, wenn sie der Meinung ist, ein ESP32 im Sleep Mode wäre “nicht vorhanden”. Denn dann wird der Ausgang einfach abgeschaltet. Genauere Messungen ergaben aber, dass der Ausgang nicht vollständig abgeschaltet wurde, sondern nur der StepUp Regler umgangen wurde. Es lagen dann am Ausgang die direkte Batteriespannung zw. 3.2 - 4.2V an.<br>Daher habe ich mich entschlossen die Charge Funktion zu erhalten, die Ausgangskontrolle aber einfach zu umgehen und die internen Anschlüsse direkt anzuzapfen:<br><img src="images_v2/BeeIoT_PowerBank.jpg"></p><ul>
<li>rot -> USB output (mit temp. Abschaltung)</li><li>grün -> Charge Input (+3-5V)</li><li>weiss -> Akku + Anschluss direkt (3.2 - 4.2V)</li><li>schwarz -> Masse / Akku - Anschluss</li></ul><p>Dadurch haben wir innerhalb der Extension Box alle Optionen diese Powerbank zu integrieren:</p><ul>
<li>Die ext. USB +5V Leitung an den Charge input</li><li>Der USB-Out Ausgang wird über einen nun externen StepUp Boost Regler von Sodial (4,35€) geführt<br><img src="images_v2/LinearBooster_LM2577.jpg"></li></ul><p>Der Linearregler: LM2577 liefert einstellbar saubere 5V und regelt definiert auf 0V runter, wenn die IN-Spannug auch gen 0V geht (Ein-/Ausschaltverhalten). Überschreitet der EIngang allerdings den eingestellten AUsgangswert von 5V, steigt auch der Ausgang mit an ! In unserem Fall aber ken problem, weil der LiFe Akku kaum mehr als 4.2V liefern könnte.<br>Weitere Eigenschaften des LM2577:</p><ul>
<li>Eingangsspannung: DC 3-34V, Eingangsstrom: 3A (max.)</li><li>Ausgangsspannung: DC 4-35V (stufenlos einstellbar), Ausgangsstrom: 2,5 A (max.)</li></ul><p>Ein ähnliches Exemplar nur ohne LED ANzeige:<br><strong>ANGEEK DC-DC Boost Buck Adjustable Step Up Step Down Automatic Converter XL6009 Module</strong> 6,99€<br>aber mit einem BuckBoost Converter XL6009, regelte am Ausgang plötzlich auf ca. 15V hoch, wenn die Eingangsspannung unterhalb 3.2V ging. Erst weit unter 2V ging die Ausgangsspannug auch gegen 0V.<br>Diese Episode hätte den ESP32 in die ewigen Jagdgründe geschossen.<br>So bleibt es erstmal bei dem etwas mehr Strom verbrauchenden Wandler mit LED Anzeige und Linearregler.</p><p>Die so gewonnen 5V werden so lange geliefert, wie der LiFe-Akku nicht unter 3.2V kommt.<br>Darum habe ich im Programm über einen ADS1115 gemessen folgende Batterieschwellwerte festgelegt, die für jede 3.7V LiFe Akku gelten:</p><pre class="cpp hljs"><code class="cpp" data-origin="<pre><code class="cpp">#define BATTERY_MAX_LEVEL 4150 // mV -&gt; 100%
#define BATTERY_MIN_LEVEL 3200 // mV -&gt; 0%
#define BATTERY_SHUTDOWN_LEVEL 3100 // mV -&gt; -10%
</code></pre>"><span class="hljs-preprocessor">#<span class="hljs-keyword">define</span> BATTERY_MAX_LEVEL 4150 <span class="hljs-comment">// mV -> 100%</span></span>
<span class="hljs-preprocessor">#<span class="hljs-keyword">define</span> BATTERY_MIN_LEVEL 3200 <span class="hljs-comment">// mV -> 0%</span></span>
<span class="hljs-preprocessor">#<span class="hljs-keyword">define</span> BATTERY_SHUTDOWN_LEVEL 3100 <span class="hljs-comment">// mV -> -10%</span></span>
</code></pre><p>An dieser Stelle hilft es die Energie-Rechnung aus Kapitel: <strong><a href="#die-mcu-arduino-ESP32-platform">Die MCU Arduino/ESP32 Platform</a></strong> nochmal nachzurechnen:</p><ul>
<li>Anteil Aktivphase: 10 Sek./10Minuten: 1/60</li><li>auf 6 Monate entspricht das (6x30x24)h/60 = 72h = 3Tage Aktivphase</li><li>=> 4320-3 Tage Passivphase = 4317 Tage</li><li>Stromverbrauch Passivphase: 4317 x 1mAh = 4317mAh von nun <strong>30.000mAh</strong></li><li>Möglicher <strong>Stromverbrauch Aktivphase</strong>: (30.000mAh - 4317mAh)/72h = 5683mAh / 72h = <strong>~365mA</strong></li></ul><p>Pro Tag kämen wir auf einen Gesamtverbrauchsmix:</p><ul>
<li>Aktivphase : 24 x 6 x 10Sekunden = 24 Minuten -> 80mAh</li><li>Passivphase: 24 x 60 - 24Minuten = 1416 Minuten -> 59mAh<br>in Summe also 139mAh/Tag ergibt bei 30.000mAh Akku Kapazität = <strong>215 Tage Laufzeit</strong>.</li></ul><p>Und das ohne jede Aufladung. Ergänzen wir das ganze noch mit einem 5V PV-Solar Modul am ext. USB port …</p><h3 id="power-monitoring"><a name="power-monitoring" href="#power-monitoring"></a>Power Monitoring</h3><p>Um die oben genannten Lade-/Entladezyklen verfolgen zu können, habe ich einen 4-port AD Wandler ADS1115 spendiert der über einen 3.3V <-> 5V levelchanger ebenfalls am I2C Port des ESP32 hängt.<br><img src="images_v2/ADS1115.jpg"></p><p>Falls eingestellte Schwellwerte erreicht werden, wird die Alertleitung als Interrupt genutzt.<br>Dies ist z.B. der fall wenn der BATTERY_MIN_LEVEL an der Akku+ Line erreicht wird,<br>dann muss die Stockwaage abgeschaltet werden (bzw. Dauersleepmode) um den Lithium-Akku zu schützen.</p><p>Für die eigene Versorgungsspannung Vcc= 5V des Converters habe ich 5V gewählt um ein größeres messbares Spannungsfenster an den AnalogPorts verfügbar zu haben: 0V – 4,096V -> 1mV / Step .<br>Die 3.3V GPIO Pegel werden über einen duplexfähigen Level Converter per Datenleitung auf 5V Pegel umgesetzt.<br>Über 2x 3.3kOhm Widerstände werden am ADS1115 AnalogPort 3 ein Spannungsteiler zur Messung der (eigenen) 5V Spannungsversorgung ermöglicht. Ähnlich müsste man bei größeren Spannungsquellen verfahren die >4V liegen.</p><p>Durch die Verschaltung des ADDR = 0 Anschlusses erhalten wir die I2C Adresse 0x48. Somit kein Konflikt mit dem RTC Modul zu befürchten.<br>Hier die Definitionen des ADS im Sketch:</p><pre class="cpp hljs"><code class="cpp" data-origin="<pre><code class="cpp">#include &lt;Adafruit_ADS1015.h&gt; // support for ADS1015/1115
// ADS1115 + RTC DS3231 - I2C Port