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Was hat ein kühles Bier mit IoT zu tun

adafruit3Seit einiger Zeit beschäftige ich mich intensiv mit dem Internet-of-Things (IoT) und frage mich dabei immer wieder: Wozu braucht man denn so was. Aber zugegebenermaßen – in Verbindung mit Mikrocontrollern wie dem Arduino ist es natürlich sehr reizvoll vom Smartphone Steckdosen zu schalten oder die Temperatur und Feuchte seines Kellers zu messen und vom Smartphone aus zu kontrolieren, und das egal wo ich mich gerade befinde.

Ein aktuelles Problem aus dem wahren Leben brachte mich diesem Thema gerade jetzt näher und ich möchte meine Erfahrungen mit euch teilen.

Die Aufgabe

Für ein kleines Fest sollten natürlich ausreichend kalte Getränke, insbesonders leckeres Kölsch zur Verfügung stehen. Der Kühlschrank in der Küche war schon mit leckerem Essen gefüllt und die Temperatur im Keller lag bei ca. 21°C während die Außentemperatur auf knapp 30°C tagsüber anstieg.

Die Idee

Was also tun? Im Keller steht seit einiger Zeit ein ungenutzter Gefrierschrank. Den kann man doch hervorragend als Kühlschrank nutzen, wenn man verhindert, dass er die Getränke einfriert. Also einfach, so die Idee, die Kühlung bei einer Temperatur von ca 5°C ausschalten und bei 6°C wieder einschalten.

Die Realisierung

Alles, was ich dazu brauche habe ich in meiner Bastelkiste:
a) zum Messen der Temperatur
– einen Arduino
– einen DS18B20 Temperatursensor
– einen 4k7 Widerstand
b) zum Schalten der Steckdose
– einen 433MHz Sender- eine Funksteckdose
c) zusätzlich
– ein ProtoshieldDS18B20

Der DS18B20 wurde an ein Flachbandkabel gelötet und mit Acryldichtmasse wasserdicht gekapselt. Das Flachbandkabel wurde durch die Türdichtung des Gefrierschranks geführt und der Sensor wurde mit Klebeband im Innern befestigt. Das Programm wurde schnell aus den im Netz vorhandenen Bausteinen zusammengesetzt. Zum Messen der Temperatur wurde die OneWire Lib genutzt, wobei das Programm auf die bekannte Adresse des genutzten Sensors reduziert wurde. Jedem, der mit Netzspannung in seinen Projekten arbeitet, kann ich nur raten, diese immer mit einer Funksteckdose zu schalten. Netzspannung ist lebensgefährlich und mit Nutzung einer Funksteckdose kann fast nichts mehr passieren. Für die Ansteuerung der Funksteckdose benutze ich die RCSwitch Lib. Ich habe den Vorteil Steckdosen vom TypA mit einem Hauscode zu besitzen, damit ist das Schalten sehr simpel.

#include <OneWire.h>
OneWire  ds(6);  // on pin x (a 4.7K pullup resistor is necessary)
#include <RCSwitch.h>
RCSwitch mySwitch = RCSwitch();

boolean refri_stat;
float fptemp = 5.5;  // initial set
float delta = 0.5;  // adjustment range

/*************************** Sketch Code ************************************/

void setup(void) {
  Serial.begin(115200);
  Serial.println(F("Program started ..."));
  // Transmitter is connected to Arduino Pin #xx
  mySwitch.enableTransmit(7);
  // Switch off refrigerator
  mySwitch.switchOff("01111", "01000");
  refri_stat = false;
}

void loop(void) {
  float temp_c = (measure_t());    // call the subroutine to measure
  if (!refri_stat && temp_c > fptemp + delta) {    // decide to switch on/off with hysteresis
    mySwitch.switchOn("01111", "01000");
    refri_stat = true;
  }
  if (refri_stat && temp_c < fptemp - delta) {
    mySwitch.switchOff("01111", "01000");
    refri_stat = false;
  }
  Serial.print(" on/off state = ");
  Serial.println(refri_stat);
}

float measure_t() {
  byte i;
  byte present = 0;
  byte type_s;
  byte data[12];
  byte addr[8] = { 0x28, 0x62, 0x21, 0x80, 0x04, 0x00, 0x00, 0xC1 };    // adress of the sensor
  ds.reset();
  ds.select(addr);
  ds.write(0x44, 1);        // start conversion, with parasite power on at the end
  delay(1000);     // maybe 750ms is enough, maybe not
  // we might do a ds.depower() here, but the reset will take care of it.
  present = ds.reset();
  ds.select(addr);
  ds.write(0xBE);         // Read Scratchpad
  for ( i = 0; i < 9; i++) {           // we need 9 bytes
    data[i] = ds.read();
  }
  int16_t raw = (data[1] << 8) | data[0];
  float celsius = (float)raw / 16.0;
  Serial.print("Sensor present = ");
  Serial.print(present, HEX);
  Serial.print("  Temperature[C] = ");
  Serial.print(celsius);
  Serial.print(" ");
  return celsius;
}

Die Ausgabe sieht dann so aus, gemessen wird ca. im Sekundenrhythmus, hier noch bei Raumtemperatur:

Program started ... 
Sensor present = 1  Temperature[C] = 24.94  on/off state = 1 
Sensor present = 1  Temperature[C] = 25.00  on/off state = 1 
Sensor present = 1  Temperature[C] = 24.94  on/off state = 1 
Sensor present = 1  Temperature[C] = 25.00  on/off state = 1 
Sensor present = 1  Temperature[C] = 25.00  on/off state = 1 
Sensor present = 1  Temperature[C] = 25.00  on/off state = 1 
Sensor present = 1  Temperature[C] = 25.00  on/off state = 1 
Sensor present = 1  Temperature[C] = 25.00  on/off state = 1 
Sensor present = 1  Temperature[C] = 25.00  on/off state = 1 
Sensor present = 1  Temperature[C] = 25.00  on/off state = 1 
Sensor present = 1  Temperature[C] = 25.00  on/off state = 1 
Sensor present = 1  Temperature[C] = 25.00  on/off state = 1 
Sensor present = 1  Temperature[C] = 25.06  on/off state = 1 
Sensor present = 1  Temperature[C] = 25.06  on/off state = 1 

…. und nun zum Thema IoT

Ein gewisses ungutes Gefühl blieb bestehen. Was ist mit der Temperatur? Schaltet der Arduino zuverlässig? Stürzt das Programm nicht ab? Ich hatte verständlicherweise keine Lust ständig in den Keller zu laufen, also musste eine andere Lösung her. Die Daten müssen in die Cloud! Während ich in meinem letzten Blogbeitrag den Service von data.sparkfun.com  genutzt habe, werde ich hier den Service von Adafruit nutzen. Adafruit bietet nicht nur die Speicherung der Daten, sondern auch ein Dashboard, um seine Daten zu sehen und Eingaben zu tätigen. Die Basis der Kommunikation setzt hier auf das MQTT Protokoll auf. Das einzige zusätzliche Material, was zum Einsatz kam, war ein Ethernet Shield. Über ein Powerline Netzwerk wurde vom Router das Ethernet bis in den Keller verlängert.

Mit Hilfe der Tutorials auf Adafruit war mein Account schnell erstellt. Auf meinem Dashboard wollte ich nicht nur die Temperatur und den Zustand der Funksteckdose anzeigen lassen, sondern ich wollte auch den Sollwert der Temperatur verändern können. Ich brauchte also 3 Feeds:
1. die Temperatur – schreibend (publish) vom Arduino auf den Broker (so bezeichnet man den Server in einer MQTT Kommunikation)
2. den Zustand der Funksteckdose (an/aus) und damit die Funktion des Gefrierschranks (kühlen) – schreibend vom Arduino auf den Broker
3. die Einstellung des Soll-Temperaturwertes: am Dashboard einzustellen, der Arduino greift lesend (subscribe) auf den Broker zu

Hier die Sicht auf das Dashboard knapp 3 Stunden nach dem Einschalten. Die Temperatur schwingt zunächst noch über den Zielwert um sich dann später zwischen 13°C und 14°C einzupendeln. Der Status ist momentan Kühlung = aus. Die Einschaltdauer liegt jeweils bei ca. 1 min, aus bei ca. 30 min.

adafruit2

Das oben gelistete Programm wurde durch die notwendigen Befehle der Adafruit IO Library ergänzt. Ich habe versucht das durch zahlreiche Kommentare verständlich zu machen.

#include <OneWire.h>
OneWire  ds(6);  // on pin x (a 4.7K pullup resistor is necessary)
#include <RCSwitch.h>
RCSwitch mySwitch = RCSwitch();
boolean refri_stat;

/***************************************************
  Adafruit MQTT Library Ethernet Example

  Adafruit invests time and resources providing this open source code,
  please support Adafruit and open-source hardware by purchasing
  products from Adafruit!

  Written by Alec Moore
  Derived from the code written by Limor Fried/Ladyada for Adafruit Industries.
  MIT license, all text above must be included in any redistribution
 ****************************************************/
#include <SPI.h>
#include "Adafruit_MQTT.h"
#include "Adafruit_MQTT_Client.h"

#include <Ethernet.h>
#include <EthernetClient.h>
#include <Dns.h>
#include <Dhcp.h>

/************************* Ethernet Client Setup *****************************/
byte mac[] = {0xDE, 0xAD, 0xBE, 0xEF, 0xFE, 0xED};

//Uncomment the following, and set to a valid ip if you don't have dhcp available.
IPAddress iotIP (192, 168, 2, 99);
//Uncomment the following, and set to your preference if you don't have automatic dns.
//IPAddress dnsIP (8, 8, 8, 8);
//If you uncommented either of the above lines, make sure to change "Ethernet.begin(mac)" to "Ethernet.begin(mac, iotIP)" or "Ethernet.begin(mac, iotIP, dnsIP)"


/************************* Adafruit.io Setup *********************************/

#define AIO_SERVER      "io.adafruit.com"
#define AIO_SERVERPORT  1883
#define AIO_USERNAME    "<your username here>"
#define AIO_KEY         "<your AIO key here>"


/************ Global State (you don't need to change this!) ******************/

//Set up the ethernet client
EthernetClient client;

// Store the MQTT server, client ID, username, and password in flash memory.
// This is required for using the Adafruit MQTT library.
const char MQTT_SERVER[] PROGMEM    = AIO_SERVER;
// Set a unique MQTT client ID using the AIO key + the date and time the sketch
// was compiled (so this should be unique across multiple devices for a user,
// alternatively you can manually set this to a GUID or other random value).
const char MQTT_CLIENTID[] PROGMEM  = __TIME__ AIO_USERNAME;
const char MQTT_USERNAME[] PROGMEM  = AIO_USERNAME;
const char MQTT_PASSWORD[] PROGMEM  = AIO_KEY;

Adafruit_MQTT_Client mqtt(&client, MQTT_SERVER, AIO_SERVERPORT, MQTT_CLIENTID, MQTT_USERNAME, MQTT_PASSWORD);

/****************************** Feeds ***************************************/

// Setup a feed called 'biertemp' for publishing.
// Notice MQTT paths for AIO follow the form: <username>/feeds/<feedname>
const char BIERMON_FEED[] PROGMEM = AIO_USERNAME "/feeds/biertemp";
Adafruit_MQTT_Publish biermon = Adafruit_MQTT_Publish(&mqtt, BIERMON_FEED);

const char ONOFF_FEED[] PROGMEM = AIO_USERNAME "/feeds/onoff";
Adafruit_MQTT_Publish onoffbutton = Adafruit_MQTT_Publish(&mqtt, ONOFF_FEED);

const char SETTEMP_FEED[] PROGMEM = AIO_USERNAME "/feeds/settemp";              // definition of feedname
Adafruit_MQTT_Subscribe settemp = Adafruit_MQTT_Subscribe(&mqtt, SETTEMP_FEED);   // subscription
 
float stat = 0;
float fptemp = 25;  // initial set
float delta = 0.1;  // adjustment range
unsigned long lastmillis;

/*************************** Sketch Code ************************************/

void setup(void) {
  Serial.begin(115200);
  Serial.println(F("Program started ..."));
  // Transmitter is connected to Arduino Pin #xx
  mySwitch.enableTransmit(7);
  // Switch off refrigerator
  mySwitch.switchOff("01111", "01000");
  refri_stat = false;
  Ethernet.begin(mac, iotIP);
  delay(1000); //give the ethernet a second to initialize
  Serial.print("My IP address: ");
  Serial.println(Ethernet.localIP());
  mqtt.subscribe(&settemp);      // activate subscription to feed settemp
}

void loop(void) {
  MQTT_connect();
  Adafruit_MQTT_Subscribe *subscription;   // check subscription
  while ((subscription = mqtt.readSubscription(500))) {
    // Check if its the settemp feed
    if (subscription == &settemp) {
      Serial.print(F("Got new Temp: "));
      Serial.println((char *)settemp.lastread);
      fptemp = atof((char *)settemp.lastread);  // set to new temperature
      Serial.println(fptemp);
    }
    else {
      Serial.print(F("nothing to read "));
    }
  }
  float temp_c = (measure_t());
  if (!refri_stat && temp_c > fptemp + delta) {
    mySwitch.switchOn("01111", "01000");
    refri_stat = true;
  }
  if (refri_stat && temp_c < fptemp - delta) {
    mySwitch.switchOff("01111", "01000");
    refri_stat = false;
  }
  Serial.print(" on/off state = ");
  Serial.println(refri_stat);
  // Now we can publish stuff!
  if (stat != float(refri_stat)) {    // only when changed
    Serial.print(F("\nSending changed on/off state "));
    Serial.print(refri_stat);
    Serial.println("...");
    stat = float(refri_stat);     // published value has to be float (don't know why)
    if (! onoffbutton.publish(stat)) {
      Serial.println(F("Failed"));
    } else {
      Serial.println(F("OK!"));
    }
  }
  if (millis() > lastmillis + 15000) {  // read / write broker every xx milliseconds
    MQTT_connect();
    // Now we can publish stuff!
    Serial.print(F("\nSending temp val "));
    Serial.print(temp_c);
    Serial.println("...");
    if (! biermon.publish(temp_c)) {
      Serial.println(F("Failed"));
    } else {
      Serial.println(F("OK!"));
    }
    // ping the server to keep the mqtt connection alive
    if (! mqtt.ping()) {
      mqtt.disconnect();
    }
    lastmillis = millis();
  }

}

float measure_t() {
  byte i;
  byte present = 0;
  byte type_s;
  byte data[12];
  byte addr[8] = { 0x28, 0x62, 0x21, 0x80, 0x04, 0x00, 0x00, 0xC1 };
  //byte addr[8] = { 0x28, 0x42, 0xCC, 0x7F, 0x04, 0x00, 0x00, 0xAA };
  ds.reset();
  ds.select(addr);
  ds.write(0x44, 1);        // start conversion, with parasite power on at the end

  delay(1000);     // maybe 750ms is enough, maybe not
  // we might do a ds.depower() here, but the reset will take care of it.

  present = ds.reset();
  ds.select(addr);
  ds.write(0xBE);         // Read Scratchpad
  for ( i = 0; i < 9; i++) {           // we need 9 bytes
    data[i] = ds.read();
  }
  int16_t raw = (data[1] << 8) | data[0];
  float celsius = (float)raw / 16.0;
  Serial.print("Sensor present = ");
  Serial.print(present, HEX);
  Serial.print("  Temperature[C] = ");
  Serial.print(celsius);
  Serial.print(" ");
  return celsius;
}

// Function to connect and reconnect as necessary to the MQTT server.
// Should be called in the loop function and it will take care if connecting.
void MQTT_connect() {
  int8_t ret;

  // Stop if already connected.
  if (mqtt.connected()) {
    return;
  }

  Serial.print("Connecting to MQTT... ");

  while ((ret = mqtt.connect()) != 0) { // connect will return 0 for connected
    Serial.println(mqtt.connectErrorString(ret));
    Serial.println("Retrying MQTT connection in 5 seconds...");
    mqtt.disconnect();
    delay(5000);  // wait 5 seconds
  }
  Serial.println("MQTT Connected!");
}

Video

Video (Downloadlink):

Daten in der Cloud – Visualisierung auf dem Bildschirm

screenshot1Einleitung

In den letzten Wochen habe ich mich intensiv mit dem Thema IoT beschäftigt. Auf der Suche nach Diensten zur Speicherung von Daten in der Cloud bin ich auf data.sparkfun.com aufmerksam geworden. Dieser Dienst eignet sich gerade für Programmieranfänger hervorragend Daten strukturiert in der Cloud abzulegen.

In diesem Blogpost beschreibe ich eine einfache Methode auf data.sparkfun abgelegte numerische Daten grafisch zu präsentieren. Dabei bediene ich mich wieder des Javascript Moduls dygraphs, das ich schon in früheren Blogposts genutzt habe, um Daten grafisch darzustellen.

Der Dienst data.sparkfun

Die Konfiguration einer Datentabelle auf data.sparkfun ist denkbar einfach, so dass ich an dieser Stelle auf eine Anleitung verzichten möchte.

stream-create

Mit nur wenigen Klicks hat man eine Datentabelle (data stream) angelegt. Auf der Webseite sind nur wenige Eingaben zu machen. Der Dienst ist kostenlos und anonym, allerdings ist die Größe des Streams auf 50MB beschränkt, die ältesten Daten werden bei Überschreitung gelöscht. Die Daten sind öffentlich, jeder, der die url kennt, kann die Daten abrufen. Eine Sicherheit für die Verfügbarkeit der Daten wird nicht gegeben. Nichtsdestotrotz ist es ein hervorragender Dienst, um mit dem IoT erste Erfahrungen zu machen.

Die Daten und deren Darstellung

screenshot2Über die Webseite data.sparkfun.com kann man seine Daten tabellarisch ansehen und als Datei im csv oder json Format herunterladen. Eine grafische Darstellung ist hier nicht vorhanden. Anleitungen zur grafischen Darstellung mit Google Charts oder als eigene Platform (analog.io) existieren, sind mir aber entweder zu unflexibel oder zu google-lastig. Mein Favorit ist nach wie vor DyGraphs, zur Nutzung mit data.sparkfun gab es aber bisher keine Anleitung, so dass ich selbst kreativ werden musste.  Dabei habe ich wieder so einiges über JavaScript lernen müssen / dürfen und meine Erfahrungen gebe ich wie immer gerne weiter.

JavaScript eignet sich für diese Aufgabe im Gegensatz zu PHP besonders deshalb, weil kein separater Server zum Aufruf dieser Webseite benötigt wird. Die html-Datei mit der Formatierung der Webseite kann lokal auf dem eigenen Rechner liegen, die Verarbeitung findet komplett im Browser statt.

Die hier genutzte html-Beispieldatei greift auf einen aktiven Stream auf data.sparkfun zu und zeigt im Screenshot oben die Entladung und Ladung eines Li-Ionen Akkus, über den der Arduino mit Ethernetshield, der die Daten auf data.sparkfun pushed, gleichzeitig mit Strom  versorgt wird.

Die Struktur der html-Datei erkläre ich hier, damit sollte die Anpassung auf einen eigenen Stream recht einfach sein.

screenshot3Zuoberst findet man die üblichen HTML Tags im Kopfbereich einer html-Datei und die Angabe der Quelle für 2 JavaScript-Module, hier als hosted Version, die auskommentierten Zeilen nutzt man, wenn die Dateien lokal im gleichen Verzeichnis wie die html-Datei liegt. Es folgt eine einfache farbliche Formatierung der Webseite.

screenshot4Die nachfolgenden Zeilen sind in eine onload() Funktion eingebettet und definieren die Größe der späteren Grafik, die über die id=graphdiv2 später befüllt wird.

screenshot5Dies ist die Funktion zum Download der Daten von data.sparkfun. An dieser Stelle muss der public Key der eigenen Daten eingetragen werden. Über eine jquery Funktion werden die Daten von Sparkfun geladen. An dieser Stelle kann ein Filter definiert werden, entweder man lädt die Daten page-weise ( data: {page: 1};  ) oder nutzt einen der hier beschriebenen möglichen Filter zur Einschränkung der Zahl der Daten.  Der hier benutzte Filter „today“ für den timestamp ist nirgendwo dokumentiert und habe ich zufällig herausgefunden, also nicht wundern, wenn mit meinem Script eine leere Grafik erscheint. Für einen ersten Test kann man die Zeile auskommentieren.

screenshot6Die json-Daten müssen in ein Array überführt werden, dabei werte ich aus, wie groß der zeitliche Abstand der Daten ist und entscheide darüber, ob die Datenpunkte mit Linien verbunden werden (hier 250.000 Sekunden, also etwas über 4 Minuten) .  Hier müssen die Namen der Datenfelder eingesetzt werden , in meinem Fall ubatt und ucc.

screenshot7Damit die zeitliche Darstellung der Daten korrekt ist, wird das gesamte Array in der Reihenfolge umgekehrt. Das Array wird dann an Dygraph übergeben mit einigen Parametern zur Darstellung und den Labeln für die Daten.

Die vollständige html-Datei liegt auf meinem Git zusammen mit dem Arduino Programm zum pushen der Daten.

Ausblick

Ich habe inzwischen den phant Server auch auf einem RaspberryPi laufen, funktioniert hervorragend. Leider habe ich den mqtt-output noch nicht ans laufen gebracht. Dieser Service ist bei Sparkfun leider sehr unzuverlässig, so dass ich davon – zumindest bei der hosted Version – erst mal abraten würde.
Speziell für den Arduino Uno werde ich einen Stream erstellen, wo alle analogen Eingänge als Integer und die digitalen Eingänge als Boolean 1/0 gepushed werden können. Auf einer Webseite soll man dann wählen können, welche Daten grafisch aufbereitet werden sollen. Auch das zeitliche filtern der Daten will ich auf der Webseite eingebbar machen.