EasyMeter. Embedded Software Vorlesung und Praktikum Thomas Brinkmann Ludwig Horsthemke

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1 EasyMeter Embedded Software Vorlesung und Praktikum Thomas Brinkmann Ludwig Horsthemke Stegerwaldstraße 39 D Steinfurt fon +49 (0) fax +49 (0)

2 Inhalt Stromzähler Herkömmlich Smartmeter EasyMeter UART Spezifikation Serielle Kommunikation in wiringpi Telegramme des EasyMeter Multithreading in Linux Textanalyse in C Praktikum 2 von 00

3 Inhalt Stromzähler Herkömmlich Smartmeter EasyMeter UART Spezifikation Serielle Kommunikation in wiringpi Telegramme des EasyMeter Multithreading in Linux Textanalyse in C Praktikum 3 von 00

4 Definition Wikipedia: Der Stromzähler ist ein über einen zeitlichen Verlauf integrierendes Messgerät zur Erfassung der Menge einer gelieferten bzw. verbrauchten elektrischen Größe. Der Begriff Stromzähler, auch Elektrizitätszähler, wird primär für Messgeräte verwendet, mit denen die elektrische Wirkleistung über der Zeit summiert wird, wodurch die elektrische Energie gemessen wird. Der physikalisch korrekte Begriff ist Energiezähler. Misst nicht den Strom, sondern die reine aufgenommene Wirkleistung über die Zeit Unternehmen müssen Blindleistung zahlen(und kompensieren)! 4 von 00

5 Inhalt Stromzähler Herkömmlich Smartmeter EasyMeter UART Spezifikation Serielle Kommunikation in wiringpi Telegramme des EasyMeter Multithreading in Linux Textanalyse in C Praktikum 5 von 00

6 Aufbau Klassischer Stromzähler ist ein Ferraris-Zähler Spezielle Form des Aynchronmotors: Ferrarisläufer 1. Aluminiumscheibe liegt zwischen zwei Spulen 2. Spule mit wenigen Wicklungen als Strompfad 3. Spule mit hoher Impedanz als Spannungspfad Zusammen erzeugen sie ein Drehmoment, welches die Aluminiumscheibe antreibt 4. Dauermagnet als Wirbelstrombremse(Linearisierung der Drehzahl) Bei Mehrphasensystemen wird pro Außenleiter ein Spulenpaar genutzt Drehmomente addieren sich ~ Strom/Spannungsprodukt 6 von 00

7 Funktionsweise Spannungsspule erzeugt Magnetfeld~Netzspannung und induziert Wirbelströme Stromspule erzeugt Wirbelströme~Verbraucherstrom Überlagerung der Magnetfelder treibt Aluminiumscheibe an 90 -Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung verhindert BlindleistungsDrehmoment 7 von 00 Berechnung nach W = P * t = U * I * t

8 Inhalt Stromzähler Herkömmlich Smartmeter EasyMeter UART Spezifikation Serielle Kommunikation in wiringpi Telegramme des EasyMeter Multithreading in Linux Textanalyse in C Praktikum 8 von 00

9 Smartmeter Hauptsächlich werden drei Arten von elektronischen Energiezählern eingesetzt: 1. physikalische Multipliziereffekte (Hall-Multiplizierer) Hallelementsensor AD-Wandler µ-prozessor 2. analogrechnerische Multiplizierer (TimeDivisionMultiplizierer) Shunt Messwandler Multiplizierer U/f-Umsetzer Zähler 3. digitalrechnerische Multiplizierer (numerische Berechnung mit einem Rechner) Shunt Messwandler AD-Wandler Signalprozessor Zähler 9 von 00

10 Inhalt Stromzähler Herkömmlich Smartmeter EasyMeter UART Spezifikation Serielle Kommunikation in wiringpi Telegramme des EasyMeter Multithreading in Linux Textanalyse in C Praktikum 10 von 00

11 EasyMeter Typ Q3DA1004 Wirkleistungszähler Drehstromzähler (auch als Wechselstromzähler zugelassen) Shunt als Stromsensor Impulse/kWh Optische D0-Schnittstelle (OBIS Protokoll) 2-sekündlich, nur sendend 11 von 00

12 Inhalt Stromzähler Herkömmlich Smartmeter EasyMeter UART Spezifikation Serielle Kommunikation in wiringpi Telegramme des EasyMeter Multithreading in Linux Textanalyse in C Praktikum 12 von 00

13 Spezifikation Serielle digitale Datenübertragung mit: 1 Start-Bit 5 bis 9 Daten-Bits 1 Parity-Bit (optional) 1 Stopp-Bit (kann auf 1,5 bis 2 fache Zeit ausgedehnt werden) Startbit HIGH LOW 13 von Parity Stopbit Ruhe Bitrate in bit/s Bitdauer in ms 50 20, , , , , , , , , , , ,00

14 Signalverlauf am PI 14 von 00

15 Signalverlauf am Transistor 15 von 00

16 Inhalt Stromzähler Herkömmlich Smartmeter EasyMeter UART Spezifikation Serielle Kommunikation in wiringpi Telegramme des EasyMeter Multithreading in Linux Textanalyse in C Praktikum 16 von 00

17 Serielle Kommunikation in wiringpi Einbindung durch #include <wiringserial.h> Relevante Funktionen: int serialopen(char *device, int baud); Liefert Linux filedescriptor zurück! void serialclose(int fd); int serialdataavail(int fd); int serialgetchar(int fd); void serialflush(int fd); Erweiterte Einstellungen: 'man termios' oder 17 von 00

18 Serielle Kommunikation in wiringpi Raspberry Pi Broadcom BCM2835 (ARMv6) PrimeCell UART (PL011) FIFO Buffer (TX: 8bit x 16, RX: 12bit x 16) TX & RX Logik Taktgenerierung (Baudrate) Interruptgenerierung Anbindung an AMBA-Bus Serieller Treiber in Linux zeichenorientiertes Gerät: /dev/ttyama0 open() u.ä. liefern Datei-Handle zurück (Typ int) 18 von 00

19 Inhalt Stromzähler Herkömmlich Smartmeter EasyMeter UART Spezifikation Serielle Kommunikation in wiringpi Telegramme des EasyMeter Multithreading in Linux Textanalyse in C Praktikum 19 von 00

20 Telegramme des EasyMeter Logiklevel Daten HIGH IR-Led an, Daten LOW IR-Led aus Invertierte Logik an Eingängen des PI Inverter hinter IR-Transistor Telegramm alle 2s, Max. 150 Zeichen je Telegramm 1 Startbit, 7 Datenbit, 1 Paritätsbit (even), 1 Stopbit Aufbau Rahmen Herstellerkenn ung gemäß DIN EN Rahmen (Baudrate) Identifikation Rahmen Daten Rahmen / ESY 5 Bauart-/Typen name CR LF CR LF Nutzlast (Dateninhalt)! CR LF 20 von 00

21 Telegramme des EasyMeter Die Dateninhalte werden nach DIN EN kodiert Kennzahl gemäß DIN EN Rahmen Rahmen (Baudrate) Rahmen A-B:C.D.E*F ( Inhalt zur Kennzahl ) Dateninhalte in der Form Value*Unit (z.b.: *W) OBIS Kennzahlen 21 von 00 Ziel / Bedeutung OBIS Eigentumsnummer 1-0:0.0.0*255 Zählerstand 1-0:1.8.0*255 L1+ Active Power (momentane Leistung P1) 1-0:21.7.0*255 L2+ Active Power (momentane Leistung P2) 1-0:41.7.0*255 L3+ Active Power (momentane Leistung P3) 1-0:61.7.0*255 Σ Li+ Active Power (momentane Summe der Leistung) 1-0:1.7.0*255 Statusinformation 1-0:96.5.5*255 Fabriknummer 0-0: *255

22 Telegramme des EasyMeter Beispiel: /ESY5Q3DA1004 V :0.0.0*255(1ESY ) 1-0:1.8.0*255( *kWh) 1-0:21.7.0*255( *W) 1-0:41.7.0*255( *W) 1-0:61.7.0*255( *W) 1-0:1.7.0*255( *W) 1-0:96.5.5*255(B0) 0-0: *255(1ESY )! 22 von 00

23 Inhalt Stromzähler Herkömmlich Smartmeter EasyMeter UART Spezifikation Serielle Kommunikation in wiringpi Telegramme des EasyMeter Multithreading in Linux Textanalyse in C Praktikum 23 von 00

24 Multithreading in Linux Motivation UART liefert einzelne Character serialdataavail() prüft, ob Daten verfügbar sind serialgetchar() gibt ein char zurück Hauptprogramm interessieren Telegramme, nicht die einzelnen Zeichen newtelegramavailable() gettelegram() Wie werden Zeichen empfangen und zu einem Telegramm zusammengesetzt? 24 von 00 separater Task

25 Multithreading in Linux Multithreading mit wiringpi Funktion: int Macro: PI_THREAD (mythread) { code here } Leider keine Parameterübergabe an Funktion! pithreadcreate(name); Pthreads 25 von 00 #include <pthread.h> Gegen pthread linken int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr,void *(*start_routine) (void *), void *arg); Weiteres 'man pthread'

26 Inhalt Stromzähler Herkömmlich Smartmeter EasyMeter UART Spezifikation Serielle Kommunikation in wiringpi Telegramme des EasyMeter Multithreading in Linux Textanalyse in C Praktikum 26 von 00

27 Textanalyse mit dem Tokenizer Tokenizer #include <string.h> char *strtok(char *str, const char *delim); *str beim ersten Aufruf der zu nutzende String, danach NULL *delim String mit Trennzeichen 'man strtok' Beispiel char str[80] = "EasyMeter - Praktikum - Beispiel"; const char s[1] = "-"; char *token; /* get the first token */ token = strtok(str, s); 27 von 00 /* walk through other tokens */ while( token!= NULL ) { printf( " %s\n", token ); token = strtok(null, s); } EasyMeter Praktikum Beispiel

28 Inhalt Stromzähler Herkömmlich Smartmeter EasyMeter UART Spezifikation Serielle Kommunikation in wiringpi Telegramme des EasyMeter Multithreading in Linux Textanalyse in C Praktikum 28 von 00

29 Praktikum Schaltung Empfänger Aufbau besteht aus nur 4 Bauteilen: 1. Fototransistor 2. NPN-Transistor 3. zwei Widerstände Versorgung erfolgt über GPIOs Signal wird durch NPN-Transistorschaltung invertiert 29 von 00

30 Praktikum Schaltung EasyMeteremulation Simulation des EasyMeters mithilfe eines Arduino Nano und einer IR-Diode Testnachricht mit gleichbleibendem Inhalt wird alle 2 Sekunden übermittelt 30 von 00

31 Praktikumsaufbau 31 von 00

32 Praktikum Software 32 von 00

33 Praktikum Rasperry Pinbelegung Raspberry Pi besitzt insgesamt 26 Pins: einige haben neben ihrer Funktion als GPIO innerhalb von wiringpi eine weitere Aufgabe: z.b. Datenübetragung per UART 33 von 00

34 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Ludwig Horsthemke Thomas Brinkman Stegerwaldstraße 39 D Steinfurt fon +49 (0) fax +49 (0)