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EVU Smartmeter mit ESP32 und ESPhome auslesen und in Homeassistant verwenden

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In dem Beitrag mit dem Titel: „EVU Smartmeter mit ESP32 auslesen und Daten per MQTT senden“ (link) habe ich beschrieben, wie sich die Smartmeter der EVUs über die Kundenschnittstelle auslesen lassen. Die Messdaten stehen dann als Topics über den mqtt Broker zur Verfügung und können in diversen Homeautomationen (HomeMatic, Homeassistant, etc.) weiterverarbeitet werden. Dazu benötigt man lediglich eine ESP32-Platine und ein paar wenige Kleinteile, um die Verbindung zum Smartmeter herstellen zu können. Als kleines Update habe ich den Aufbau (damals mit Stiftleisten auf Lochrasterplatine) mittlerweile ein wenig geschönt und eine Platine gefertigt.

Layout im Designtool

Der zugehörige Schaltplan entspricht im Wesentlichen auch der Skizze im damaligen Beitrag. Um ein wenig Komfort mit der neuen Platine zu erhalten, ist die Verbindung zur Kundenschnittstelle des Smartmeters über eine RJ-Buchse steckbar. Und auch die Spannungsversorgung habe ich über eine USB-Buchse realisiert.

Nach dem Bestücken und Aufstecken der ESP32 Platine bekam das Gerät noch ein kleines Gehäuse spendiert und verrichtet nun im E-Verteilerschrank seinen Dienst.

Die Hardware ist somit fertig und funktionstüchtig. Zum Thema Software habe ich mir auch überlegt, etwas zu ändern. Bis jetzt lief auf dem ESP ein Programm, das die Daten des Smartmeters entschlüsselt und dann per MQTT an die IP Adresse des Brokers gesendet hat. Da ich mittlerweile jedoch auch ein Anwender der ESPHome Integration in meiner HomeAssistant Umgebung bin, habe ich den ESP mit einem ESPHome Basisimage geflasht. Auf GitHub gibt es das Repository von Andre-Schuiki, auf dem er eine Version für ISKRA und SIEMENS Smartmeter für die Verwendung mit ESPHome veröffentlicht. Unter folgendem Link ist die Anleitung zur Installation zu finden: https://github.com/Andre-Schuiki/esphome_im350/tree/main/esp_home

Das Script für das ESPHome Graät sieht bei mir folgendermassen aus:

 esphome:  
  name: kelagsmartmeter  
  friendly_name: KelagSmartmeter  
  libraries:  
  - "Crypto" # !IMPORTANT! we need this library for decryption!  
 esp32:  
  board: esp32dev  
  framework:  
   type: arduino  
 # Enable logging  
 logger:  
 # Enable Home Assistant API  
 api:  
  encryption:  
   key: "da kommt der key rein des neu angelegten ESPHome Gerätes rein"  
 ota:  
  password: "das automatisch generierte ota passwort"  
 wifi:  
  ssid: !secret wifi_ssid  
  password: !secret wifi_password  
  # Enable fallback hotspot (captive portal) in case wifi connection fails  
  ap:  
   ssid: "Kelagsmartmeter Fallback Hotspot"  
   password: "das automatisch generierte password"  
 captive_portal:  
 external_components:  
  - source:  
    type: local  
    path: custom_esphome  
 sensor:  
  - platform: siemens_im350  
   update_interval: 5s  
   trigger_pin: 26 # this pin goes to pin 2 of the customer interface and will be set to high before we try to read the data from the rx pin  
   rx_pin: 16 # this pin goes to pin 5 of the customer interface  
   tx_pin: 17 # not connected at the moment, i added it just in case we need it in the future..  
   decryption_key: "00AA01BB02CC03DD04EE05FF06AA07BB" # you get the key from your provider!  
   use_test_data: false # that was just for debugging, if you set it to true data are not read from serial and the test_data string is used  
   test_data: "7EA077CF022313BB45E6E700DB0849534B697460B6FA5F200005C8606F536D06C32A190761E80A97E895CECA358D0A0EFD7E9C47A005C0F65B810D37FB0DA2AD6AB95F7F372F2AB11560E2971B914A5F8BFF5E06D3AEFBCD95B244A373C5DBDA78592ED2C1731488D50C0EC295E9056B306F4394CDA7D0FC7E0000"  
   delay_before_reading_data: 1000 # this is needed because we have to wait for the interface to power up, you can try to lower this value but 1 sec was ok for me  
   max_wait_time_for_reading_data: 1100 # maximum time to read the 123 Bytes (just in case we get no data)  
   ntp_server: "pool.ntp.org" #if no ntp is specified pool.ntp.org is used  
   ntp_gmt_offset: 3600  
   ntp_daylight_offset: 3600  
   counter_reading_p_in:  
    name: reading_p_in  
    filters:  
     - lambda: return x / 1000;  
    unit_of_measurement: kWh  
    accuracy_decimals: 3  
    device_class: energy  
   counter_reading_p_out:  
    name: reading_p_out  
    filters:  
     - lambda: return x / 1000;  
    unit_of_measurement: kWh  
    accuracy_decimals: 3  
    device_class: energy  
   counter_reading_q_in:  
    name: reading_q_in  
    filters:  
     - lambda: return x / 1000;  
    unit_of_measurement: kvarh  
    device_class: energy  
   counter_reading_q_out:  
    name: reading_q_out  
    filters:  
     - lambda: return x / 1000;  
    unit_of_measurement: kvarh  
    device_class: energy  
   current_power_usage_in:  
    name: power_usage_in  
    filters:  
     - lambda: return x / 1000;  
    unit_of_measurement: kW  
    accuracy_decimals: 3  
    device_class: energy  
   current_power_usage_out:  
    name: power_usage_out  
    filters:  
     - lambda: return x / 1000;  
    unit_of_measurement: kW  
    accuracy_decimals: 3  
    device_class: energy  
  # Extra sensor to keep track of uptime  
  - platform: uptime  
   name: IM350_Uptime Sensor  
 switch:  
  - platform: restart  
   name: IM350_Restart  

 

EVU Smartmeter mit ESP32 auslesen und Daten per MQTT senden

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

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

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

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

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

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

Anschlussbelegung
ESP32 im „freifliegenden“ Testaufbau

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

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

so kommen die Daten im MQTT Broker an
und können zum Beispiel so in NodeRed verarbeitet werden

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

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