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PiEM - der etwas andere π-Energie-Monitor

Herzlich willkommen beim PiEM - einem smarten Energie-Monitor basierend auf dem Raspberry Pi und REBOL.
 
Diese Seite zeigt die jüngste Entwicklung von TGD-Consulting im Bereich der Smart Home Lösungen rund um den Raspberry Pi und richtet sich an alle Anwender und Entwickler, welche einen Raspberry Pi als Energie-Monitor fürs Smart-Metering nutzen möchten.

Nur hier können Sie eine offizielle Lizenz für das Bundle der "PiEM-It!" Management Software[1] zum Preis von €24,99 EUR erwerben. Das Softwarebundle beinhaltet bereits alle erforderlichen Module (Webserver, Archivierung & Plot, Zähler) der Management Software, die für ein Smart-Metering auf Basis des Raspberry Pi erforderlich sind.

Die Software läuft auf allen Raspberry Pi Modellen. Das modulare Konzept der "PiEM-It!" Management Software ist ideal für die neue Mehrkern-Architektur des Raspberry Pi 2/3 geeignet und nutzt dessen zusätzliche Rechenleistung optimal aus.

Die "PiEM-It!" Management Software zeichnet sich besonders durch
  • ein sehr einfaches Setup,
  • einen geringen Speicherbedarf (< 1MB),
  • die effiziente, modulare, smarte Anwendung
  • durch einen im User-Space laufenden embedded Webserver aus.
Sie unterstützt viele verschiedene Sensoren und Zähler:
PiEM-Logo

Eine Übersicht sowie Informationen zur aktuellen Version der Software entnehmen Sie bitte den Release-Notes.

Die Hardware, welche auf den folgenden Fotos abgebildet ist, dient ausschließlich zur Veranschaulichung und als Beispiel wie PiEM aussieht und wie der Aufbau erfolgt. Die erforderliche Hardware müssen Sie bei den jeweiligen Herstellern bzw. über deren Vertriebskanäle beziehen. TGD-Consulting bietet nur IT-Dienstleistungen und Softwarelösungen an.

Sie möchten ihren eigenen PiEM basierend auf der "PiEM-It!" Management Software bauen? Dann erwerben Sie eine Lizenz und lesen einfach weiter ...

Hier finden Sie als Schnelleinstieg direkt eine Antwort auf die häufigsten Fragen:

Weitere Antworten auf Fragen finden Sie in der FAQ oder im Forum auf RaspberryPi.org.


Die Bezeichnung PiEM steht für π-Energie-Monitor und stellt die Erweiterung eines gewöhnlichen Raspberry Pi zu einer intelligenten Smart Home Lösung dar. PiEM ist vielseitig verwendbar und funktioniert nach der Erstkonfiguration bei Inbetriebnahme autonom. Durch den Anschluss geeigneter Sensoren kann ein Smart-Metering nahezu in Echtzeit auch bei herkömmlichen Ferraris-Stromzählern sowie bei normalen Verbrauchszählern für Gas und Wasser erfolgen. Sogar für die Überwachung und grafische Darstellung von Einspeisungen in Energienetze ist PiEM hervorragend geeignet.

Im Gegensatz zu den meisten Smart Home Angeboten der großen Energieversorger funktioniert der π-Energie-Monitor ganz ohne Cloud-Services. Die Integration von PiEM in bestehende Infrastrukturen, wie ein lokales Heimnetzwerk, ist daher einfach und problemlos. Alle mit Hilfe von PiEM erfassten und verarbeiteten Daten werden nur lokal gespeichert und verbleiben stets bei ihnen zu Hause unter der eigenen Kontrolle. Die wichtigsten Funktionen von PiEM lassen sich bei Bedarf aber auch aus der Ferne unter Verwendung eines Browsers von jedem beliebigen PC, Tablet oder Smartphone aus steuern und überwachen.

Lernen Sie nun die Vorteile und Möglichkeiten vom π-Energie-Monitor in allen Einzelheiten kennen und überzeugen sich gleich hier und jetzt im Internet von der "PiEM-It!" Management Software und deren einfach smarten Bedienung sowie den umfangreichen Konfigurationsmöglichkeiten. Hier sieht man

PiEM in action: 

PiEM-WebUI
Die Bedienoberfläche von PiEM.

Der Systempreis eines PiEM inkl. aller benötigten Komponenten liegt, abhängig von der Anzahl der verwendeten Sensoren, zwischen 100,- und 200,- EUR. Darin sind bereits die Lizenzkosten für die "PiEM-It!" Management Software enthalten. Die auf dieser Seite gezeigte Version eines PiEM besteht aus folgenden Komponenten:

HardwareSoftware
PiEM-Prototyp 

PiEM-PrototypPiEM-PrototypPiEM-Prototyp
Ferraris-Sensor & PiEM-Prototyp mit geöffnetem Gehäuse.

Das äußere Erscheinungsbild des obigen PiEM-Prototyps ist von einem gewöhnlichen Raspberry Pi kaum zu unterscheiden. Die einzelnen Komponenten des PiEM können von jedem ambitionierten Anwender mit etwas Geschick selbstständig zusammengebaut werden. Alle Komponenten lassen sich direkt über das Internet beziehen. Die Bezugsquellen sind zum Teil in den obigen Listen verlinkt. Wir nutzen für unseren Prototypen des PiEM einen Raspberry Pi Model A, der jeweils um einen Sensor für Ferraris-Stromzähler und einen Reed-Sensor für Gaszähler erweitert wird. Darüher hinaus können auch konventionelle Zähler mit S0-Schnittstelle
Beispiel eines S0-Zähler mit PiEM in Hutschienenmontage
sowie YouLess LS110
Beispiel eines YouLess LS110 Energie-Monitors mit PiEM
als Datenlogger zusammen mit PiEM genutzt werden. Dadurch lässt sich auf sehr kostengünstige Weise ein individuelles Smart-Metering im Selbstbau zusammenstellen.

Wenn der Raspberry Pi nicht in der Nähe der Zähler platziert werden kann, empfiehlt sich bei Bedarf die Sensoren über ein beliebiges n-adriges Kabel an den Raspberry Pi anzuschließen. Damit können auch größere Strecken zwischen den Sensoren und dem Raspberry Pi überbrückt werden. Sofern die Kabelqualität stimmt, funktioniert dies bei Längen bis zu 20m ohne Probleme.

Die Anschlüsse der Sensoren sind direkt mit der 5 Volt bzw. der 3.3 Volt Versorgungsspannung und der GPIO-Schnittstelle der Stiftleiste P1 des Raspberry Pi verbunden. Beim Reed-Sensor sorgt ein ausreichend dimensionierter Vorwiderstand für eine Begrenzung des Stroms sowie für die notwendige Pegelanpassung am GPIO-Eingang. Wenn ein Zählimpuls am Reed-Kontakt anliegt, wird dies zusätzlich durch eine LED optisch signalisiert. Der genaue Anschluss des Reed-Sensors ergibt sich aus dem unten abgebildeten Schaltplan.
Bei unserem PiEM-Prototypen verwenden wir für den Ferraris-Stromzähler einen FSA-Blackbox-Sensor, dessen Installation nahezu kinderleicht ist und keine aufwendige Kalibrierung erfordert. Die Montage des Reflexkopplers erfolgt nach Augenmaß ungefähr auf Höhe der Drehscheibe des Stromzählers. Die eigentliche Feinjustierung des Sensors geschieht über einen Potentiometer, welches vom Rechtsanschlag aus solange langsam gegen den Uhrzeigersinn gedreht wird, bis die LED am Sensor zu leuchten beginnt. Danach ist das Potentiometer nur um wenige Grad (<2°) in entgegengesetzter Richtung zurück nach rechts zu drehen. Dadurch wird der Sensor auf den Zähler geeicht und es wird zuverlässig jeder Durchlauf des roten Balkens der Ferrarisscheibe erkannt. Der Sensor reagiert empfindlich auf Infrarotlicht, deshalb sollte sowohl bei der Kalibrierung als auch später im Betrieb kein direktes oder indrektes Tageslicht auf den Sensor fallen.

Achtung: Falls es im laufenden Betrieb zu unerwartenden Systemhängern kommt, deutet dies auf eine zu schwache Stromversorgung des Raspberry Pi hin. Tauschen Sie dann das Netzteil gegen ein stärkeres und zuverlässigeres aus.

Beim Einbau der Komponenten ins Gehäuse sollten Kurzschlüsse vermieden werden. Achten Sie daher insbesondere beim Anschluss der Sensoren an die Stiftleiste P1 darauf, dass keine ungewollten Verbindungen zu spannungsführenden Leitungen entstehen. Beim Einbau des Raspberry Pi und im Umgang mit den Sensoren ist darauf zu achten, dass entsprechende Schutzmaßnahmen gegen statische Aufladungen ergriffen werden.
Der Ethernet-Port (nur beim Model B vorhanden) sowie der USB-Anschluss des Raspberry Pi (Model A & B) sind frei zugänglich, sodaß ein π-Energie-Monitor (PiEM) entweder per Cat-Kabel oder USB-WLAN-Adapter ans eigene Heimnetz (LAN) angeschlossen werden kann. So sieht unser PiEM-Prototyp Reed-Sensor für Gas- und Wasserzähler zur Zeit aus:

PiEM Reed-Sensor 

PiEM-Schaltplan   PiEM Reed-Sensor am Gaszähler
PiEM - magic by design.

Das zentrale Kernstück eines PiEM stellt die "PiEM-It!" Management Software dar, welche neben einem Webserver-Modul auch ein Archivierungs- & Plot-Modul sowie das Zähler-Modul beinhaltet. Mit Hilfe von letzterem erfasst PiEM-It! alle Messdaten nahezu in Echtzeit. Die Messung der Signale der Sensoren ist prinzipiell recht simple und basiert auf der Erkennung von Impulsen. Erfasst ein Sensor einen optischen bzw. magnetischen Zählimpuls, so wird dieser Impuls als digitales Signal aufbereitet und in ein High-Signal am zugehörigen GPIO-Eingang umgewandelt. Die Erkennung und Auswertung der Signale an den GPIOs übernimmt dabei ein REBOL3 Skript, das Zähler-Modul. Es errechnet den aktuellen Zählerstand und jeweiligen Verbrauch und speichert beide Werte in der entsprechenden Log-Datei des Sensors ab.

Mit Hilfe des Archivierungs- & Plot-Moduls archiviert PiEM-It! alle Messdaten und bereitet die Daten für die grafische Darstellung als Plot auf. Die Grafiken werden dabei jede Nacht, um kurz vor Mitternacht, automatisch aktualisiert und als Resourcen für die Seiten des Webservers bereitgestellt. Die übersichtlichen Tages- , Wochen-, Monats- sowie Jahresgrafiken (siehe oben) werden beim Anklicken vergrößert. Neben diesen "historischen" Grafiken werden die Grafiken für die aktuellen Messdaten dynamisch vom Webserver-Modul generiert.

Das Zähler-Modul ist Donationware und unter dieser Rahmenbedingung als Open Source verfügbar. Die übrigen Bestandteile der Management Software sind Closed-Source und erfordern den Erwerb einer Lizenz.
Die Software benötigt eine REBOL3-Laufzeitumgebung/Interpreter. Wer möchte kann selbst den Source Code des REBOL3-Interpreters für den Raspberry Pi compilieren. Der Master Branch ist unter der Apache2.0-Lizenz auf GitHub veröffentlicht. Alternativ dazu kann ein fertiges Binary für Raspbian direkt hier von unserer Homepage heruntergeladen werden.

Die Bedienung von PiEM-It! ist einfach und erfolgt über einen normalen Web-Browser. Das Webserver-Modul übernimmt dabei die komplette Kommunikation und Steuerung. Eine integrierte Suchfunktion ermöglicht neben der einfachen und schnelle Suche nach historischen Messwerten auch die Auswahl und Fokussierung auf bestimmte Zeiträume, um diese genauer analysieren zu können. Darüber hinaus haben wir im Webserver-Modul eine Statusfunktion ("...ein nettes Gimmick ...") implementiert, welche u.a. die Temperatur des SOCs des Raspberry Pi der letzten 10 Stunden aufzeichnet und als Temperaturverlauf darstellt. Klicken Sie dafür einfach auf das entsprechende π im unteren Bereich der Seite und erfahren so wie warm es im Inneren des PiEM ungefähr ist.
Neben diesem Gimmick konfigurieren Sie mit Hilfe des Webserver-Moduls auch die wesentlichen Funktionen von PiEM. Angefangen mit den genutzten GPIOs der jeweiligen Sensoren über die Anfangszählerstände bei Inbetriebnahme von PiEM bis hin zur Festlegung der Zählertypen werden alle wichtigen Parameter über die Systemeinstellungen zentral vom Browser aus konfiguriert. Eine Übersicht der verschiedenen Einstellungsmöglichkeiten ist aus dem folgenden Bild ersichtlich.

PiEM-Settings 

PiEM-Settings
Die Systemeinstellungen von PiEM (PiEM-Settings).

Anmerkung: Werksseitig sind die Systemeinstellungen (PiEM-Settings) nur über das selbe Netzsegment erreichbar, indem sich auch der PiEM befindet. Bei Bedarf kann dies entsprechend der eigenen Sicherheitsanforderungen angepasst werden. Falls keine Adresse für die Admin IP oder keine IP-Range festgelegt wird, ist der π-Energie-Monitor von jeder beliebigen IP-Adresse aus konfigurierbar! Optional kann auch ein Zugriffsschutz aus einer Kombination von Benutzername und Kennwort individuell festgelegt werden.

Über den folgenden Link können Sie eine Lizenz von "PiEM-It!" sowie die Software selbst kostenpflichtig beziehen (Hinweis: Sie erhalten nach Zahlungseingang spätestens innerhalb von 3 Werktagen das Softwarebundle per gesonderter E-Mail zugesandt). Mit der Lizenz für das Softwarebundle erwerben Sie auch ein beschränktes, nicht exklusives Nutzungsrecht für die jeweiligen Module. Eine zusätzliche Lizensierung der einzelnen Module ist nicht erforderlich. Trotzdem können bei Bedarf neben einzelnen Lizenzen für die jeweiligen Module ( Archivierung & Plot / Webserver ) auch Volumenlizenzen unserer Software erworben werden. Genaue Angaben zu den Preisen und Mengenrabatten erhalten Sie auf Anfrage.

Bestandskunden können hier ein Upgrade ihrer Lizenz auf die jeweils aktuelle Version der PiEM-It! Management Software zum vergünstigten Preis von 8,99 EUR erwerben.

Installation & Start: Die Software kommt als Tarball, welcher nur entpackt werden muss (tar xvf PiEMIt.tar) und schon steht die "PiEM-It!" Management Software einsatzbereit auf dem Raspberry Pi zur Verfügung. Durch manuellen Aufruf des Shell-Skripts ./PiEMIt.sh start werden die PiEM-It! Module auf dem Raspberry Pi gestartet. Dieses Skript kann natürlich auch als init-Skript zum automatischen Starten von PiEM-It! ins System eingebunden werden. Als Alternative zum Shell-Skript lassen sich die PiEM-It! Module auch einzeln ausführen. Durch Eingabe von ./bin/r3 PiEMIt.r & wird das Archivierungs & Plot-Modul sowie das Zähler-Modul gestartet. Der Start des Webserver-Moduls erfolgt durch diesen Befehl ./bin/r3 Webserver.r & . Wir empfehlen insbesondere die Einbindung des Webserver-Moduls als ReSpawn-Process in der /etc/inittab . Dies bietet den Vorteil, dass das Webserver-Modul jedesmal neu startet, sobald es beendet wurde.

Anwendung: Die weitere Nutzung sowie die Konfiguration der PiEM-It! Software erfolgt, wie oben bereits erwähnt, ausschließlich über den Browser des PCs, Tablets oder Smartphones. Geben Sie dazu einfach als URL die IP-Adresse des Raspberry Pi und den verwendeten Port des Webserver-Moduls in dem Browser ein ( z.B.: http://192.168.0.100:8080 ). Alles Weitere ist selbsterklärend oder erschließt sich von selbst.


Wir hoffen Sie sind von den Vorteilen des PiEM und vom smarten Design der Software ebenso überzeugt wie wir. Falls Sie Fragen, Wünsche oder Verbesserungsvorschläge zum PiEM oder zu der "PiEM-It!" Management Software haben, wir freuen uns auf Ihre Anfrage.

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