Wasserzähler überwachen, Verbrauch aufzeichnen: ESP32-Cam
Vorab schon mal ein herzliches Dankeschön an die Macher des "AI-on-the-edge-device" Digitizer. Das Projekt ermöglicht das Digitalisieren des Wasserverbrauchs einer analogen Wasseruhr mit einer 10 € billigen ESP32-Cam. Wie das genau funktioniert, beschreibe ich in diesem Artikel.
Profil:
| Software | AI-on-the-edge-device |
|---|---|
| GitHub | https://github.com/jomjol/AI-on-the-edge-device |
| aktuelle Version | 15.7.0 |
| gefunden | 21.02.2024 |
Welche Vorteile bringt ein digitaler Wasserzähler?
Als Wasserzähler für einen Hausanschluss sind analoge Wasseruhren auch heute noch die Norm. Während bei einem Stromanschluss die Daten mittlerweile über einen Smartmeter an den Betreiber übermittelt werden, muss der Wasserverbrauch jährlich von den Hausbesitzern abgelesen und bekannt gegeben werden. Das jährliche Ablesen des Wasserstandes ist noch kein vernünftiger Grund, um den Wasserverbrauch aufzuzeichnen, vielmehr liefert eine Aufzeichnung des Wasserverbrauchs einen besseren Überblick im Alltag. Als Beispiel könnte bei einem abnormalen Verbrauch ein Alarm ausgelöst und dadurch eventuell schneller reagiert werden. Als mögliche Auslöser fällt mir eine defekte Toilettenspülung, ein nicht abgedrehter Wasserhahn oder im schlimmsten Fall eine undichte Leitung ein.
Wie kann bei einem Wasserzähler ein Funkmodul nachgerüstet werden?
Neben speziellen Funk-Aufsatzmodulen beweist das "AI-on-the-edge-device" - Projekt, dass nicht digitale Wasserzähler auch mittels Kamera ausgelesen werden können. Bei dem Projekt wird eine ESP32-Cam direkt über der Wasseruhr angebracht. Der Mikrocontroller erstellt regelmäßig ein Foto und erkennt darauf mit einer angepassten Texterkennung den aktuellen Zählerstand. Der Zählerstand kann auf einer SD-Karte aufgezeichnet und über das integrierte Webinterface angezeigt werden. Zudem kann der aktuelle Zählerstand, für eine bessere Visualisierung, mittels WLAN an das Smart-Home übermittelt werden, als Beispiel an Home Assistant.
Benötigte Hardware
Zunächst wird für das Projekt eine ESP32 mit Kamera-Modul benötigt. Für das Aufspielen des Image habe ich mir zusätzlich einen USB-Adapter besorgt:
Zudem benötigt der ESP32 für das Speichern der Daten eine kleine SD-Karte und als Stromversorgung verwende ich ein altes Handy-Netzteil. Angebracht habe ich den ESP mit einem 3D-Gehäuse aus dem 3D-Drucker:
Anbringen des Mikrocontrollers über der Wasseruhr
Die bestehenden Vorlagen auf Thingiverse haben meine Erwartungen nicht ganz erfüllt, daher habe ich ein eigenes Gehäuse gezeichnet. Ich wollte ein Modell, welches sich in einem Stück ohne Support drucken lässt und relativ wenig Filament benötigt. Zudem wollte ich die interne Kamera verwenden und den Wasserstand im Betrieb ablesen können ohne das Gehäuse herunternehmen zu müssen.
Damit sich die Reflexionen am Glas in Grenzen halten, habe ich das Gehäuse um 9° geneigt und das Licht der LED etwas abgeschirmt:
Die eingebaute LED reicht für ein ordentliches Bild, zusätzliche LEDs sind mit diesem Modell nicht nötig. Ich habe die Vorlage auf dieser Seite und auf Thingiverse als Download zur Verfügung gestellt, siehe: Top sinnvolle und weniger sinnvolle 3D-Modelle.
ESP32-Cam fokussieren
Der Fokus der Kamera ist standardmäßig in die Ferne gestellt. Um bei geringem Abstand ein scharfes Bild zu bekommen, muss der Kameraring etwas gegen den Uhrzeigersinn herausgedreht werden:
Achtung: Bei neuen Kameras ist die Linse festgeklebt, entsprechend lässt sich diese anfangs nur schwer bewegen. Ich habe die Linse festgehalten und mit einem kleinen flachen Schraubenzieher auf einen Zahn gedrückt, zugegeben relativ fest.
Schritt für Schritt: Aufspielen der Software
Zunächst habe ich den ESP32 mit dem USB-Adapter verbunden:
Der ESP32 muss durch das Überbrücken von "IOo" und "GND" in den Flash-Modus gesetzt werden:
Wurde der ESP verkabelt, kann dieser per USB an den Computer angeschlossen und am einfachsten über den Web-Installer im Browser geflasht werden: https://jomjol.github.io/AI-on-the-edge-device/index.html
Nachdem das Projekt aufgespielt wurde, kann das Kabel zwischen Pin "IOo" und "GND" wieder entfernt werden. Jetzt fehlt uns noch die SD-Karte. Vorbereitend benötigt diese ein MBR-Layout und eine FAT32-Partition mit 32K als Zuordnungseinheit:
Der Inhalt der SD-Karte kann vom GitHub-Projekt, Unterordner "sd-card" auf die SD-Karte kopiert werden: github.com/jomjol/AI-on-the-edge-device/tree/rolling/sd-card.
Der Ordner "sd-card" des heruntergeladenen ZIP-Archivs kann einfach auf die SD-Karte entpackt werden:
Für die WLAN-Verbindung muss dann noch die Datei "wlan.ini" mit den WLAN-Zugangsdaten angepasst werden.
Zum Starten des ESP habe ich die vorbereitete SD-Karte in den ESP gegeben und eine 5V Stromversorgung angeschlossen, in meinem Fall ein altes NOKIA-Ladegerät:
Die LED am ESP32 signalisiert den Bootvorgang. Blinkt diese dauerhaft, stimmt etwas mit der SD-Karte nicht. War der Bootvorgang erfolgreich, verbindet sich der ESP mit dem WLAN:
- Dauerhaftes schnelles blinken: Die SD-Karte funktioniert nicht.
- 5 x schnelles Blinken (< 1 Sekunde): Verbindung steht noch aus
- 3 x langsames Blinken (1 Sekunde an/aus): WLAN-Verbindung hergestellt
Nachdem sich der ESP über die hinterlegten WLAN-Zugangsdaten verbunden hat, holt dieser eine IP-Adresse vom DHCP-Server. Ein Blick auf den Router verrät uns die IP-Adresse für den Zugriff, alternativ kann die Adresse wie folgt herausgefunden werden: IP-Adressen im Netzwerk finden, auch wenn deren Firewall aktiviert ist.
Wird die IP-Adresse nach dem Start des ESP im Browser aufgerufen, erscheint zunächst ein Setup-Wizard des Digitizer. Der erste Schritt des Wizards ist das Erstellen eines Referenzbildes. Das Referenzbild wird später für das Definieren der ROIs (Regions of Interest), also der Bereiche, von denen der Zählerstand abgelesen werden soll, verwendet. Die "Aligment Marks" sind beliebige markante Bereiche am Zähler damit der Digitizer das Bild bei jedem Ablesevorgang justieren kann. Die ROIs bestehen aus Digitalen ROIs, also den Zahlen des Zählers und analogen ROIs, den Zeigern. Zunächst die digitalen ROIs:
Ich habe diese einfach fortlaufend angelegt dig1 bis dig5. Die analogen ROIs sind die Uhren, auch hier ana1 bis ana4
ana1 ist bei mir die erste m³-Kommastelle x0,1, ana2 dann x0,01 usw.
Einstellung auf Liter/h und nicht m³/h
Anfangs hatte ich die Standardeinstellung mit m³/h. Nachdem ich mir mit Liter mehr vorstellen kann, habe ich begonnen m³ in Home Assistant auf Liter umzuwandeln und dabei alle Werte doppelt. Zuletzt habe ich die ursprünglichen Werte noch einmal verworfen und den Digitizer auf die Maßeinheit Liter umgestellt:
Falsche Werte beim Wechsel von 9 auf 0
Zunächst wurden die Werte korrekt abgelesen, dann hatte ich allerdings das Problem, dass beim Wechsel von 9 auf 0 die digitalen Zahlen bereits eine höhere Zahl anzeigen. Die Kommastellen von den analogen Uhren wurden einfach mit den digitalen Werten addiert, entsprechend wurde zum Beispiel aus 889,9 dann 890,9. Abhilfe schaffen die folgenden Einstellungen: "dig-class11_1600_s2.tflite" und "CheckDigitIncreaseConsistency" in "Expert Mode":
"CheckDigitIncreaseConsistency" verwendet, nach einem Wechsel von 9 auf 0, den vorherigen Wert für die nächsthöheren 10er-Potenzen.
Hier ein konkretes Beispiel: Der Zähler erkennt aufgrund des vorherigen Werts den korrekten Zählerstand von 889954,6 und nicht die abgelesenen digitalen Zahlen und analogen Werte, was ohne "CheckDigitIncreaseConsistency" den falschen Wert: 890954,6 ergeben würde:
Daten MQTT -> Home Assistant
Der Digitizer kann die Daten mittels MQTT an Home Assistant übertragen. Voraussetzung dafür ist ein MQTT-Broker, siehe: MQTT - Broker : Docker Setup und HA - MQTT Integration
Update: 'Initializing (delayed)'
Beim letzten Update auf die Version: v15.3.0 hatte ich das Problem, dass der ESP in einer Endlos-Boot-Schleife hängen geblieben ist. Beheben konnte ich das Problem, indem ich eine neue SD-Karte mit den aktuellen Dateien des Git-Projektes beschrieben und die Konfiguration erneut durchgeführt habe.
Fazit - Zahl sich der Digitizer aus?
Zugegeben hatte ich anfangs keine Notwendigkeit den Wasserverbrauch aufzuzeichnen. Zunächst hat mich das Projekt an sich fasziniert, zumal es die technischen Möglichkeiten der ESP32-Cam so ziemlich ausreizt. Die benötigte Zeit für den Aufbau ist überschaubar und auch die Kosten für die ESP32-Cam sind mehr als in Ordnung. Also ja ich kann das Projekt uneingeschränkt empfehlen.
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DANKE für deine Bewertung!
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Meine Empfehlung, müsste ich mich zwischen ioBroker und Home Assistant entscheiden, würde zugunsten von Home Assistant fallen. Mit Home Assistant fällt der Start wesentlich leichter und dank der zahlreichen Plugins kann Home Assistent allen Bedürfnissen angepasst werden
Mit ioBroker können verschiedene Automatisierungslösungen oder Geräte in einem System zusammengefasst werden. Um bestimmte Gateways oder Geräte ansprechen zu können, werden in ioBroker verschiedene Adapter verwendet.
Zigbee2MQTT ist eine Open-Source Zigbee-Bridge welche sich, dank dem Netzwerkprotokoll MQTT, leicht in bestehende Smarthome-Lösungen integrieren lässt. Als Beispiel kann Zigbee2MQTT kombiniert mit MQTT - Broker Mosquitto und Home-Assistant Daten der Zigbee-Geräte erfassen, anzeigen, aufzeichnen und diese steuern. Das hier beschriebene Setup verwendet Docker als Basis. Herstellerseite: https://www.zigbee2mqtt.io
Fragen / Kommentare
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Hallo Bernhard, vielen Dank für Deine tollen und interessanten Blogbeiträge, diese haben mich schon einige Male auf neue Ideen in meiner SmartHome Welt gemacht. Just Gestern habe ich wieder mit dem Thema Digitalisierung des Wasserzähler auseinander gesetzt und fand die Lösung Deinen 3D-Druckmodels überzeugend. Gesagt getan, da ich selber noch keinen 3D-Drucker besitze habe ich Deine watermeter.stl Datei von Thingiverse bei einem Online Druckdienst hochgeladen. Der Druckdienst hat mir jetzt folgende Nachricht zukommen lassen: "The customer came back saying they apologize that they did not express themselves well. In picture 1.4 you can see a blue line, this means that the whole ring is in the air without having contact bounded with the main body. With that in mind, can you please let me know if you can provide me a revised file?" Ich kann Dir leider jetzt nicht das Bild mitschicken, aber kannst Du mir hier vielleicht weiterhelfen? Ich habe bisher keine Erfahrung mit 3D Druckern. Vielen Dank im Voraus und beste Grüße nach Obertrum! Guido PS: Ich bin heute Abend unterwegs, bin aber morgen wieder im laufe des Tage erreichbar.
Hallo Guidau, Tatsache: da hat eine Schicht gefehlt. Ich konnte das Objekt zwar drucken, dennoch ist das eine Schwachstelle. Ich habe das Objekt repariert und erneut hochgeladen. Schöne Grüße und danke dir.
Beitrag erstellt von Bernhard
Hallo Bernhard, ich danke Dir für Deine schnelle Hilfe! Ich wünsche Dir ein sonniges und erholsames Wochenende :-)
Beitrag erstellt von anonym
Hallo Bernhard Danke dir für die Anleitung. Soweit hat nach anfänglichen Schwierigkeiten fast alles funktioniert. Ich habe allerdings ein Problem sobald die letzte digitale Ziffer auf den nächst höheren Wert springt. Dazu hätte ich jetzt eine Frage: du schreibst dass man die Version 1500 einstellen soll, dein Screenshot zeigt aber die Version 1600. Da im Dropdown Menü 1500 nicht vorhanden ist, habe ich 1600 ausgewählt, damit funktionierts aber nicht. Welche Version ist nun die richtige, und sollte es die 1500 sein, woher bekomme ich diese. Liebe Grüße Jürgen
Danke für den Input: Habs nochmal kontrolliert und auch im Artikel angepasst: 1500 glaube ich war mit einer älteren Version. Ich verwende aktuell dig-class11_1600_s2.tflite und für Analog: ana-class100_0170_s1_q.tflite
Beitrag erstellt von Bernhard
