Universelle Temperatur-Steuerung – TempCTRL

TempCTRL V.2, Temperatur-Controler mit WLAN-Anschluss

TempCTRL ist eine universelle Temperatur-Steuerung mit remote-Data-Logging und -Visualisierung (IoT-enabled), die eine vollständige Kontrolle über temperaturabhängige Prozesse und automatisierbare Schaltvorgänge ermöglicht.

Die Einsatzmöglichkeiten sind sehr vielfältig, hier ein paar Beispiel in den Bereichen Green-Energy und Nachhaltigkeit:

- Aquaponic-Systeme und Gewächshäuser, Bewässerung

- Biogasanlagen, Fermentations-Prozesse, Kompostierung

- Heizung, Kühlung, Belüftung: Umwälzpumpen, Ventilatoren

- Solarthermie: Warmwasser- und Warmluft-Kollektoren,

- Steuerung für SolarDörrgerät

- Langzeit-Messung, Datalogging und Visualisierung, hilfreich bei vielen R&D-Projekten

- kann eine Tiefkühltruhe in einen horizontalen Niedrigenergie-Kühlschrank umwandeln

- kann eine Heizplatte in einen temperaturgesteuerten Kocher umwandeln

- kann einen Kühlschrank in einen Brutschrank umwandeln

TempCTRL ist komplett OpenSource/OpenHardware und basiert auf Verwendung von offenen Plattformen wie Arduino und RaspberryPi

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  TempCTRL V2, Display blau mit weisser Schrift

Funktion

Angezeigt wird die gemessene IST-Temperatur und die vorgegebene bzw. durch Tastenauswahl einstellbare Soll-Temperatur, sowie die ebenfalls einstellbare Schwankungsbreite. Ausserdem wird noch der Schaltzustand des Relais mit 0 = off und 1 = on dargestellt.

Erweiterbarkeit

Am OneWire-Bus des Temperatursensors können noch weitere DS18B20 TemperaturSensoren angehängt werden, m.E. bis zu einem theoretischen Maximum von 64 pro Bus. Falls das noch nicht reicht könnten an freie Pins am Arduino weitere Busse angehängt werden, benötigt wird pro Bus 1 Pin als Datenleitung und Anschluss an GND und 5V.

Auch weitere Relais können noch angehängt werden, da nur ein kleiner Teil der vielen Pins des ArduinoMega2560 bereits belegt ist, pro zusätzlichem Relais wird jeweils 1 Pin benötigt.

Datalogging und Visualisierung

Die Visualisierung der Prozessdaten kann zum einen extern erfolgen, mittels Diensten wie ThingSpeak https://thingspeak.com/ (wozu allerdings noch die LUA-Scripte enprechend angepasst werden müssten !!!), oder intern, d.h., mittels eines irgendwo im lokalen Netzwerk befindlichen RaspberryPi (oder eines vergleichbaren kleinen Linux-Servers, wie zB. Odroid).

Dabei werden die Logging-Damples periodisch (via crontab) mit einfachen Unix-Shell-Scripten vom TempCTRL abgeholt und in einer roundrobbin-Datenbank namens rrdtool gesammelt. Ebenfalls periodisch (etwa alle 1 bis 2 Minuten) werden daraus Kurvendiagramme generiert und Webseite bereitgestellt, d.h., sie können von jedem Arbeitsplatzrechner aus mit einem normalen Webbrowser betrachtet werden. Da sich die Webseite automatisch refresht handelt es sich hier um ein aktives live-monitoring System, welches sehr komfortabel ist und maximale bzw. detaillierte Überwachung der jeweiligen Temperatur-gesteuerten Prozesse ermöglicht.

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  Visualisierung, 4h-Zeitfenster

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  Langzeit-sample, 36h-Zeitfenster

BOM

TempCTRL V.2 ist der zweite Prototyp und besteht aus folgenden Modulen:

- Arduino Mega2560

- WLAN-Modul ESP8266

- OneWire-Temp.Sensor DS18B20 mit Adapter

- Relais bis 10A / 230VAC, 28VDC

- Arduino-LCD-Keypad mit 6 Micro-Tastern und Hitachi-kompatiblen 2x16-LCD

- Adapterplatine für ESP-modul mit 3.3V-Stromversorgung und Anschlussterminals für Relais und Temp.Sensor

Aufbau

Die Datenkommunikation ins LAN erfolgt über ein ESP8266 WLAN-Modul. Die Stromversorgung erfolgt mittels 7V,2A-Steckernetzteil am externen Power-Eingang des Arduino.

Auf den Arduino wird in Sandwich-Bauweise ein LCD-Keypad aufgesteckt. Die Display-Beleuchtung kann durch ein auf der Keypad-Platine Trimmpotentiometer auf optimalen Kontrast eingestellt werden.

Ausserdem ist noch Platz für eine ESP8266-Adapterplatine welche auch die Anschlüsse für den Temp.Sensor und das Relais beinhaltet.

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  ESP8266 mit Adapter, auf Lochrasterplatine

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  Sandwich: Das LCD-Keypad und die Adapterplatine werden direkt auf den Arduino-Mega aufgesteckt.

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  TempCTRL mit Gehäuseunterteil aus dem 3D-Drucker

Software

Die Software besteht aus mehreren unahbhängigen Bestandteilen:

TempCTRL_v2_firmware

Dies ist die Firmware für den Arduino. Sie kann mittels der Arduino-IDE bearbeitet und auf den Arduino übertragen werden.

TempCTRL_v2_nodemcu_lua

Für das ESP8266 WLAN-Modul wird eine eigene Firmware namens NodeMCU benötigt. Dazu werden LUA-Scripte per USB hochgeladen, welche die jeweilige Funktionen implementieren. Die Bearbeitung kann mittels eines speziellen IDE namens ESPlorer erfolgen, ist aber auch mit neueren Versionen der Arduino-IDE direkt möglich.

TempCTRL V.1 Prototyp, Temperatur-Controller mit LAN-Anschluss

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  Gesamtansicht

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  Display, CloseUp

BOM

Bei der Vorgänger-Version TempCTRL V.1 erfolgt die Datenübertragung ins LAN noch per Ethernetkabel. Sie besteht aus folgenden Modulen:

- Arduino Mega2560

- Ethernet Modul ENC28J60

- OneWire-Temp.Sensor DS18B20 mit Adapter

- Relais bis 10A / 230VAC, 28VDC

- LCD-Keypad mit 5 Tastern und Hitachi-kompatiblen 2x16-LCD

Aufbau

Die Datenkommunikation ins LAN erfolgt über ein Standard CAT5 Ethernet-Kabel. Die Stromversorgung erfolgt mittels 7V,2A-Steckernetzteil am externen Power-Eingang des Arduino. Der Temperatursensor ist über eine Kleine Adapterplatine verbunden, bei der im Schraubterminal noch ein 4.7K Widerstand zwischen 5V und Data mit eingeklemmt wird. Die Display-Beleuchtung kann durch einen auf der Keypad-Platine befindlichen Micro-Schalter manuell je nach Bedarf eingeschaltet werden.

Mit je zwei Tasten können Soll-Temperatur (blau) und Schwankungsbreite (gelb) eingestellt werden. Eine fünfte Taste (schwarz) ist mit einer Direktschaltung des Relais belegt, ähnlich einer Not-Aus-Schaltung.

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  Oben links im Bild sieht man das Relais, oben rechts den wasserdicht eingekapselten Temperatur-Fühler mit DS18b20 OneWire-Sensor, darunter ein mittels Lochrasterplatine zusammengelötetes LCD-Keypad. Unten links das Ethernet-Modul mit ENC28J60.

Schnittstellen

todo: Pinbelegungen der Anschlüsse, Schaltplan

Die Firmware wird mit der Arduino-IDE programmiert und kann über den USB-Anschluss von einem PC aus aktualisiert werden.

Die aktuelle Software-Version unterstützt bislang nur einen Sensor und ein Relais, bei Erweiterungen müssen hier in der Software entsprechende Anpassungen vorgenommen werden.

todo: Software download