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Repositories von Projektarbeit gebündelt

master
Julian Rico 11 months ago
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6dc6f66e64
87 changed files with 132512 additions and 0 deletions
  1. 4
    0
      .gitignore
  2. 16
    0
      Altium/.gitignore
  3. BIN
      Altium/Gerber_SS21_PRA.zip
  4. 576
    0
      Altium/Output Jobs/SS21_PRA.OutJob
  5. BIN
      Altium/Platine.PcbDoc
  6. BIN
      Altium/Project Outputs for SS21_PRA/3D_View_Bird_SS21_PRA.PDF
  7. BIN
      Altium/Project Outputs for SS21_PRA/3D_View_Bot_SS21_PRA.PDF
  8. BIN
      Altium/Project Outputs for SS21_PRA/3D_View_Top_SS21_PRA.PDF
  9. BIN
      Altium/Project Outputs for SS21_PRA/Assembly_SS21_PRA.PDF
  10. BIN
      Altium/Project Outputs for SS21_PRA/BOM_SS21_PRA.xlsx
  11. 0
    0
      Altium/Project Outputs for SS21_PRA/Gerber_SS21_PRA/Platine-macro.APR_LIB
  12. 1
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  13. 22
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      Altium/Project Outputs for SS21_PRA/Gerber_SS21_PRA/Platine.DRR
  14. 18
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  15. 2618
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  16. 16
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  17. 16
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  18. 168
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  19. 25
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  20. 3581
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  21. 1397
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      Altium/Project Outputs for SS21_PRA/Gerber_SS21_PRA/Platine.GTO
  22. 122
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      Altium/Project Outputs for SS21_PRA/Gerber_SS21_PRA/Platine.GTP
  23. 274
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  24. 2
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      Altium/Project Outputs for SS21_PRA/Gerber_SS21_PRA/Platine.LDP
  25. 176
    0
      Altium/Project Outputs for SS21_PRA/Gerber_SS21_PRA/Platine.REP
  26. 5
    0
      Altium/Project Outputs for SS21_PRA/Gerber_SS21_PRA/Platine.RUL
  27. 92
    0
      Altium/Project Outputs for SS21_PRA/Gerber_SS21_PRA/Platine.TXT
  28. 35
    0
      Altium/Project Outputs for SS21_PRA/Gerber_SS21_PRA/Platine.apr
  29. 13
    0
      Altium/Project Outputs for SS21_PRA/Gerber_SS21_PRA/Status Report.Txt
  30. 117237
    0
      Altium/Project Outputs for SS21_PRA/Model_SS21_PRA.step
  31. BIN
      Altium/Project Outputs for SS21_PRA/PCB Print/PCB_Bottom_SS21_PRA.PDF
  32. BIN
      Altium/Project Outputs for SS21_PRA/PCB Print/PCB_Top_SS21_PRA.PDF
  33. BIN
      Altium/Project Outputs for SS21_PRA/PCB_Dimensions_SS21_PRA.PDF
  34. BIN
      Altium/Project Outputs for SS21_PRA/PDF3D_SS21_PRA.PDF
  35. BIN
      Altium/Project Outputs for SS21_PRA/Schematics_SS21_PRA.PDF
  36. 14
    0
      Altium/Project Outputs for SS21_PRA/Status Report.Txt
  37. 1176
    0
      Altium/SS21_PRA.PrjPcb
  38. 1
    0
      Altium/SS21_PRA.PrjPcbStructure
  39. BIN
      Altium/Schaltplan.SchDoc
  40. BIN
      Dokumentation/.Projektarbeit.tex.swp
  41. 7
    0
      Dokumentation/.gitignore
  42. 209
    0
      Dokumentation/Literatur.bib
  43. BIN
      Dokumentation/Projektarbeit.pdf
  44. 979
    0
      Dokumentation/Projektarbeit.tex
  45. 788
    0
      Dokumentation/Projektarbeit_BACKUP_1047.tex
  46. 689
    0
      Dokumentation/Projektarbeit_BASE_1047.tex
  47. 751
    0
      Dokumentation/Projektarbeit_LOCAL_1047.tex
  48. 717
    0
      Dokumentation/Projektarbeit_REMOTE_1047.tex
  49. 283
    0
      Dokumentation/Smartmeter_Reader.ino
  50. BIN
      Dokumentation/TH_Logo.jpeg
  51. 117
    0
      Dokumentation/Teststand.ino
  52. BIN
      Dokumentation/img/Schaltung_Teststrecke.jpeg
  53. BIN
      Dokumentation/img/bms_board.jpg
  54. BIN
      Dokumentation/img/case_cad.PNG
  55. BIN
      Dokumentation/img/case_finished.jpeg
  56. BIN
      Dokumentation/img/case_switch_button.jpeg
  57. BIN
      Dokumentation/img/d1_bot.jpg
  58. BIN
      Dokumentation/img/d1_top.jpg
  59. BIN
      Dokumentation/img/discharge_curve.PNG
  60. BIN
      Dokumentation/img/ir_recv_a.PNG
  61. BIN
      Dokumentation/img/ir_recv_b.PNG
  62. BIN
      Dokumentation/img/konzept_bsb.PNG
  63. BIN
      Dokumentation/img/konzept_bsb.docx
  64. BIN
      Dokumentation/img/nodered_changeDB.png
  65. BIN
      Dokumentation/img/nodered_changeMQTTbroker.png
  66. BIN
      Dokumentation/img/nodered_dashboard.png
  67. BIN
      Dokumentation/img/nodered_flow.png
  68. BIN
      Dokumentation/img/pcb_jumper.png
  69. BIN
      Dokumentation/img/pcb_jumper_corrected.png
  70. BIN
      Dokumentation/img/pcb_sb1_sb2.png
  71. BIN
      Dokumentation/img/pcb_sb3.png
  72. BIN
      Dokumentation/img/photothumb.db
  73. BIN
      Dokumentation/img/platine_rendering.png
  74. BIN
      Dokumentation/img/power_schema.PNG
  75. BIN
      Dokumentation/img/shield.jpeg
  76. BIN
      Dokumentation/img/shield_gesteckt.jpeg
  77. BIN
      Dokumentation/img/teststrecke_ESP_output.png
  78. BIN
      Dokumentation/img/teststrecke_send_arduino.png
  79. BIN
      Dokumentation/img/typelengthfield.png
  80. BIN
      Dokumentation/img/wifimgr_loginpage.png
  81. BIN
      Dokumentation/img/wifimgr_webpage.png
  82. BIN
      Dokumentation/photothumb.db
  83. BIN
      Dokumentation/schematic.pdf
  84. 1
    0
      Dokumentation/start vscode.cmd
  85. 1
    0
      NodeRedFlow/flows.json
  86. 256
    0
      Software/Smartmeter_Reader/Smartmeter_Reader.ino
  87. 109
    0
      Software/Teststand/Teststand.ino

+ 4
- 0
.gitignore View File

@@ -0,0 +1,4 @@
### GLOBAL ###

# Random generated Desktop.ini files #
*.ini

+ 16
- 0
Altium/.gitignore View File

@@ -0,0 +1,16 @@
### Altium ###

# Previews Folders
**/__Previews/

# History Folders
**/History/*

# Project Logs
Project Logs*/

# Auto-conversion notices
*.PcbDoc.htm

# Access lock file for dbLib sources
**/*.ldb

BIN
Altium/Gerber_SS21_PRA.zip View File


+ 576
- 0
Altium/Output Jobs/SS21_PRA.OutJob
File diff suppressed because it is too large
View File


BIN
Altium/Platine.PcbDoc View File


BIN
Altium/Project Outputs for SS21_PRA/3D_View_Bird_SS21_PRA.PDF View File


BIN
Altium/Project Outputs for SS21_PRA/3D_View_Bot_SS21_PRA.PDF View File


BIN
Altium/Project Outputs for SS21_PRA/3D_View_Top_SS21_PRA.PDF View File


BIN
Altium/Project Outputs for SS21_PRA/Assembly_SS21_PRA.PDF View File


BIN
Altium/Project Outputs for SS21_PRA/BOM_SS21_PRA.xlsx View File


+ 0
- 0
Altium/Project Outputs for SS21_PRA/Gerber_SS21_PRA/Platine-macro.APR_LIB View File


+ 1
- 0
Altium/Project Outputs for SS21_PRA/Gerber_SS21_PRA/Platine.DRL View File

@@ -0,0 +1 @@
T€T€#v 2 s k €#v 2 s k €#v 2 s k €#v 2 s k €#v 2 s k €#v 2 s k €#v 2 s k €#v 2 s k €#v 2 s k €#v 2 s k €#v 2 s k €#v 2 s k €#v 2 s k €#v 2 s k €€# €7 8€78 €7 8€78 €78€78€78€# €78€78 €78€78€7 8€7 8€78 €# €78€7€8€7€7 8€7 €7 €8 €7 €7 €78€8€8€8€# €78€8€7 8 €8 €7 €7 €7 €7 €7 €7 €8 €7 €7 €7 €7 €7 €# €78€8€# €78€8€8€8€8€8€8€8 €7€8€8€8€8€8€8€8€# €78€8€# €7 8€8€7€8€T €

+ 22
- 0
Altium/Project Outputs for SS21_PRA/Gerber_SS21_PRA/Platine.DRR View File

@@ -0,0 +1,22 @@
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
NCDrill File Report For: Platine.PcbDoc 02.08.2021 23:43:27
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Layer Pair : Top Layer to Bottom Layer
ASCII RoundHoles File : Platine.TXT
EIA File : Platine.DRL

Tool Hole Size Hole Tolerance Hole Type Hole Count Plated Tool Travel
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
T1 28mil (0.711mm) Round 7 PTH 0.00inch (0.00mm)
T2 30mil (0.762mm) Round 7 PTH 0.00inch (0.00mm)
T3 32mil (0.8mm) Round 14 PTH 0.00inch (0.00mm)
T4 35mil (0.9mm) Round 16 PTH 0.00inch (0.00mm)
T5 39mil (1mm) Round 2 PTH 0.00inch (0.00mm)
T6 40mil (1.016mm) Round 16 PTH 0.00inch (0.00mm)
T7 47mil (1.2mm) Round 2 PTH 0.00inch (0.00mm)
T8 114mil (2.9mm) Round 4 NPTH 0.00inch (0.00mm)
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Totals 68

Total Processing Time (hh:mm:ss) : 00:00:00

+ 18
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Altium/Project Outputs for SS21_PRA/Gerber_SS21_PRA/Platine.EXTREP View File

@@ -0,0 +1,18 @@
------------------------------------------------------------------------------------------
Gerber File Extension Report For: Platine.GBR 02.08.2021 23:43:26
------------------------------------------------------------------------------------------


------------------------------------------------------------------------------------------
Layer Extension Layer Description
------------------------------------------------------------------------------------------
.GTO Top Overlay
.GTP Top Paste
.GTS Top Solder
.GTL Top Layer
.GBL Bottom Layer
.GBS Bottom Solder
.GBP Bottom Paste
.GBO Bottom Overlay
.GM1 Mechanical 1
------------------------------------------------------------------------------------------

+ 2618
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Altium/Project Outputs for SS21_PRA/Gerber_SS21_PRA/Platine.GBL
File diff suppressed because it is too large
View File


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Altium/Project Outputs for SS21_PRA/Gerber_SS21_PRA/Platine.GBO View File

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G04*
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G75*
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Altium/Project Outputs for SS21_PRA/Gerber_SS21_PRA/Platine.GBP View File

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G04*
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M02*

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@@ -0,0 +1,168 @@
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X371240D02*
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D03*
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Altium/Project Outputs for SS21_PRA/Gerber_SS21_PRA/Platine.GM1 View File

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Altium/Project Outputs for SS21_PRA/Gerber_SS21_PRA/Platine.GTL
File diff suppressed because it is too large
View File


+ 1397
- 0
Altium/Project Outputs for SS21_PRA/Gerber_SS21_PRA/Platine.GTO
File diff suppressed because it is too large
View File


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@@ -0,0 +1,122 @@
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D03*
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D03*
D21*
X379528Y98425D02*
D03*
X390551D02*
D03*
D22*
X435237Y93406D02*
D03*
Y96752D02*
D03*
X428347Y93405D02*
D03*
Y96752D02*
D03*
X442126Y93406D02*
D03*
Y96752D02*
D03*
D23*
X371063Y89547D02*
D03*
Y84547D02*
D03*
Y79547D02*
D03*
Y74547D02*
D03*
Y69547D02*
D03*
Y64547D02*
D03*
Y59547D02*
D03*
Y54547D02*
D03*
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D03*
Y84547D02*
D03*
Y79547D02*
D03*
Y74547D02*
D03*
Y69547D02*
D03*
Y64547D02*
D03*
Y59547D02*
D03*
Y54547D02*
D03*
M02*

+ 274
- 0
Altium/Project Outputs for SS21_PRA/Gerber_SS21_PRA/Platine.GTS View File

@@ -0,0 +1,274 @@
G04*
G04 #@! TF.GenerationSoftware,Altium Limited,Altium Designer,21.5.1 (32)*
G04*
G04 Layer_Color=8388736*
%FSLAX25Y25*%
%MOIN*%
G70*
G04*
G04 #@! TF.SameCoordinates,6B47F07E-1737-4CAB-AE6A-8125E67B32FB*
G04*
G04*
G04 #@! TF.FilePolarity,Negative*
G04*
G01*
G75*
%ADD24R,0.07493X0.04540*%
%ADD25R,0.05131X0.07493*%
%ADD26R,0.04540X0.07493*%
%ADD27R,0.02965X0.03162*%
%ADD28O,0.09855X0.03162*%
%ADD29R,0.02362X0.02756*%
%ADD30C,0.06706*%
%ADD31C,0.06800*%
%ADD32C,0.05131*%
%ADD33C,0.08674*%
%ADD34R,0.06706X0.06706*%
%ADD35C,0.07874*%
%ADD36C,0.12217*%
%ADD37C,0.05800*%
D24*
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D03*
Y125000D02*
D03*
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D03*
Y118110D02*
D03*
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D03*
Y71555D02*
D03*
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D03*
Y107087D02*
D03*
D25*
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D03*
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D03*
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D03*
X355709D02*
D03*
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D03*
X355709D02*
D03*
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D03*
X355709D02*
D03*
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D03*
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D03*
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D03*
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D03*
D26*
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D03*
D27*
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D03*
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D03*
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D03*
Y96752D02*
D03*
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D03*
Y96752D02*
D03*
D28*
X371063Y89547D02*
D03*
Y84547D02*
D03*
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D03*
Y74547D02*
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D03*
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D03*
Y59547D02*
D03*
Y54547D02*
D03*
X406890Y89547D02*
D03*
Y84547D02*
D03*
Y79547D02*
D03*
Y74547D02*
D03*
Y69547D02*
D03*
Y64547D02*
D03*
Y59547D02*
D03*
Y54547D02*
D03*
D29*
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D03*
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D03*
X432382D02*
D03*
D30*
X16913Y55245D02*
D03*
Y43434D02*
D03*
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D03*
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D03*
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D03*
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D03*
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D03*
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D03*
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D03*
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D03*
X371240D02*
D03*
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D03*
X321240D02*
D03*
X331240D02*
D03*
X341240D02*
D03*
X351240D02*
D03*
X361240D02*
D03*
X371240D02*
D03*
X433366Y25492D02*
D03*
D31*
X235433Y100394D02*
D03*
X79528Y67716D02*
D03*
X26913Y43434D02*
D03*
Y55245D02*
D03*
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D03*
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D03*
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D03*
Y15492D02*
D03*
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D03*
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D03*
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D03*
X94488Y102362D02*
D03*
Y92362D02*
D03*
Y82362D02*
D03*
Y72362D02*
D03*
Y62362D02*
D03*
Y52362D02*
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Y42362D02*
D03*
Y32362D02*
D03*
X184488Y102362D02*
D03*
Y92362D02*
D03*
Y82362D02*
D03*
Y72362D02*
D03*
Y62362D02*
D03*
Y52362D02*
D03*
Y42362D02*
D03*
Y32362D02*
D03*
D32*
X57500Y63779D02*
D03*
X42500D02*
D03*
X50000D02*
D03*
Y93307D02*
D03*
X57500D02*
D03*
X42500D02*
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D33*
X433563Y143425D02*
D03*
Y123622D02*
D03*
D34*
X311240Y113740D02*
D03*
D35*
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D03*
Y82953D02*
D03*
D36*
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D03*
Y125591D02*
D03*
X40157D02*
D03*
Y27953D02*
D03*
D37*
X392309Y111457D02*
D03*
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D03*
X277264Y108760D02*
D03*
X441823Y101575D02*
D03*
X253740Y97342D02*
D03*
X382283Y59842D02*
D03*
X387274Y55135D02*
D03*
M02*

+ 2
- 0
Altium/Project Outputs for SS21_PRA/Gerber_SS21_PRA/Platine.LDP View File

@@ -0,0 +1,2 @@
Layer Pairs Export File for PCB: C:\Users\Julian\Documents\Git Repositories\SS21_PRA\Platine.PcbDoc
LayersSetName=Top_Bot_Thru_Holes|DrillFile=platine.txt|DrillLayers=gtl,gbl

+ 176
- 0
Altium/Project Outputs for SS21_PRA/Gerber_SS21_PRA/Platine.REP View File

@@ -0,0 +1,176 @@
*************************************************************
FileName = Platine.GBR
AutoAperture = True
*************************************************************
Generating : Mechanical 1
File : Platine.GM1

Adding Layer : Mechanical 1


Used DCodes :
D11
*************************************************************

*************************************************************
Generating : Bottom Overlay
File : Platine.GBO

Adding Layer : Bottom Overlay


Used DCodes :
*************************************************************

*************************************************************
Generating : Bottom Paste
File : Platine.GBP

Adding Layer : Bottom Paste

Adding Layer : Bottom Layer

Adding Layer : Multi-Layer


Used DCodes :
*************************************************************

*************************************************************
Generating : Bottom Solder
File : Platine.GBS

Adding Layer : Bottom Solder

Adding Layer : Bottom Layer

Adding Layer : Multi-Layer


Used DCodes :
D30
D31
D32
D33
D34
D35
D36
D37
*************************************************************

*************************************************************
Generating : Top Solder
File : Platine.GTS

Adding Layer : Top Solder

Adding Layer : Top Layer

Adding Layer : Multi-Layer


Used DCodes :
D24
D25
D26
D27
D28
D29
D30
D31
D32
D33
D34
D35
D36
D37
*************************************************************

*************************************************************
Generating : Top Paste
File : Platine.GTP

Adding Layer : Top Paste

Adding Layer : Top Layer

Adding Layer : Multi-Layer


Used DCodes :
D18
D19
D20
D21
D22
D23
*************************************************************

*************************************************************
Generating : Top Overlay
File : Platine.GTO

Adding Layer : Top Overlay


Used DCodes :
D10
D11
D12
D13
D14
D15
D16
D17
*************************************************************

*************************************************************
Generating : Bottom Layer
File : Platine.GBL

Adding Layer : Bottom Layer

Adding Layer : Multi-Layer


Used DCodes :
D10
D11
D35
D38
D39
D40
D41
D42
D43
D44
*************************************************************

*************************************************************
Generating : Top Layer
File : Platine.GTL

Adding Layer : Top Layer

Adding Layer : Multi-Layer


Used DCodes :
D10
D11
D19
D20
D21
D22
D23
D29
D35
D38
D39
D40
D41
D42
D43
D44
*************************************************************


+ 5
- 0
Altium/Project Outputs for SS21_PRA/Gerber_SS21_PRA/Platine.RUL View File

@@ -0,0 +1,5 @@
DRC Rules Export File for PCB: C:\Users\Julian\Documents\Git Repositories\SS21_PRA\Platine.PcbDoc
RuleKind=SolderMaskExpansion|RuleName=SolderMaskExpansion|Scope=Board|Minimum=4.00
RuleKind=Width|RuleName=Width|Scope=Board|Minimum=10.00
RuleKind=Clearance|RuleName=Clearance|Scope=Board|Minimum=10.00
RuleKind=ShortCircuit|RuleName=ShortCircuit|Scope=Board|Allowed=0

+ 92
- 0
Altium/Project Outputs for SS21_PRA/Gerber_SS21_PRA/Platine.TXT View File

@@ -0,0 +1,92 @@
M48
;Layer_Color=9474304
;FILE_FORMAT=2:5
INCH,TZ
;TYPE=PLATED
T1F00S00C0.02800
T2F00S00C0.03000
T3F00S00C0.03150
T4F00S00C0.03543
T5F00S00C0.03937
T6F00S00C0.04000
T7F00S00C0.04724
;TYPE=NON_PLATED
T8F00S00C0.11417
%
T01
X253740Y97342
X277264Y108760
X392309Y111457
X441823Y101575
X387274Y55135
X382283Y59842
X392618Y26378
T02
X79528Y67716
X235433Y100394
X293791Y76272
X385531Y75984
X380421Y35917
X435039Y72835
X342126Y126870
T03
X16913Y43434
X26913
Y55245
X16913
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X50000
X57500
Y93307
X50000
X42500
X433366Y57441
Y47441
Y25492
Y15492
T04
X254331Y36614
Y117323
X311240Y113740
Y143740
X321240
X331240
X341240
X351240
X361240
X371240
Y113740
X361240
X351240
X341240
X331240
X321240
T05
X22441Y72953
Y82953
T06
X94488Y32362
Y42362
Y52362
Y62362
Y72362
Y82362
Y92362
Y102362
X184488
Y92362
Y82362
Y72362
Y62362
Y52362
Y42362
Y32362
T07
X433563Y123622
Y143425
T08
X40157Y27953
Y125591
X412598
Y27953
M30

+ 35
- 0
Altium/Project Outputs for SS21_PRA/Gerber_SS21_PRA/Platine.apr View File

@@ -0,0 +1,35 @@
D10 ROUNDED 11.811 11.811 0.000 LINE 0.000
D11 ROUNDED 10.000 10.000 0.000 LINE 0.000
D12 ROUNDED 20.000 20.000 0.000 LINE 0.000
D13 ROUNDED 7.874 7.874 0.000 LINE 0.000
D14 ROUNDED 9.842 9.842 0.000 LINE 0.000
D15 ROUNDED 23.622 23.622 0.000 LINE 0.000
D16 ROUNDED 5.906 5.906 0.000 LINE 0.000
D17 ROUNDED 8.000 8.000 0.000 LINE 0.000
D18 RECTANGULAR 19.686 23.622 0.000 FLASH 0.000
D19 RECTANGULAR 66.929 37.402 0.000 FLASH 0.000
D20 RECTANGULAR 66.929 43.307 0.000 FLASH 90.000
D21 RECTANGULAR 66.929 37.402 0.000 FLASH 90.000
D22 RECTANGULAR 21.654 23.622 0.000 FLASH 180.000
D23 ROUNDED 23.622 90.551 0.000 FLASH 270.000
D24 RECTANGULAR 74.929 45.402 0.000 FLASH 0.000
D25 RECTANGULAR 74.929 51.307 0.000 FLASH 90.000
D26 RECTANGULAR 74.929 45.402 0.000 FLASH 90.000
D27 RECTANGULAR 29.654 31.622 0.000 FLASH 180.000
D28 ROUNDED 31.622 98.551 0.000 FLASH 270.000
D29 RECTANGULAR 27.559 23.622 0.000 FLASH 270.000
D30 ROUNDED 67.055 67.055 0.000 FLASH 0.000
D31 ROUNDED 68.000 68.000 0.000 FLASH 0.000
D32 ROUNDED 51.307 51.307 0.000 FLASH 0.000
D33 ROUNDED 86.740 86.740 0.000 FLASH 0.000
D34 RECTANGULAR 67.055 67.055 0.000 FLASH 90.000
D35 ROUNDED 78.740 78.740 0.000 FLASH 0.000
D36 ROUNDED 122.173 122.173 0.000 FLASH 0.000
D37 ROUNDED 58.000 58.000 0.000 FLASH 0.000
D38 ROUNDED 13.780 13.780 0.000 LINE 0.000
D39 ROUNDED 59.055 59.055 0.000 FLASH 0.000
D40 ROUNDED 60.000 60.000 0.000 FLASH 0.000
D41 ROUNDED 43.307 43.307 0.000 FLASH 0.000
D42 RECTANGULAR 59.055 59.055 0.000 FLASH 90.000
D43 ROUNDED 114.173 114.173 0.000 FLASH 0.000
D44 ROUNDED 50.000 50.000 0.000 FLASH 0.000

+ 13
- 0
Altium/Project Outputs for SS21_PRA/Gerber_SS21_PRA/Status Report.Txt View File

@@ -0,0 +1,13 @@
Output: Drill_Files
Type : NC Drill
From : PCB Document [Platine.PcbDoc]
Generated File[Platine.TXT]
Generated File[Platine.DRL]
Generated File[Platine.LDP]
Generated File[Platine.DRR]


Files Generated : 4
Documents Printed : 0

Finished Output Generation At 23:43:27 On 02.08.2021

+ 117237
- 0
Altium/Project Outputs for SS21_PRA/Model_SS21_PRA.step
File diff suppressed because it is too large
View File


BIN
Altium/Project Outputs for SS21_PRA/PCB Print/PCB_Bottom_SS21_PRA.PDF View File


BIN
Altium/Project Outputs for SS21_PRA/PCB Print/PCB_Top_SS21_PRA.PDF View File


BIN
Altium/Project Outputs for SS21_PRA/PCB_Dimensions_SS21_PRA.PDF View File


BIN
Altium/Project Outputs for SS21_PRA/PDF3D_SS21_PRA.PDF View File


BIN
Altium/Project Outputs for SS21_PRA/Schematics_SS21_PRA.PDF View File


+ 14
- 0
Altium/Project Outputs for SS21_PRA/Status Report.Txt View File

@@ -0,0 +1,14 @@
Project Outputs Generation Report
---------------------------------
Start Output Generation At 23:43:17 On 02.08.2021

Output: STEP_model
Type : ExportSTEP
From : Variant [[No Variations]] of PCB Document [Platine.PcbDoc]
Generated File[Model_SS21_PRA.step]


Files Generated : 1
Documents Printed : 0

Finished Output Generation At 23:43:23 On 02.08.2021

+ 1176
- 0
Altium/SS21_PRA.PrjPcb
File diff suppressed because it is too large
View File


+ 1
- 0
Altium/SS21_PRA.PrjPcbStructure View File

@@ -0,0 +1 @@
Record=TopLevelDocument|FileName=Schaltplan.SchDoc|SheetNumber=1

BIN
Altium/Schaltplan.SchDoc View File


BIN
Dokumentation/.Projektarbeit.tex.swp View File


+ 7
- 0
Dokumentation/.gitignore View File

@@ -0,0 +1,7 @@
### Dokumentation Latex ###

# Output Folder #
out/

# VS Code working directory #
.vscode/

+ 209
- 0
Dokumentation/Literatur.bib View File

@@ -0,0 +1,209 @@
% This file was created with Citavi 6.8.0.0

@www{Benutzerhandbuch,
author = {Landis+Gyr},
year = {2018},
title = {E220 Benutzerhandbuch},
url = {https://www.landisgyr.de/webfoo/wp-content/uploads/2018/08/D000063497-E220-AMxD-Benutzerhandbuch-de-f.pdf}
}


@www{DownloadPuTTY,
author = {PuTTY},
title = {Download PuTTY},
url = {https://www.putty.org/}
}


@www{EasyMeter,
author = {Streck},
editor = {EasyMeter},
year = {2009},
title = {Protokoll Datentransfer zu Erweiterungsmodulen},
url = {https://www.mikrocontroller.net/attachment/89888/Q3Dx_D0_Spezifikation_v11.pdf}
}


@www{EDI,
author = {BDEW},
year = {2013},
title = {EDI@Energy OBIS-Kennzahlen-System},
url = {https://www.bundesnetzagentur.de/DE/Beschlusskammern/BK06/BK6_81_GPKE_GeLi/Mitteilung_Nr_37/Anlagen/OBIS-Kennzahlensystem%202.2a.pdf?__blob=publicationFile&v=2}
}


@www{eHZ,
editor = {{EMH metering GmbH {\&} Co. KG}},
title = {eHZ Generation K},
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@www{eHZ2020,
author = {{EMH metering GmbH {\&} Co. KG}},
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% ============= Dokument Beschreibung =============
\title{Projektarbeit}
\author{Katharina Steib\thanks{TH Nürnberg}
\and Simon Kocher\footnotemark[1]
\and Julian Rico Birner\footnotemark[1]}
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\begin{document}


\begin{titlepage} % Suppresses displaying the page number on the title page and the subsequent page counts as page 1
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{\huge\bfseries Entwicklung eines IR-Empfängers für einen Stromzähler}\\[0.4cm] % Title of your document
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\large
\textit{Autoren}
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~
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\textit{Betreuer}\\
Bernd \textsc{Klehn} % Supervisor's name
\end{flushright}
\end{minipage}
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%{\large\textit{Author}}\\
%John \textsc{Smith} % Your name
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steibka77404@th-nuernberg.de (3264785)
\\ kochersi74936@th-nuernberg.de(3254887)
\\ ricobirnerju74691@th-nuernberg.de(3273163)
\end{center}
\end{titlepage}

%\maketitle %Erstellt Titelseite
\tableofcontents % Erstellt Inhaltsverzeichnis

\part{Hauptteil}

\chapter{Einleitung}
%++-
% Kathi 1,5 Seiten
Durch die Coronapandemie ist der Stromverbrauch in Deutschland im Jahr 2020 um rund 4,4 Prozent im Vergleich
zum Vorjahr gesunken, was einer Einsparung von 25 TWh entspricht. Dieses Phänomen lässt sich besonders auf den
lockdownbedingten Konjunktureinbruch zurückführen. Trotz des Rückgangs ist aber noch viel Luft nach oben.
Laut dem Stromspiegel 2019 verschwendeten die privaten Haushalte in Deutschland Strom im Wert von 9 Mrd. Euro.\\
Viele Deutsche wissen gar nicht wie hoch ihr Stromverbrauch eigentlich ist und ob dieser über oder
unterdurchschnittlich ist. Zum Vergleich kann der durchschnittliche Stromverbrauch einer Familie von
4250 kWh pro Jahr heran gezogen werden. Den eigenen Stromverbrauch zu ermitteln und im besten Fall auch entsprechend
zu regulieren ist schon schwieriger. Zwar findet man im Internet zahlreiche Seiten die anhand verschiedener Angaben
den Verbrauch abschätzen, jedoch handelt es sich dabei lediglich um eine grobe Näherung. \cite{StromAuskunft}\\ \\
Im Zuge der Digitalisierung verfügen immer mehr Haushalte über ein Smart Home System. Dabei handelt es sich
eigentlich um einen Überbegriff der verschiedene Verfahren vereint, die mit automatisierbaren Abläufen das Leben
in Bezug auf den Wohnraum vereinfachen sollen. Bekannte Beispiele sind das Regeln der Heizung auch von Unterwegs,
das an und ausschalten verschiedener Geräte oder Lampen ohne zum Schalter gehen zu müssen oder auch das Öffnen
und Schließen von Fenstern und Rollläden. Dabei können die Geräte sowohl über eine Programmierschnittstelle zu
bestimmten Zeiten und/oder Bedingungen geschaltet werden als auch bequem per App vom Smartphone.
Das Zuhause wird also sowohl intelligenter als auch bequemer für seine Bewohner.\\
Ein solches Smart Home System eignet sich auch zur genauen Stromerfassung und Regulierung besonders gut.
Der Verbraucher kann nicht nur genaue Daten ablesen sondern auch gezielt daran arbeiten seinen Stromverbrauch mit
speziell auf ihn angepassten Einstellungen zu minimieren.
Leider ist die Installation eines solchen Systems oftmals mit einem hohen Aufwand und hohen
Kosten verbunden, da meist viele bereits vorhandene Teile ausgetauscht werden müssen. Auch die Kosten für die
Installation und Einrichtung sind nicht unerheblich. \cite{smartHome}\\ \\
In diesem Projekt wurde an einer möglichst benutzerfreundlichen, kostengünstigen und einfachen Lösung gearbeitet
mit der man einen Stromzähler zu Hause selbst visualisieren kann. Dabei ist hervorzuheben, dass das entwickelte
Gerät an den bereits vorhandenen Stromzähler ergänzt wird und somit kein Austausch von Geräten nötig ist.\\
Der folgende Bericht wurde zur besseren Übersicht in zwei Teile unterteilt.
Im ersten Teil werden die technischen Hintergründe und Funktionen erläutert.
Der zweite Teil soll hierbei als eine Art Benutzerhandbuch zur Anleitung dienen.\\

\chapter{Konzept}
%+--
% Simon ~1,5 Seiten
Im Folgenden wird zunächst auf die Aufgabenstellung eingegangen und anschließend ein Lösungsansatz schematisch erläutert.

\section{Soll-Ist-Analyse}
%+--
Gegeben ist ein Stromzähler des Typen \glqq eHZ Generation K\grqq{} der Firma EMH metering GmbH \& Co. KG \cite{haushaltszaehler}.
% https://emh-metering.com/produkte/haushaltszaehler-smart-meter/ehz-k/ haushaltszaehler
Der Zähler verfügt über mehrere Infrarotschnittstellen zur Datenübertragung \cite{eHZ}.
% https://emh-metering.com/wp-content/uploads/2021/08/eHZ-K-DAB-D-1.10.pdf eHZ
Es soll ein Empfänger für die Zählerstände, die über diese Schnittstellen übertragen werden entwickelt
werden. Der Empfänger soll in sinnvollen Intervallen (z.B. zweimal pro Tag) den Zählerstand ermitteln
und an einen bestehenden Smart-Home-Controller in Form eines Raspberry Pi übermitteln.\\
Der bestehende Controller zeigt bereits vorhandene Daten aus anderer Quelle in einem Dashboard auf
Basis von Node-RED \cite{nodered}
% https://nodered.org/ nodered
an. Die Zäherstände sollen ebenfalls in Node-RED angezeigt werden.\\
Um eine möglichst einfache Installation des Empfängers zu ermöglichen, soll der Empfänger sowohl
im Hinblick auf die Datenübertragung als auch die Energieversorgung vollständig drahtlos funktionieren.\\
Weiterhin soll ein Teststand entwickelt werden, mit dem der Empfänger ohne den Stromzähler auf
Funktion getestet werden kann.

\section{Lösungskonzept}
%+--
% Konzept von Simon
% => Blockschaltbild
% - Nen Microcontroller+wifi
% - Iwie Versorgung
% - iwie Einlesen
% - Empfangen an Raspi
% -
Um eine drahtlose Energieversorgung des Empfängers zu ermöglichen, wird der Empfängeraufbau mit
einem Akku betrieben. Für den Akku müssen sowohl eine Ladevorrichtung als auch der Akkutechnologie entsprechende
Schutzschaltungen vorgesehen werden. Der Datenempfang und die Weitergabe an den
Smart-Home-Controller wird durch einen Microcontroller realisiert. Um auch für die
Datenübermittlung an den Controller kabellos zu bleiben, wird ein Microcontroller mit
WiFi-Schnittstelle benötigt. Der Datentransfer zum Smart-Home-Controller kann dabei über das
MQTT-Protokoll \cite{MQTT}
% https://mqtt.org/ MQTT
realisiert werden. Für den Empfang der Stromzählerstände muss ein Infrarotempfänger, der kompatibel
zur IR-Schnittstelle des Zählers ist, entwickelt werden.
\begin{figure}[!h]\centering{
\includegraphics[width=\linewidth]{img/konzept_bsb.PNG}
\caption{Schematische Darstellung des Lösungskonzepts}
\label{fig:concept_bsb}
}
\end{figure}

Für den Teststand muss ein Infrarotsender entwickelt werden, der die IR-Schnittstelle des Stromzählers
nachahmt und konfigurierbare Werte als Zählerstand versendet. Hier bietet sich ebenfalls eine Lösung
mit einem Microcontroller an.

\FloatBarrier

\chapter{Implementierung}
%---
% Simon und Julian
\section{Stromzähler}
%---
% Julian ~ 2 Seiten
\subsection{Infrarotschnittstellen}
%+--
% @Julian: war glaube ich dir zugeteilt, ich hab mich beim Zähler mal auf das Modell aus
% https://emh-metering.com/wp-content/uploads/2021/08/eHZ-K-DAB-D-1.10.pdf (Datasheet)
% bezogen, wär cool wenn du hier kurz erwähnen könntest dass es sowohl die Datenschnittstelle
% als auch so eine x Impulse/kWh IR-Schnittstelle gibt.
Wie bereits erwähnt verfügt der Stromzähler über mehrere Infrarotschnittstellen. Dabei ist zwischen der Prüf-LED und den beiden optischen Datenschnittstellen zu unterscheiden. Über die Prüf-LED sendet der Stromzähler 10.000 Impulse pro kWh, vorausgesetzt es wird ein Strom oberhalb der Anlaufschwelle gemessen. Diese Schnittstelle dient jedoch, wie der Name bereits vermuten lässt, primär zur Funktionsprüfung des Zählers. Die beiden Datenschnittstellen hingegen können dazu verwendet werden, umfangreichere Daten auszulesen.\\ Auf der Rückseite des Zählers befindet sich eine bidirektionale Datenschnittstelle, worüber neben dem Auslesen von Zählstanden auch das Setzen und Lesen von Zählerparametern, Fernabfragung oder Prüfung des Zählers möglich ist. Diese Schnittstelle ist jedoch hauptsächlich für den Netzbetreiber gedacht und aus diesem Grund auch mit einer Betriebsplombe versehen. Für den Endkunden zugänglich ist die unidirektionale INFO-Schnittstelle auf der Vorderseite, worüber der gleiche Datensatz empfangen werden kann, aber keine aktive Kommunikation mit dem Messgerät möglich ist \cite{eHZ2020}.
% https://emh-metering.com/wp-content/uploads/2020/08/eHZ-K-BIA-D-1-20.pdf (User manual) eHZ2020
\subsection{SML - Smart Message Language} \label{SML spec}
%+--
Über beide Datenschnittstellen wird alle paar Sekunden ein Datensatz verschickt, wobei hier zwischen einem reduzierten und einem vollständigen Datensatz gewechselt wird. Beide Datensätze verwenden SML (=Smart Message Language) \cite{TechnischeRichtlinie}
% https://www.bsi.bund.de/SharedDocs/Downloads/DE/BSI/Publikationen/TechnischeRichtlinien/TR03109/TR-03109-1_Anlage_Feinspezifikation_Drahtgebundene_LMN-Schnittstelle_Teilb.pdf?__blob=publicationFile TechnischeRichtlinie
als Kommunikationsprotokoll mit einer Baudrate von 9600 Baud, einer maximalen Übertragungszeit von 400ms und eine Auflösung des Gesamtverbrauchs von \SI{100}{\milli\watt\hour}\cite{eHZ2020}.
% Gleiche Quelle wie in vorheriger Subsection: user manual eHZ Gen K
Die dabei übertragenen Werte werden über das OBIS-Kennzahlen-System \cite{EDI} kodiert. Der für das Projekt relevante Gesamtverbrauch hat dabei die Kennzahl 1.8.0.
% https://www.bundesnetzagentur.de/DE/Beschlusskammern/BK06/BK6_81_GPKE_GeLi/Mitteilung_Nr_37/Anlagen/OBIS-Kennzahlensystem%202.2a.pdf?__blob=publicationFile&v=2 EDI


\section{IR Übertragungsstrecke}
%+--
% Simon ~ 1,5 Seiten
Die Impulsschnittstelle des Stromzählers würde sich grundsätzlich zum Aufzeichnen der Zählerstände eignen,
vorausgesetzt der Zählerstand zu Aufzeichnungsbeginn ist bekannt. Ein großer Vorteil dieser Schnittstelle
ist ihre extrem simple Natur: per GPIO-Interrupt eines Microcontrollers oder sogar per diskretem Zähler-IC
ist der Datenempfang sehr einfach realisierbar. Dagegen muss bei der IR-Datenschnittstelle sowohl
das Übertragungsprotokoll als auch die Datencodierung, die der Zähler verwendet, unterstützt werden.\\
Gegen die Impulsschnittstelle sprechen allerdings einige Nachteile. Da der Zähler lediglich
eine fixe Anzahl an Impulsen pro verbrauchter Kilowattstunde sendet, werden hier nur Verbrauchsdeltas und
nie der absolute Wert übermittelt. Folglich wird zur Feststellung eines tatsächlichen Zählerstandes
in Kilowattstunden der Zählerstand zu Aufzeichnungsbeginn benötigt. Außerdem führt ein temporärer Ausfall
der Empfängerschaltung, bei dem Impulse nicht aufgezeichnet werden, zur Messung falscher Zählerstände.\\
Ein weiterer Nachteil der Impulsschnittstelle ist dass zumindest ein Teil der Empfängerschaltung dauerhaft in Betrieb sein
muss um jeden Infrarotimpuls aufzunehmen. Gerade bei einem Microcontroller ist hier von einem relativ
hohen Energieverbrauch auszugehen bei dem ein Großteil der Energie verschwendet wird.\\
Auf der Datenschnittstelle wird in regelmäßigen Intervallen der absolute Zählerstand übermittelt, damit
entfallen beide Nachteile der Impulsschnittstelle. Daher wurde sich für dieses Projekt für den Empfang
an der Datenschnittstelle entschieden. \\

Die Datenschnittstelle überträgt hier die Zählerstände mittels des sogenannten D0-Protokolls \cite{EasyMeter}
% https://www.mikrocontroller.net/attachment/89888/Q3Dx_D0_Spezifikation_v11.pdf EasyMeter
nach DIN EN 62056‐21. Die Beschreibung des Protokolls lässt bereits eine Ähnlichkeit mit RS232
vermuten, experimentell konnte bestätigt werden, dass die D0-Daten mittels der RS232-Peripherie eines
ESP8266 Microcontroller empfangen werden können. Dabei muss lediglich der RX-Pin der RS232-Schnittstelle
des Controllers an eine geeignete Empfangsschaltung angeschlossen werden.\\
Bei einem Test mit einem Stromzähler des Herstellers \glqq Landis+Gyr\grqq{} konnte allerdings
festgestellt werden, dass die Datenformatangabe aus \cite{EasyMeter}, d.h.
1 Startbit, 7 Datenbits, 1 Paritätsbit und ein Stoppbit, von diesem Zähler nicht eingehalten wird,
stattdessen wird von diesem Zähler 1 Startbit, 8 Datenbits und 1 Stoppbit verwendet.
Laut Herstellerangabe \cite{Benutzerhandbuch}
% https://www.landisgyr.de/webfoo/wp-content/uploads/2018/08/D000063497-E220-AMxD-Benutzerhandbuch-de-f.pdf Benutzerhandbuch
handelt es sich bei dieser Schnittstelle ebenfalls um eine Datenschnittstelle gem. DIN EN 62056‐21.
Bei der Einstellung der RS232-Peripherie kann es also zu zählerabhängigen Unterschieden kommen.\\

Um einen Empfang der Zählerstände zu ermöglichen, müssen die Infrarotsignale des Zählers zunächst
in digitale elektrische Signale gewandelt werden. Für die Wandlung von Infrarotsignalen zu
elektrischen Signalen wurde eine Photodiode vom Typ SFH 213 FA \cite{Fotodiode} gewählt. Laut Datenblatt
% https://cdn-reichelt.de/documents/datenblatt/A501/SFH213FA_ENG_TDS.pdf Fotodiode
fließt bei einer Sperrspannung von $V_R=\SI{20}{\volt}$ ein Dunkelstrom $I_R \leq \SI{5}{\nano\ampere}$.
Bei $V_R=\SI{5}{\volt}$ und bei einer Strahlungsleistung von \SI{1}{\milli\watt\per\centi\metre\squared}
ist ein Photostrom $I_P \geq \SI{65}{\micro\ampere}$ zu erwarten. Bei Anwendung der Photodiode
in der Empfängerschaltung sind diese Rahmenparameter, sowohl die \SI{20}{\volt} Sperrspannung als
auch die genaue Strahlungsleistung nicht identisch mit den Vorgaben aus dem Datenblatt. Allerdings
können der Dunkelstrom $I_R \approx \SI{5}{\nano\ampere}$ und der Photostrom $I_P\approx\SI{65}{\micro\ampere}$
als grobe Vorgaben zur Dimensionierung der Empfängerschaltung verwendet werden.\\

Um die Stromsignale der Photodiode zu verstärken, bietet sich ein einfacher NPN-Transistor an, gewählt wurde
der BC548B. Mit der Beschaltung aus Abb. \ref{fig:ir_recv_a} und $200 \leq h_{FE} \leq 450$
\cite{Transistor},
% https://cdn-reichelt.de/documents/datenblatt/A100/BC546_48-CDIL.pdf Transistor
ergibt sich ohne IR-Bestrahlung am Ausgang bei $V_{CC} = \SI{3,3}{\volt}$
$U_{out} \approx V_{CC} - R_1 \cdot \SI{5}{\nano\ampere} \cdot h_{FE} \approx \SI{3,3}{\volt} \approx V_{CC}$.
Mit IR-Bestrahlung bei $I_{P}\approx\SI{65}{\micro\ampere}$ ergäbe sich nach der obigen Formel
eine negative Ausgangsspannung, in der Praxis geht der Transistor in Sättigung und $U_{out} \approx \SI{0}{\volt}$. \\
\begin{figure}[!h]\centering{
\includegraphics[height=0.25\textheight]{img/ir_recv_a.PNG}
\caption{Die Infrarotempfängerschaltung}
\label{fig:ir_recv_a}
}
\end{figure}

Anhand der Berechnung lässt sich erkennen, dass die Verstärkerschaltung das Eingangssignal invertiert:
bei Dunkelheit wird eine digitale 1 erzeugt, bei IR-Belichtung eine digitale 0. Dieses Verhalten
kann schaltungstechnisch mit einem einfach Inverter, wie in Abb. \ref{fig:ir_recv_b} zu sehen, behoben werden. \\
\begin{figure}[!h]\centering{
\includegraphics[height=0.25\textheight]{img/ir_recv_b.PNG}
\caption{Die Infrarotempfängerschaltung mit Inverter}
\label{fig:ir_recv_b}
}
\end{figure} \\
Nach Entwicklung der Schaltung konnte experimentell festgestellt werden, dass der getestete Stromzähler
der Firma Landis+Gyr bereits beim Senden das serielle Signal invertiert, sodass ein Inverter beim Empfänger
entfällt. Daher wurde die Inverterstufe auf der fertigen Platine durch einen Jumper konfigurierbar
ausgelegt (s. Abschnitt \ref{sec:schematic}). So kann Anwendungsspezifisch die Schaltung aus Abb.
\ref{fig:ir_recv_a} oder aus Abb. \ref{fig:ir_recv_b} verwendet werden.\\

Das Signal $U_{out}$ der Empfängerschaltung kann direkt mit dem RX-Pin des Microcontrollers verbunden
werden.

\FloatBarrier

\section{Microcontroller} \label{sec:ESP}
%+--
%Julian
Für das Empfangen und Verarbeiten der Daten wurde als Microcontroller ein D1 mini ausgewählt, welcher auf einem ESP8266 Prozessor basiert. Dieser verfügt über eine integrierte WLAN-Schnittstelle und ausreichend Peripherie, um den Anforderungen gerecht zu werden. Die serielle Schnittstelle des Microcontrollers kann außerdem direkt genutzt werden, um das serielle Signal vom Stromzähler mittels der bereits vorgestellten Empfängerschaltung relativ einfach einzulesen. Außerdem ist der Microcontroller mit der Arduino IDE programmierbar, was die Vorteile einer einfachen Programmierung und der gleichzeitig großen Vielfalt an Bibliotheken und Erweiterungen für diese Plattform kombiniert. Trotz seiner geringen Größe und dem vernachlässigbaren Gewicht verfügt das Board dennoch über ausreichend RAM und Flash-Speicher, eine Taktgeschwindigkeit von 80 bzw. 160 Mhz und einer $I^2C$-Schnittstelle zur Kommunikation mit der RTC, womit alle Anforderungen erfüllt sind und er sich perfekt zur Umsetztung des Projekts eignet \cite{ESP}.
% https://www.wemos.cc/en/latest/d1/d1_mini.html ESP
\begin{figure}[!h]
\centering
\includegraphics[height=0.25\textheight]{img/d1_top.jpg}
\caption{ESP 8266 D1 Mini}
\label{fig:d1_mini_top}
\end{figure}
% TODO Bild auf gleiche Seite wie Text

\FloatBarrier

\section{Energieverbrauch}
%+--
% Simon ~ 3-4 Seiten
Da das Infrarotempfängerkonzept eine vollständig kabellose Anbindung des Empfängeraufbaus vorsieht,
ist die Energieversorgung über einen Akku notwendig. Als Akku wurde ein Lithium-Ionen Akku im 18650
Formfaktor gewählt. Für das Akkumanagement, d.h. Laden des Akkus und Unterspannungsschutz, wird
ein fertiges BMS-Board verwendet. Das gewählte BMS-Board ist unter der Bezeichnung
\glqq Wemos 18650 battery shield V3\grqq{} auf diversen Onlinemarktplätzen zu finden.\\
Das Board wird mit einer 18650 Lithium-Ionen-Zelle bestückt und liefert \SI{3}{\volt} und
\SI{5}{\volt} Ausgangsspannung, die bei Unterspannung der Akkuzelle automatisch abgeschaltet werden.
Weiterhin kann der Akku im BMS-Board bequem per Micro-USB aufgeladen werden.\\
Damit der Empfänger einen möglichst nützlichen
Smart Home-Sensor darstellt, muss eine hohe Akkulebensdauer sichergestellt sein, da bei einem Empfänger,
der sehr häufig aufgeladen werden muss auch das manuelle notieren der Stromzählerstände einen vergleichbaren
Aufwand verursachen würde.\\

Bei einem handelsüblichen 18650 Lithium-Ionen-Akku kann von einer Kapazität in der Größenordnung von
\SI{2700}{\milli\ampere{}\hour} ausgegangen werden \cite{Panasonic}.
% https://b2b-api.panasonic.eu/file_stream/pids/fileversion/3447 Panasonic
Bei einer geschätzten Stromaufnahme der Empfängerschaltung im Dauerbetrieb von ca.
\SI{150}{\milli\ampere}, ergäbe sich eine Akkulebensdauer von ca. \SI{18}{\hour}, ein völlig
inakzeptabler Wert. Aus dieser Überschlagsrechnung wird klar, dass die Empfängerschaltung in zwei
Zuständen, einem Aktivzustand mit großem Energieverbrauch und einem möglichst sparsamen Passivzustand,
realisiert werden muss.

\subsection{Abschätzung der Akkulebensdauer}
%+--
\label{sec:lifetime_approx}
Um eine Realisierung dieser beiden Zustände zu beurteilen, ist ein Modell der Akkulebensdauer
in Abhängigkeit der Parameter der Zustände (Verweildauer im Zustand und Stromaufnahme) sinnvoll.\\
Der Aktivzustand wird charakterisiert durch die Dauer $t_{on}$ mit mittlerem Versorgungsstrom $I_{on}$,
der in einem Zyklus der Periode $T_{cycle}$ auftritt, der Standby-Zustand wir charakterisiert durch
den Ruhestrom $I_{off}$.\\
Mit Ladung $C=\int{I(\tau)d\tau}$ ergibt sich näherungsweise eine Ladungsaufnahme der Schaltung von
\begin{equation}
C_{auf}(t) = I_{on}\cdot\frac{t_{on}}{T_{cycle}}\cdot t + I_{off}\cdot t.
\end{equation}
Dabei wurden unter den Annahmen $t \gg T_{cycle}$ und $\frac{t_{on}}{T_{cycle}} \ll 1$ einige Vereinfachungen vorgenommen.\\

Modelliert man nun den Akku der Kapazität $C_A$ (z.B. \SI{2800}{\milli\ampere{}\hour}) als simple Ladungsquelle,
die die Schaltung versorgt, bis $C_A$ \glqq aufgebraucht\grqq{} ist, ergibt sich durch Gleichsetzen von
$C_{auf}(t)$ und $C_A$ eine geschätzte Lebensdauer
\begin{equation}
t_L = \frac{C_A}{I_{on}\cdot t_{on}/T_{cycle}+I_{off}}.
\end{equation}
Für einen Ruhestrom von $I_{off}=\SI{2}{\micro\ampere}$, eine Aktivzeit $t_{on}=\SI{30}{\second}$,
$T_{cycle}=\SI{12}{\hour}$, $C_A=\SI{2800}{\milli\ampere{}\hour}$ und
einen mittleren Versorgungsstrom $I_{on}=\SI{150}{\milli\ampere}$ ergibt sich beispielsweise aus der Abschätzung
$t_L=\SI{1099}{\day}$. Wird bei den selben Parametern ein Ruhestrom von $I_{off}=\SI{0,2}{\milli\ampere}$
angesetzt, drittelt sich die geschätzte Lebensdauer auf ca. \SI{384}{\day}.\\ \\

Es ist fragwürdig, ob in der Praxis tatsächlich eine derartig hohe Lebensdauer erreichbar ist, mitunter,
da kein realistisches Akkumodell verwendet wurde.\\
Allerdings ist die hohe Abschätzung der Lebensdauer eine gute Indikation dafür, dass
die reale Lebensdauer nicht ausschließlich durch den Energieverbrauch der Schaltung sondern durch Eigenschaften
des Akkus limitiert wird und somit eine weitere Optimierung des Energieverbrauchs nicht unbedingt zu einem
signifikanten Anstieg der Akkulebensdauer führen würde. Um die Lebensdauer genauer zu bestimmen, ist allerdings
eine Echtzeitmessung oder die Verwendung eines präzisen Akkumodells erforderlich.

\subsection{Schaltungstechnische Realisierung des Standbyzustands}
%+--
Der ESP8266 verfügt Hardwareseitig bereits über einen sogenannten \glqq Deep-sleep\grqq{}-Modus \cite{ESPSolution}.
% ESP8266 Low Power Solutions V1.5, Espressif
% https://www.espressif.com/sites/default/files/documentation/9b-esp8266-low_power_solutions__en.pdf ESPSolution
In diesem Modus wird der Großteil des Mikrocontrollers deaktiviert und damit der Energieverbrauch
deutlich gesenkt \cite{ESPSolution}. Mittels der internen Uhr (RTC) des ESP wird der Microcontroller
in bestimmten Intervallen wieder \glqq geweckt\grqq{} \cite{ESPSolution}.
Durch diesen Mechanismus könnte der zuvor beschriebene Energiesparmodus umgesetzt werden.
Da für dieses Projekt allerdings der ESP8266 nicht einzeln sondern in Form eines Entwicklungsboards
mit zusätzlicher Peripherie (z.B. Spannungswandler und USB zu UART Wandler) verwendet wird und
auch im Arbeitspunkt der IR-Empfängerschaltung ein geringer Strom fließt, würde
der Deep-sleep-Modus zwar den Energieverbrauch des ESP reduzieren, alle weiteren Komponenten wären
davon allerdings nicht betroffen. Wie die Lebensdauerabschätzung im vorherigen Abschnitt zeigt, ist
ein Standbystrom im Microamperebereich wünschenswert, daher ist der Deep-sleep-Modus für diesen Zweck
nicht ausreichend.\\
Eine alternative Lösung, die im Rahmen dieses Projekts gewählt wurde, ist im Standbyzustand die
Energieversorgung der kompletten Schaltung zu unterbrechen.\\
Dafür wird mittels eines p-MOSFET ein high-side Schalter realisiert, der die Versorgungsspannung
vom BMS-Board zum Empfänger schaltet. Der MOSFET wird angesteuert durch eine externe Echtzeituhr
(RTC) vom Typ DS3231 \cite{Maxim}.
% https://datasheets.maximintegrated.com/en/ds/DS3231.pdf Maxim
Die DS3231 liefert via I\textsuperscript{2}C-Schnittstelle nach einmaliger Konfiguration fortlaufend
das aktuelle Datum und die aktuelle Uhrzeit. Die RTC wird dabei von einer Lithium-Knopfzelle versorgt
und ist damit in ihrer Funktion unabhängig von einer externen Spannungsversorgung. Die für dieses Projekt
wichtigste Funktion der DS3231 sind die zwei programmierbaren Alarme der RTC.\\

\begin{figure}[!h]\centering{
\includegraphics[width=0.5\linewidth]{img/power_schema.PNG}
\caption{Schematische Darstellung der geschalteten Energieversorgung}
\label{fig:power_schema}
}
\end{figure}

Mittels I\textsuperscript{2}C können in den Registern der RTC zwei Alarme dazu programmiert werden, in
bestimmten Intervallen (minütlich, stündlich, täglich, ...) den $\overline{\mbox{INT}}$-Pin der RTC
auf Masse zu ziehen \cite{Maxim}. Dabei ist sehr hilfreich, dass die Alarmsignale selbsthaltend sind,
d.h. wird ein Alarm ausgelöst bleibt $\overline{\mbox{INT}}$ auf Masse gezogen, bis via
I\textsuperscript{2}C das jeweilige Alarmflag (A1E bzw. A2E) in den RTC-Registern zurückgesetzt wird \cite{Maxim}.\\
Das Signal eignet sich also direkt zum Schalten der Energieversorgung der Empfängerschaltung.
Weiterhin handelt es sich bei dem $\overline{\mbox{INT}}$-Pin um einen open-drain Ausgang, d.h. der Pin
muss mit einem externen Pull-Up-Widerstand beschaltet werden \cite{Maxim}, der die high-Spannung des
Signals vorgibt. Damit bietet sich das Signal zum Steuern des p-MOSFET sehr an, da durch einen
Pull-Up auf die Sourcespannung des MOSFET der p-MOSFET korrekt durch das Signal geschaltet wird.\\
In der praktischen Erprobung der Schaltung hat sich gezeigt, dass teils beim Ausschalten Glitches
auftreten können, bei denen die Versorgung nicht vollständig ausgeschaltet wird, sondern die Spannung
am Drain des MOSFET (die nahe \SI{0}{\volt} liegen sollte) bei beispielsweise \SI{1,6}{\volt} hängen
bleibt und der Ausschaltvorgang somit fehlschlägt. Um ein sicheres Ausschalten zu gewährleisten,
wurde zwischen das $\overline{\mbox{INT}}$-Signal der RTC mit Pull-Up und den MOSFET ein Spannungspuffer
geschaltet (realisiert durch zwei nacheinander geschaltete NAND-Gatter aus einem CD4011B IC,
Schaltung siehe Abschnitt \ref{sec:schematic}).\\
Nach dieser Änderung konnten keine Glitches mehr festgestellt werden.\\

Als p-MOSFET wurde ein NX2301P gewählt \cite{MOSFET}.
% https://assets.nexperia.com/documents/data-sheet/NX2301P.pdf MOSFET
Das wichtigste Auswahlkriterium für den MOSFET war in dieser Funktion ein betragsmäßig ausreichend
geringes $V_{GS}$ um den MOSFET einzuschalten. Dem Datenblatt lässt sich bei
$V_{GS}=\SI{-1.8}{\volt}$ ein maximales $R_{DSon}$ von \SI{270}{\milli\ohm} entnehmen. Dieser
$R_{DSon}$-Wert ist für den Aktivzustand der Schaltung völlig ausreichend - bei einer Stromaufnahme
von \SI{150}{\milli\ampere} fallen über dem MOSFET maximal \SI{41}{\milli\volt} ab, der Leistungsverlust
über dem MOSFET liegt im einstelligen Milliwattbereich. Die Gate-Source Spannung
von \SI{-1.8}{\volt} ist ebenfalls komfortabel erreichbar, bei einer Akkuspannung von \SI{3}{\volt}
wird ein $V_{GS}$ von knapp \SI{-3}{\volt} im Aktivzustand erreicht.

\FloatBarrier

\subsection{Messtechnische Überprüfung des Energieverbrauchs}
%+--
Zur messtechnischen Überprüfung des Energieverbrauchs wurde zunächst das BMS-Board mit \SI{3,7}{\volt}
versorgt und die Stromaufnahme ohne angeschlossene Last bestimmt. Es konnte ein Wert von ca.
\SI{0,33}{\milli\ampere} gemessen werden. Wie bereits bei der Abschätzung der Akkulebensdauer festgestellt
wurde, handelt es sich hierbei um einen relativ hohen Standbyverbrauch. Es ist eine naheliegende Vermutung,
dass dieser Stromverbrauch ohne Last durch den DC-DC Step-Up Konverter auf dem BMS-Board verursacht wird,
der die \SI{5}{\volt} Ausgangsspannung des Boards generiert.\\
\begin{figure}[h]\centering{
\includegraphics[width=0.7\linewidth]{img/bms_board.jpg}
\caption{Die Rückseite des BMS-Boards. Rot markiert der Step-Up Konverter}
\label{fig:bms_backside}
}
\end{figure} \\
Durch Position der Induktivität und Nachschlagen der IC-Nummern konnte U7 (s. Abb. \ref{fig:bms_backside})
als Step-Up Konverter des Typs FP6298 identifiziert werden. Durch Entfernen des Step-Up ICs von der Platine
konnte die Stromaufnahme des BMS-Boards ohne angeschlossene Last auf unter \SI{0,2}{\micro\ampere}
reduziert werden. Durch diese Modifikation geht selbstverständlich der \SI{5}{\volt} Ausgang des BMS-Boards
verloren, stattdessen steht maximal die Zellspannung zur Verfügung. Das stellt allerdings kein Problem
dar, da experimentell festgestellt wurde, dass eine Versorgungsspannung im Bereich von \SI{3}{\volt}
bis \SI{3,7}{\volt} für den Betrieb der Empfängerschaltung ausreichend ist. Betrachtet man die
Entladecharakteristik eines typischen 18650 Lithium-Ionen Akkus (s. Abb. \ref{fig:liion_discharge}),
ist ersichtlich, dass in diesem
Spannungsbereich der größte Teil der Akkuladung ausgenutzt werden kann.\\
\begin{figure}[h]\centering{
\includegraphics[width=0.7\linewidth]{img/discharge_curve.PNG}
\caption{Entladekurve eines 18650 Lithium-Ionen Akkus \cite{Panasonic}}
% https://b2b-api.panasonic.eu/file_stream/pids/fileversion/3447 Panasonic
\label{fig:liion_discharge}
}
\end{figure}

Anschließend wurde der Energieverbrauch der vollständigen Empfängerschaltung zusammen mit dem
BMS-Board charakterisiert. Dafür wurden erneut \SI{3,7}{\volt} an den Zellanschlüssen des BMS-Boards
eingespeist und der Stromfluss am Zellanschluss gemessen.\\
Es konnte im Aktivzustand ein mittlerer Stromverbrauch von ca. \SI{150}{\milli\ampere} und im
Standby-Zustand ein Stromverbrauch zwischen \SI{0,3}{\micro\ampere} und \SI{1,5}{\micro\ampere}
gemessen werden. Mit der Abschätzung aus Abschnitt \ref{sec:lifetime_approx} ergibt sich mit diesen
Werten bei $t_{on}=\SI{30}{\second}$, $T_{cycle}=\SI{12}{\hour}$ und $C_A=\SI{2800}{\milli\ampere{}\hour}$
eine geschätzte Lebensdauer von $t_L\approx\SI{1104}{\day}$. Obwohl die reale Akkulebensdauer
sicherlich deutlich geringer ausfallen wird, lässt dieser hohe Wert vermuten, dass Verbraucherseitig
die Voraussetzungen für eine hohe Akkulebensdauer erfüllt sind.

\FloatBarrier

\section{Platine}
%+--
% Julian ~ 1-2 Seiten
Um alle benötigten Komponenten sicher miteinander zu verbinden wurde entschieden eine eigene Platine zu entwerfen. Zwar hätte ein Aufbau auf einer Lochrasterplatine sicherlich auch funktioniert, jedoch wäre dieser bei der Anzahl der Komponenten und deren Größe, wie z.B. dem Microcontroller oder den NAND-Gates, sehr unübersichtlich geworden. Außerdem konnten die verschiedenen Konfigurationsmöglichkeiten so leichter implementiert und beschriftet werden.

\begin{figure}[!h]\centering{
\includegraphics[width=1.0\linewidth]{img/platine_rendering.png}
\caption{3D-Rendering der Platine in Altium}
\label{fig:pcb_rendering}
}
\end{figure}
Wie bereits im vorherigen Kapitel beschrieben kam es zu Glitches beim Abschalten des pMOSFETs. Um sowohl die Möglichkeit des direkten Abschaltens, als auch die des gepufferten Abschaltens zu haben, wurden Lötbrücken platziert. Somit kann ohne besonders viel Aufwand die Konfiguration geändert werden. \\
\begin{figure}[!h]\centering{
\includegraphics[width=1.0\linewidth]{img/pcb_sb1_sb2.png}
\caption{Lötbrücke 1 und 2 für Abschaltung mit oder ohne Puffer}
\label{fig:pcb_sb1_sb2}
}
\end{figure} \\
Eine weitere Lötbrücke wurde platziert um die RTC im aktiven Zustand aus dem Akku zu speisen. Damit wird vermieden, dass die Knopfzelle zu schnell entleert wird.\\
\begin{figure}[!h]\centering{
\includegraphics[height=0.5\textheight]{img/pcb_sb3.png}
\caption{Lötbrücke 3 für Versorgung der RTC per Akku}
\label{fig:pcb_sb3}
}
\end{figure} \\
Außerdem wurde beim Testen mit einem anderen Stromzähler entdeckt, dass der Stromzähler des Herstellers \glqq Landis+Gyr\grqq{} bereits ein invertiertes Signal sendet. Da der Stromzähler, an dem der Empfänger letzten Endes betrieben wird, nicht getestet werden konnte, wurden hierfür Jumper eingebaut. Somit kann die Inverterstufe im Empfangspfad leichter aktiviert oder deaktiviert werden.\\
Leider wurde nach Fertigstellung der Platine bemerkt, dass J2 vor R402 gesetzt werden müsste. \\
\begin{figure}[!h]\centering{
\includegraphics[width=1.0\textwidth]{img/pcb_jumper_corrected.png}
\caption{Jumper zum Aktivieren und Deaktivieren der Inverterstufe mit nötiger Korrektur}
\label{fig:pcb_jumper}
}
\end{figure}

Im Auslieferungszustand wurden die Lötbrücken SB1 (Gepuffertes Abschalten des pMOSFET) und SB3 (Speisen der RTC aus dem Akku im aktiven Zustand) sowie der Jumper 1 (mit Invertierung im Empfangspad) gesetzt.

\section{Software}
%---
% Julian ~ 6-8 Seiten
Das komplette Programm sowohl für den Empfänger, als auch für den Teststand, sind im Anhang \ref{sec:software_reader} zu finden.
\subsection{Programmablauf} \label{sec:Programm}
%+--
Der ESP wurde mit der Arduino IDE programmiert. Diese ermöglicht den Zugang zu beliebiger Hardware, solange der korrekte Treiber installiert ist und es eine Anbindung an die Arduino IDE gibt. Als Schnittstelle gibt es eine setup()-Funktion, welche einmalig zu Beginn des Programms abgearbeitet wird und eine loop()-Funktion, welche nach dem Setup zyklisch als Endlosschleife abläuft.\\
Im Setup werden zunächst einzelne Pins initialisiert, danach wird die serielle Kommunikation gestartet, woraufhin die Verbindung zum WLAN hergestellt wird. Ist dies erfolgreich, versucht der ESP als nächstes sich mit dem MQTT-Broker zu verbinden. Sobald auch das funktioniert hat ist die Initialisierung beendet. Sollte jedoch keine Verbindung zum WLAN oder dem MQTT-Broker hergestellt werden können, wird nach einer bestimmten Zeit das Ausschalten initialisiert.
\subsection{RTC}
%+--
Die Spannungsversorgung des Microcontrollers wird von der RTC gesteuert. Diese arbeitet mit internen Alarmen und schaltet den INT-Pin (low-aktiv), sobald ein aktiver Alarm abgelaufen ist. Danach bleibt sie aktiv, bis über $I^2C$ der Befehl zum Ausschalten gesendet wird. Dies geschieht, indem der Microcontroller nach Ablauf seines Programms im Control-Register der RTC die Flags für die Alarme zurücksetzt. Sobald das passiert ist, setzt die RTC den INT-Pin zurück und unterbricht damit die Stromversorgung für den ESP. Nach Ablaufen des Alarms beginnt dieser Zyklus von neuem.
\subsection{WifiManager} \label{wifi_mgr}
%+--
Kernanforderung des Projekts war die drahtlose Kommunikation zwischen Empfänger und Smart-Home-Controller. Da uns aus ersichtlichen Gründen jedoch zur Projektlaufzeit die Zugangsdaten zum endgültigen WLAN nicht zur Verfügung standen war es nötig, dem Bediener die Möglichkeit zu geben, eine gültige WLAN Konfiguration an den Microcontroller zu übermitteln, ohne ihn dafür jedes Mal neu flashen zu müssen. Diese Funktionalität gibt es bereits in Form einer Bibliothek mit dem Namen WifiManager \cite{WiFiManager}.\\

% https://github.com/tzapu/WiFiManager WiFiManager
Mit Hilfe der Bibliothek startet der Microcontroller im Station-Mode und versucht, sich mit ggf. vorher gespeicherten Zugangsdaten anzumelden. Gelingt dies nicht oder ist noch keine Konfiguration hinterlegt, wechselt der ESP in Access-Point-Mode und startet einen eigenen Webserver. Nun kann sich der Bediener mit jedem beliebigen, WLAN-fähigen Gerät am WLAN des ESP anmelden und wird zu einer Anmeldeseite weitergeleitet, wo nun die WLAN Zugangsdaten eingegeben werden können. Sobald sich der ESP erfolgreich mit dem angegebenen Netzwerk verbunden hat wird der Programmablauf fortgesetzt.\\

\begin{figure}[!h]\centering{
\includegraphics[width=0.5\textwidth]{img/wifimgr_loginpage.png}
\caption{Anmeldeseite des WifiManager aus Sicht des Bedieners}
\label{fig:wifi_manager}
}
\end{figure}
Zwar bietet die Bibliothek auch Felder für MQTT-Broker IP und Port an, dies hat jedoch zum Zeitpunkt des Projekts nicht zuverlässig funktioniert und wurde deshalb aus dem Programm entfernt. Sollte die Bibliothek dahingehend verbessert werden, wäre es sinnvoll, dieses Feature nachzurüsten, um nicht jedes Mal den Microcontroller flashen zu müssen wenn ein anderer MQTT-Broker verwendet wird. Da dem Broker, welcher in diesem Fall ein Raspberry Pi ist, entweder in der internen Konfiguration des Raspberry Pi eine statische oder über den Router immer dieselbe IP zugewiesen werden kann und das Gerät nicht für wechselnde MQTT-Broker gedacht ist, kann auf dieses Feature aber auch verzichtet werden. IP und Port des Brokers sind daher im Programm in Variablen hinterlegt.

\subsection{Einlesen der SML-Daten} \label{sec:sml}
%---
Hauptauftrag der Software ist das erfolgreiche Einlesen und Verarbeiten der eingehenden Daten. Da die serielle Schnittstelle des ESP genutzt wird kann dafür auch die Standardbibliothek von Arduino zum Einlesen serieller Daten genutzt werden. Sobald Daten verfügbar sind werden diese in einen internem Buffer, ein Int-Array der Länge 1000, gespeichert. Danach wird dieser Buffer auf bestimmte Zeichenfolgen untersucht. Da die Daten per SML kodiert sind muss auf eine bestimmte Zeichenfolge aus dem SML-Protokoll getriggert werden, hierbei wurde sich auf die OBIS-Kennzahl 1.8.0 (vgl. \ref{SML spec}) konzentriert.

% TODO Code so formattieren dass kein Overflow passiert, ggf Kommentare in eigene Zeile
% TODO In Endfassung schauen dass Code auf EINER Seite ist

\begin{Verbatim}[tabsize=4]
// Daten von Stromzähler: Gesamtverbrauch herausfiltern
if ( /* OBIS Kennung: 1-0.1.8.0*255 = 01 00 */
/* 01 08 00 FF */
BUFFER[j] == 0x77 && /* 77 - SML_Message.messageBody.SML_GetList */
/* _Reponse.valList.valListEntry (Sequence) */
BUFFER[j+1] == 0x07 && /* 07 - objName (TL[1] + octet-string[6] */
BUFFER[j+2] == 0x01 && /* 01 - objName Teil A */
BUFFER[j+3] == 0x00 && /* 00 - objName Teil B */
BUFFER[j+4] == 0x01 && /* 01 - objName Teil C */
BUFFER[j+5] == 0x08 && /* 08 - objName Teil D */
BUFFER[j+6] == 0x00 && /* 00 - objName Teil E */
BUFFER[j+7] == 0xFF) /* FF - objName Teil F */
/* xx - status */
/* xx - valTime */
/* xx - unit */
/* xx - scaler */
\end{Verbatim}

Nun kann es auch passieren dass der ESP genau dann hochfährt, wenn gerade ein SML Paket verschickt wurde, der relevante Teil aber bereits gesendet wurde und für den ESP verloren ist. In diesem Fall darf der ESP nach dem Einlesen der Daten nicht sofort heruntergefahren werden, sondern es muss auf das nächste Paket gewartet werden, welches den Gesamtverbrauch beinhaltet. \\

Der Gesamtverbrauch hat eine Auflösung von \SI{0,1}{\watt\hour} und ist als Type-Length-Field kodiert. Dieses TL-Feld definiert die Bedeutung des aktuellen und der folgenden Bytes.
Aus dem Datenblatt des Stromzählers lässt sich schließen, dass es sich dabei um eine 64-Bit große vorzeichenbehaftete Festpunktzahl (Integer) handelt, was sich zu \glqq0x59h\grqq{} kodiert.

\begin{figure}[!h]\centering{
\includegraphics[width=1.0\textwidth]{img/typelengthfield.png}
\caption{Type-Length-Field Definition aus \cite{TechnischeRichtlinie}, siehe unter Abbildung}
\label{fig:typelengthfield}
}
\end{figure}
% Diese Quelle wird bereits unter 1.3.1 schon mal verwendet!
% Punkt 7.1: https://www.bsi.bund.de/SharedDocs/Downloads/DE/BSI/Publikationen/TechnischeRichtlinien/TR03109/TR-03109-1_Anlage_Feinspezifikation_Drahtgebundene_LMN-Schnittstelle_Teilb.pdf?__blob=publicationFile&v=1,

\FloatBarrier
Als nächstes müssen die Bytes aus dem Buffer zur eigentlichen Zahl zusammengesetzt werden:

\begin{Verbatim}[tabsize=4]
// mWh aus Buffer rekonstruieren
long long mWh = ((long long)BUFFER[j+1]) << 56 |
((long long)BUFFER[j+2]) << 48 |
((long long)BUFFER[j+3]) << 40 |
((long long)BUFFER[j+4]) << 32 |
((long long)BUFFER[j+5]) << 24 |
((long long)BUFFER[j+6]) << 16 |
((long long)BUFFER[j+7]) << 8 |
((long long)BUFFER[j+8]);
\end{Verbatim}

Abschließend wird diese Zahl in kWh umgerechnet und dieser Messwert an den MQTT-Broker gesendet.

\subsection{MQTT}
%---
MQTT (=Message Queuing Telemetry Transport \cite{MQTT}) % https://mqtt.org/
ist ein Nachrichtenprotokoll zur Vernetzung von IoT-Geräten und funktioniert nach einem Client-Server Modell. Die Clients können Daten versenden, indem sie eine Nachricht in einem Topic an den Broker senden. Auf der anderen Seite können Daten empfangen werden, indem Topics abonniert werden. Das besondere dabei ist, dass Clients Anfragen und Daten ausschließlich über den MQTT-Broker erhalten, welcher den Datenstrom verwaltet. Im Fall dieser Projektarbeit ist der ESP ein MQTT-Client, welcher den Gesamtverbrauch an das Topic \glqq smartmeter\grqq{} sendet. Der Raspberry Pi ist in diesem Fall der MQTT-Broker.
Da MQTT bereits weit verbreitet ist und besonders für IoT-Geräte bereits ausreichend Implementierungen vorhanden sind wurde hier auf eine bereits bestehende Lösung zurückgegriffen. Dafür wurde die Bibliothek \glqq PubSubClient\grqq{} verwendet, welche eine einfache Implementation bereitstellt. Für Details sei an dieser Stelle auf die GitHub-Seite verwiesen. \cite{pubsubclient}
% https://github.com/knolleary/pubsubclient pubsubclient

\subsection{NodeRed und Datenbank}\label{NodeRed_DB}
%---
Die Daten aus dem MQTT-Paket werden in einer MySQL-Datenbank auf dem Raspberry Pi gespeichert. Der genaue Aufbau dieser Datenbank wird weiter unten im Kapitel \ref{anleitung} beschrieben.
Um die Daten vom ESP in der Datenbank abzuspeichern wird ein NodeRed-Flow verwendet. Um die Zuverlässigkeit der Daten zu erhöhen wird vor dem Einfügen in die Tabelle eine Plausibilitätsprüfung durchgeführt, da Tests ergeben haben dass unvollständige Datensätze vom Stromzähler zu unplausiblen Messwerten führen können. Deshalb wird ein neuer Messwert zuerst mit dem letzten Messwert verglichen. Der neue Wert wird nur dann in der Datenbank gespeichert wenn er größer und höchstens doppelt so groß ist wie der letzte Wert (in den Tests wurden in seltenen Fällen fälschlicherweise Nullwerte oder extrem hohe Werte bemerkt). \\
\begin{figure}[!h]\centering{
\includegraphics[width=1.0\textwidth]{img/nodered_flow.png}
\caption{NodeRed-Flow zum Speichern und Anzeigen des Messwertes}
\label{fig:nodered-flow}
}
\end{figure}

Abschließend wird der Wert auf einem Dashboard angezeigt. Dieses wurde bewusst simpel gehalten, da Herr Prof. Klehn hier eigene Ideen umsetzen möchte.

\begin{figure}[!h]\centering{
\includegraphics[width=1.0\textwidth]{img/nodered_dashboard.png}
\caption{NodeRed-Dasboard zum Anzeigen des letzten Messwerts}
\label{fig:nodered_dashboard}
}
\end{figure}

% TODO Eventuell was dazu sagen wie ein Dashboard gebaut wird, ist aber eher Fülltext falls nötig


\FloatBarrier

\section{Gehäuse}
%+--
Für den Empfängeraufbau aus BMS-Board, Platine, Photodiode, Ein- und Resetschalter wurde ein 3D-Druckgehäuse gezeichnet und gedruckt.\\
\begin{figure}[h]\centering{
\includegraphics[width=0.9\linewidth]{img/case_cad.PNG}
\caption{CAD-Schnittbild des Gehäuses. Modellquelle BMS-Board: \cite{Wemos}}
% https://cad.grabcad.com/library/wemos-18650-battery-shield-v3-1 Wemos
\label{fig:cad_case}
}
\end{figure} \\
Das Gehäuse kann mit einem Deckel verschlossen werden, der durch vier Schrauben befestigt wird.
Die Platine und das BMS-Board werden durch metrische Distanzbolzen im Gehäuse und aneinander befestigt.
Sämtliche Gewinde im gedruckten Material werden durch metallische Gewindeeinsätze realisiert.\\ \\ \\
Für die Photodiode befindet sich im Boden des Gehäuses eine Durchführung, in die die Diode eingepresst wird.
An der Außenseite der Durchführung ist ein Ringmagnet montiert, der den Empfängeraufbau an die magnetische Fläche des Stromzählers fixiert.

\begin{figure}[h]\centering{
\includegraphics[width=0.9\linewidth]{img/case_finished.jpeg}
\caption{Gehäuse mit allen Komponenten installiert}
\label{fig:case_finished}
}
\end{figure}
% ToDo (Julian) hier wären 1-2 Bilder vom fertigen Gehäuse cool bzw. falls du die bei Anleitung
% o.Ä. hast (z.B. wegen Resetschalter) einfach ein kurzer Verweis auf die. Ich hab leider nur
% Bilder im halb fertigen Zustand.

\FloatBarrier

\section{Teststrecke}
% Kathi ~ 2 Seiten
%---
Zum Testen der Funktion wurde eine kleine Teststrecke aufgebaut, mit der es möglich
ist die Übertragung ohne den Stromzähler zu simulieren.

\subsection{Aufbau}
%++-
Zunächst wurde die Schaltung der Teststrecke auf einem Steckbrett aufgebaut, um zu überprüfen, ob die Grundidee des Projekts umsetzbar ist. Auch die bestellten Bauteile und Dimensionierungen konnten so überprüft werden. Da während der Arbeit am Projekt zunächst kein Stromzähler zur Verfügung stand wurde der Teststrecke zusätzlich zu dem bereits in Kapitel \ref{sec:ESP} erläuterten ESP ein Arduino UNO hinzugefügt. So konnte überprüft werden, ob auch die Kommunikation zwischen zwei komplett voneinander getrennten Systemen funktioniert. Der ESP dient also weiterhin als Empfänger, während der Arduino den Stromzähler als Sender simuliert. \\

\begin{figure}[!h]\centering{
\includegraphics[height=0.25\textheight]{img/Schaltung_Teststrecke.jpeg}
\caption{Der Schalplan der Teststrecke}
\label{fig:sp_test}
}
\end{figure}

Wie in Abb. \ref{fig:sp_test} zu sehen ist sind die Schaltkreise komplett von einander getrennt. Um die besten Ergebnisse bei der Übertragung zu erzielen, werden die beiden LEDs gegenüber, Spitze an Spitze aufgebaut. Sendet man nun vom TX-Pin des Arduino eine Zahl so kann diese am RX-Pin des ESP empfangen werden. Mit der richtigen Dimensionierung von R1 auf \SI{100} {\ohm} haben auch wechselnde Lichtverhältnisse keinen Einfluss auf die Funktion der Schaltung. Die Werte von R3 und R4 sind relativ frei wählbar, solange sie nicht zu klein sind. Nach ersten erfolgreichen Tests wurden für R3 \SI{2.2}{\kilo\ohm} und für R4 \SI{1}{\kilo\ohm} festgelegt. \\
% Julian@Kathi: Die Aussage im Satz oben drüber ist effektiv "wenn mans richtig macht funktionierts", das sollte man umschreiben oder weglassen
% Kathi@Julian: Besser? Bei R1 müssen es halt ziemlich genau die 100 Ohm sein, ich hatte zum Beispiel 150 und des hat nicht funktioniert, das sollte die Aussage sein
% Julian@Kathi: Es ging primär um R3 und R4. Hab den Text um den letzten Satz ergänzt, damit wirkt die Dimensionierung nicht rein willkürlich


Bei der Programmierung ist außerdem aufgefallen, dass das Hochladen des Programmes nur möglich ist, wenn RX- und TX-Pin des jeweiligen Mikrocontroller von der Schaltung getrennt sind. Nachdem die Funktion der Schaltung überprüft war, wurde der Aufbau auf eine Lochstreifenplatine gelötet. Dabei wurde mit Pin-Headern gearbeitet, damit das Ergebnis wie ein Art Arduino-Shield verwendet werden kann. Der Vorteil dabei liegt darin, dass beide Mikrocontroller zwar fest mit der Platine verbunden sind, aber bei Änderungen am Programm auch genauso leicht zum Hochladen getrennt werden können. Außerdem befinden sich die beiden Dioden an der Unterseite des Shields, also im Gebrauch zwischen Shield und Arduino, was die Schaltung noch zusätzlich von äußeren Lichteinflüssen schützt.\\

\begin{figure}[!h]\centering{
\includegraphics[width=0.5\textheight]{img/shield.jpeg}
\caption{Lochstreifenplatine mit Pin-Headern für Arduino (links) und ESP (rechts)}
\label{fig:shield}
}
\end{figure}

\subsection{Funktionalität}
%---
Ein großer Vorteil an der Umsetzung der Teststrecke mit Arduino und ESP liegt darin, dass beide mit der Arduino IDE programmiert werden konnten (siehe Kapitel \ref{sec:Programm}). Dies bedeutet für den Tester eine deutlich komfortablere Nutzung, da kein Wechsel zwischen verschieden Sprachen nötig ist. \\
% "Auch konnten so die Rollen von Sender und Empfänger zum Test vertauscht werden." \\
% Julian@Kathi Nein können sie nicht. 1. wegen den LEDs 2. hat der Arduino kein Wifi 3. sind die Bibs für den ESP eben für den ESP ausgelegt und es ist nicht sicher ob die am Arduino funktionieren würden
Um den Stromzähler zu simulieren, soll der Arduino einen Gesamtverbrauch in kWh im SML-Format über eine serielle IR-Schnittstelle senden. Den Gesamtverbrauch kann der Bediener dabei selbst bestimmen. Um den Stromzähler korrekt abzubilden wird der kWh-Wert in mWh umgerechnet, bevor er verschickt wird. \\

Die Verwendung der Teststrecke wird unter \ref{anleitung_teststrecke} erklärt, das dazugehörige Programm ist im Anhang \ref{sec:software_reader} zu finden. \\

\FloatBarrier

\chapter{Anleitung} \label{anleitung}
%---
% Julian ~ 4-5 Seiten
Damit diese Projektarbeit von Grund auf nachgestellt werden kann, wird im Folgenden Schritt für Schritt erklärt, wie man das entwickelte System nachbauen und notwendige Anpassungen vornehmen kann.
\section{Raspberry Pi}
Bevor der Stromzähler ausgelesen und der Empfänger in Betrieb genommen werden kann, muss die MQTT-Konfiguration und die Datenbank auf dem Raspberry Pi vorhanden sein. Alle dazu nötigen Schritte werden in den nächsten Unterkapiteln ausführlich erläutert.

\subsection{Betriebssystem}
%---
Für Testzwecke wurde ein Raspberry Pi von Grund auf neu eingerichtet, um den bereits vorhanden Raspberry Pi möglichst genau abzubilden. Dies fängt beim Betriebssystem an, welches auf einer SD-Karte installiert wird. Diese Karte sollte genügend Speicherplatz für das Betriebssystem, die Programme und die Datenbank haben. Oft wird eine Speicherkarte mit 16GB verwendet, was für die meisten Anwendungsfälle ausreicht. \\

Als Betriebssystem wurde \emph{Raspberry Pi OS} \cite{Raspberry} % https://www.raspberrypi.org/software/ Raspberry
verwendet, welches auf die SD Karte geflasht werden muss. Dafür Prozess wurde das Programm \emph{Etcher} \cite{Flash.Flawless.} % https://www.balena.io/etcher/ balena
verwendet, Raspberry Pi bietet jedoch auch einen eigenen Imager an. \\
Sobald das Betriebssystem auf die SD-Karte kopiert ist kann diese in den Raspberry Pi gesteckt werden. Nach dem ersten Start erfolgt die Installation. \\
Nach der ersten Anmeldung wird empfohlen, die installierten Packages zu updaten.
Dafür öffnet man auf dem Raspberry Pi ein Terminal geöffnet und folgende Befehle eingegeben werden:
\begin{verbatim}
sudo apt-get update
sudo apt-get upgrade
\end{verbatim}
Danach empfiehlt es sich, den Raspberry Pi neu zu starten.
\begin{verbatim}
sudo reboot
\end{verbatim}

\subsection{Fernzugriff}
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Da ein Raspberry Pi oft remote verwendet wird müssen zuerst sowohl eine Möglichkeit für Fernzugriff und eine statische IP eingerichtet werden. Für den Fernzugriff im gleichen Netz bieten sich SSH oder Remotedesktop an. SSH (=Secure Shell) bietet die Möglichkeit, sich mit einem geeigneten Programm wie z.B. putty \cite{DownloadPuTTY} % https://www.putty.org/ DownloadPuTTY
per Konsole zu verbinden. Wer eine grafische Oberfläche möchte sollte Remotedesktop (meist mit RDP abgekürzt) oder ähnliche Lösungen wie z.B. VNC verwenden, wobei mit VNC sogar eine Verbindung möglich ist, wenn man sich nicht im gleichen Netz befindet (die Einrichtung dafür ist aber entsprechend umfangr