Den Stromzähler auslesen

Vor einigen Wochen hat unser Netzbetreiber einen 'intelligenten' Stromzähler, auch SMART Meter genannt, von Landis Gyr bei uns installiert. Laut Herstellerangaben verfügt er über ein optisches Interface, das Nachrichten in der Smart Message Language (SML) ausgeben kann. Dieses Kommunikationsprotokoll wurde für Firmwareupgrades oder dem Austausch von Messdaten entwickelt. Zum Auslesen der Daten genügt eigentlich ein IR Phototransitor, ich habe mich jedoch für den Kauf eines fertigen Lesekopfs mit UART Schnittstelle entschieden. Die Signale Rx und Tx werden mit TTL Pegel von 3 bis 5 Volt übertragen, so dass der Lesekopf direkt an einen Rasperry Pi Zero 2W angeschlossen werden kann.

Auch softwareseitig gibt es bereits fertige Lösungen. Volkszaehler.org stellt einen Datenlogger namens 'vzlogger', sowie als middleware eine PHP Datenbank zum Speichern der ausgelesenen Daten zur Verfügung. Darüber hinaus gibt es ein web frontend zur graphischen Darstellung der ausgelesenen Werte. Wie die Volkszähler Software auf einem Raspberry Pi mit fertigem Image installiert wird, ist hier beschrieben.

Um sich in einem ersten Schritt die Daten anzuschauen, die vom Lesekopf geliefert werden, kann man z.B. das Terminal Programm minicom installieren. Das geht mit  'sudo apt-get install minicom'. Anschließend kann der port mit 'minicom -s' konfiguriert werden. Laut Landis Gyr Benutzhandbuch werden folgenden Einstellungen benötigt.

Der Befehl 'minicom -H -C hex.log' gibt die empfangenen Daten in hexadezimaler Darstellung aus und speichert sie in 'hex.log'.

Laut Wikipedia kennzeichnen die empfangenen '1B 1B 1B 1B' eine Escape Sequenz, und die '01 01 01 01' markieren den Beginn einer SML Nachricht.

Alternativ können zur Darstellung der vom Messkopf empfangenen Daten auch die Programme picocom oder xxd verwenden werden. Mit xxd gelingt die Darstellung besonders einfach.

Um die SML Daten interpretieren zu können, müssen wir die 'Volkszähler' Software bemühen. Zunächst müssen wir den Datenlogger vzlogger konfigurieren. Dazu kann der vzlogger.conf-Editor benutzt werden. Der screenshot unten zeigt eine so erzeugte Konfigurationsdatei namens 'vzlogger.conf'. Achtung, der log Pfad muss  z.B. mit dem nano Editor händisch auf '/var/log/vzlogger/vzlogger.log' geändert werden, sonst startet vzlogger nicht richtig.

Nach 'sudo reboot' oder 'sudo systemctl restart vzlogger', kann mit 'systemctl status vzlogger' überprüft werden, ob der Datenlogger sauber läuft.

Wenn Alles passt, finden sich in 'vzlogger.log' 'readings' mit OBIS code '1.8.0' für den Bezug von Strom in Wh, und mit '2.8.0.' für die Einspeisung in Wh. Im Auslieferungszustand des  SMART Meters erfolgt die Änderung der Werte allerdings nur in kW Sprüngen.

Laut Landis Gyr Benutzhandbuch lässt sich neben der bezogenen oder eingespeisten Energie auch die aktuell verbrauchte Leistung auslesen. Dies ist allerdings nur nach Eingabe einer PIN möglich, die vom Netzbetreiber erfragt werden kann. Zur dauerhaften Ausgabe muss der PIN des Zählers deaktiviert werden. 

Mit Hilfe einer modifizierten Taschenlampe, deren Beleuchtungsstärke mindesten 400 Lux betragen muss, kann man durch das Menü des Zählers navigieren. 

Für die Eingaben muss die optische Schnittstelle entweder mit kurzen Pulsen weniger als 2 Sekunden , oder mit langen Pulsen mehr als 2 Sekunden beleuchtet werden.

Wird der 'erweiterter Datensatz' im Menuepunkt 'InF' aktiviert, erfolgt die Ausgabe der Energie zudem mit einer Genauigkeit von Wattstunden (Wh).

Um die Daten graphisch darstellen zu können, müssen im web frontend Kanäle angelegt werden. Dazu muss man im Webbrowser 'http://<IP des pi>/' eingeben, und dann den gewünschten Kanal 'hinzufügen'.

Über das (i) der Kanäle lässt sich der 'Universally Unique Identifier' UUID herausfinden, der beim Anlegen der Kanäle erzeugt wurde. Anschließend müssen dieses Kanäle zusammen mit der UUID in der 'vzlogger.conf' hinterlegt werden. Ich habe folgende Einträge gemacht.

Nach  'sudo systemctl restart vzlogger' sollte die graphische Darstellung dann klappen. Das Bild unten zeigt den typischer Verbrauch und die typische Einspeisung an einem sonnigen Frühlingstag.

Obwohl in den ersten beiden Kanälen ein Energiemeter gewählt wurde, werden praktischerweise nicht die Zählerstände sondern eine errechnete Leistung angezeigt.

Im letzten Schritt habe ich mir ein Gehäuse aus dem Thingiverse ausgedruckt, und zum besseren Halt am metallischen Verteilerkasten einen Magneten aufgeklebt.

Im Eingebauten Zustand sieht das Ganze dann wie folgt aus.

Jetzt lässt sich im Browser eines beliebigen Smartphones der aktuelle Stromverbrauch überwachen. 

Viel Spaß beim selber Basteln...

Einen Gardena Versenkregner reparieren

Nachdem mein Gardena Versenkregner Aqua Contour nun schon 4 Jahre im Einsatz ist, läuft er nach der diesjährigen Winterpause nur noch mit sehr kleiner Beregnungsweite. Das deutet auf einen defekten Akku hin. Der Versenkregner lässt sich wie hier beschrieben mit etwas Aufwand auch ohne Ausgraben öffnen. Dazu müssen die rot markierten Schrauben entfernt werden.

Zum Lösen der tiefsitzenden Schrauben 

habe ich mir einen langen Schraubenzieher aus Bithalterverlängerungen sowie ein Stückchen Blech zum sicheren Entfernen der der Schrauben gebastelt.

Das so entnommene Innenleben lässt sich weiter zerlegen.

Zunächst habe ich das Solarpanel abgeklemmt. Auch bei Beleuchtung mit einem Baustrahler liefert das Panel nur noch 0,4 V Spannung. Der Deckel zum Akku lässt sich mit sanfter Gewalt unter Zuhilfenahme einer Gripzange aufdrehen. Eine Messung der Klemmspannung des Akkus von 1,1V bestätigt, dass sich der Akku über den Winter tiefentladen hat. Ein neuer original Akku wird für ca. 50 EUR angeboten. 

Neue Solarzellen und ein u.U. notwendiger Step Up Wandler dürften ebenfalls mit mindestens 10 EUR zu Buche schlagen. Da der Defekt vermutlich immer wieder auftritt, habe ich mir überlegt den Regner mit vier externen 1,5V Alkalie Batterien bei ca. 6 V zu betreiben. Ich habe daher den Lithium Ionen Akku entfernt, und ein zweiadriges Gummikabel in das Batteriegehäuse gelegt. Die Öffnung habe ich von außen mit Hybrid Dichtmasse verschlossen.

Die vier Babyzellen mit 8Ah Kapazität habe ich in einer wasserdichten Verteilerdose untergebracht, die ich zusätzlich auch noch mit Dichtmasse versiegelt habe.

Die Dose habe ich nahe dem Rasensprenger kurz unter der Grasnarbe vergraben, so dass sich der Deckel zum Batteriewechsel einfach öffnen lässt.

Nachdem ich den Rasensprenger neu eingestellt habe, und Alles mit etwas Erde verfüllt ist, verrichtet der Rasensprenger wieder seinen Dienst.

Viel Spaß beim selber Reparieren...

Ein Staketenzaunelement binden

Meine Frau hat sich ein Staketenzaunelement gewünscht um daran Blumentöpfe aufhängen zu können.

Mit Ästen aus dem Garten lässt sich so ein Zaunelement einfach selbst herstellen. Ich habe einige Äste auf eine Länge von ca. 70 cm gekürzt, und mir 1 mm starken Stahldraht besorgt.

Als Vorrichtung zum Binden dient ein Brett in das vier Nägel geschlagen sind, und das am Arbeitstisch befestigt ist. Dadurch können die Äste beim Verdrillen des Drahtes an den Nägeln anliegen, und der Draht wird zwischen den Nägeln geführt. Der Draht soll doppellagig jeweils über und unter den Ästen geführt werden. 

Dazu wird der Draht vor dem eigentlichen Binden jeweils doppelt zu vier kleinen Spulen gewickelt. Diese werden mit je zwei kleinen Stückchen Klettband zusammengehalten wie im Bild unten zu erkennen ist. 

Um das Verdrillen des Drahtes zu erleichtern empfiehlt sich die Verwendung einer leicht eingestellten Crimpzange. Den festen Abstand der Äste von 6cm habe ich mir auf einem Zollstock markiert.

Viel Spaß beim selber Basteln...

Eine Esse für die Werkstatt

Zum Geburtstag habe ich eine kleine Gasesse geschenkt bekommen. Die Esse ist mit 2 Brennern ausgestattet. Drosseln regeln den Luftstrom für die Brenner, die auf dem Venturi-Prinzip basieren. Mit einer Propangasflasche, und blau eingestellter Flamme, lassen sich damit in kurzer Zeit im Innern der Kammer bis zu 1370°C erzielen.

Um die Esse auch im Außenbereich nutzen zu können, habe ich ein kleines Gestell aus Vierkantrohren und Winkeleisen zusammengeschraubt und zusätzlich punktverschweißt.

Für einen 30 kg Amboss habe ich aus 12 Holzpfosten einen 70 cm hohen Bock gebaut. Die einzelnen 80 mm x 80 mm starken Pfosten habe ich mit Gewindestangen und Flacheisen eingefasst, und zusätzlich mit Silikon verklebt. Eine Lage Teerpappe dient zur Dämpfung des Amboss und gewährleistet beim Schmieden eine dumpfen Ton.  

Ich habe auch einen kleinen Bock angefertigt um längere Werkstücke sicher ins Feuer legen zu können.

So ausgerüstet habe ich mich an die ersten Schmiedeprojekte gewagt.

Aus 54 mm Hufeisennägeln habe ich zunächst begonnen kleine Haken zu schmieden.

Black Bear Forge erklärt in seinem Video wie das geht. Die Haken können hier auf Etsy erworben werden.

Inspiriert durch Harald von Einfach Schmieden! habe ich auch versucht einen Knoten in Baustahl zu schmieden.

Ich habe mir hierfür wie empfohlen eine Biegegabel für das rechteckige Gesenkeloch im Amboss geschweißt.

Letztlich ist daraus ist diese schöne Lampe entstanden.

Auch sie kann hier bei Etsy erstanden werden. Als Sockel dient ein großer Stein, den ich mit einem Diamantbohrer  ca. 3 cm tief angebohrt, und dann das 10 mm starke Eisen darin verklebt habe. 

Für einen ebenen Stand sorgen 3 kleine Scheiben, die ich aus TPU gedruckt, und mit Sekundenkleber an der Unterseite befestigt habe. 

Zum Abschluss sei noch auf ein paar Videos verwiesen die grundlegende Schmiedetechniken erläutern, oder Anregungen für eigene Projekte geben.

Schitzen und Weiten
Beidseitig absetzen
Abschroten
Eine kurze Spitze schmieden
Eine Zange schmieden
Stahl um eine Lehre biegen
Feuerschweißen eines Schürhakens
Schmieden eines Zaunpfostens
Warm- und Kaltschroten
Nägel schmieden
Ein Flaschenöffner mit Holzgriff
Eine Gürtelschnalle schmieden

Viel Spaß beim selber Schmieden und Basteln...

Die Determinante als gerichtetes Volumen

Die folgenden Bilder und Formeln sind im Wesentlichen den entsprechenden Wikipedia Artikeln entnommen.

Aus dem Physikunterricht ist die rechte Hand Regel bekannt, um die Richtung der Kraft auf einen stromdurchflossenen Leiters in einem Magnetfeld zu bestimmen.

 Für diese Kraft, die auch Lorentzkraft \(\vec{F}_L \) genannt wird, gilt:

$$\vec{F}_L = q (\vec{v} \times \vec{B})$$

Dabei beschreibt \(\vec{v}\) die Geschwindigkeit einer bewegten Ladung und \(\vec{B}\) den Betrag und die Richtung des Magnetfelds. Die Richtung der Kraft ist also davon abhängig ob der Strom eine Leiterschleife mit oder gegen den Uhrzeigersinn durchläuft. In diesem Sinne lässt sich das Vektorprodukt aus zwei Vektoren \(\vec{a}\) und \(\vec{b}\) als gerichtete Fläche interpretieren. Der Betrag von \(\vec{a} \times \vec{b}\) gibt den Flächeninhalt des aufgespannten Parallelogramms an.

Mit dem  Levi-Civita-Symbol schreibt sich das Kreuzprodukt als

$$\vec{a} \times \vec{b} = \sum_{i,j,k=1}^{3} \epsilon_{ijk} a_i b_j \vec{e}_k$$

und mit Hilfe der Regel von Sarrus lässt es sich als Determinante ausdrücken.

$$\vec{a} \times \vec{b} = \det \begin{pmatrix}\vec{e}_1 & a_1 & b_1 \\ \vec{e}_2 & a_2 & b_2 \\ \vec{e}_3 & a_3 & b_3 \end{pmatrix}$$

Gehen wir aus 2 Dimensionen auf 3 Dimensionen über, so wird das von 3 Vektoren aufgespannte Volumen durch das sogenannte Spatprodukt definiert.

$$(\vec{a} \times \vec{b}) \cdot \vec{c} = (\vec{b} \times \vec{c}) \cdot \vec{a} = (\vec{c} \times \vec{a})$$

Das Spatprodukt \((\vec{a},\vec{b},\vec{c})\) ist wie das Vektorprodukt nicht kommutativ. Auch das Spatprodukt kann man mit Hilfe der Determinante ausdrücken. 

 $$(\vec{a},\vec{b},\vec{c}) = \det\begin{pmatrix} a_1 & b_1 & c_1 \\ a_2 & b_2 & c_ 2 \\ a_3 & b_3 & c_3\end{pmatrix} = - \det\begin{pmatrix} b_1 & a_1 & c_1 \\ b_2 & a_2 & c_ 2 \\ b_3 & a_3 & c_3 \end{pmatrix}$$

Bei der Vertauschung zweier Faktoren tritt ein Vorzeichenwechsel auf. Der Wert ändert sich jedoch nicht, wenn man die Faktoren zyklisch vertauscht.

In n-dimensionalen Räumen liefert die Leibniz-Reihe eine Formel zur Berechnung der Determinante, und damit zur Berechnung des Volumens eines höherdimensionalen 'Parallelepipeds', so wie dessen Orientierung. Die Reihe wurde bereits im Jahr 1682 von Gottfried Wilhelm Leibniz entwickelt, und in der Zeitschrift Acta Eruditorum veröffentlicht. Für eine \(n \times n\) Matrix \(A\) gilt:

$$\det A = \sum_{\sigma \in S_n} \left(\operatorname{sgn}(\sigma) \prod_{i=1}^n a_{i, \sigma(i)}\right)$$

Die Summe wird über alle Permutationen \(\sigma\) der symmetrischen Gruppe \(S_n\) vom Grad n berechnet. \(\operatorname{sgn}(\sigma) \) bezeichnet das Signum der Permuation und liefert +1 falls \(\sigma\) eine gerade Permutation ist, und -1 falls sie ungerade ist. 

Den bei Permutation notwendigen Vorzeichenwechsel kann man sich auch anhand von sogenannten Zopfdiagramme aus der Knotentherorie veranschaulichen. Die folgenden Bilder sind einem  YouTube Video von broke math student entnommen.

Das Vorzeichen einer Permutation ist gleich der Anzahl der Vertauschungen, modulo 2, die benötigt werden, um die Indices wieder in die Reihenfolge 1, 2, 3, usw. zu bringen. Die Zahl der Permutationen kann durch Abzählen der Knoten im Zopfdiagramm bestimmt werden. Dabei gilt, dass sich Verbindungslinien nicht auf gleicher Höhe schneiden dürfen, Verbindungslinien sich nicht einfach nur berühren, und sich nicht mehr als 2 Verbindungslinien an einem Punkt kreuzen dürfen. 

Allgemein liefert der Laplacescher Entwicklungssatz eine häufige genutzte alternative Methode die Determinante einer \(n \times  n\) Matrix zu berechen. Es gilt:

$$\det A = \sum_{i=1}^n (-1)^{i+j} \cdot a_{ij} \cdot \det A_{ij}$$

wobei \( A_{ij}\) die \((n-1) \times (n-1)\) Untermatrix von \(A\) ist, die durch Streichen der\(i\) -ten Zeile und \(j\)-ten Spalte entsteht.

Viel Spaß beim Selber Rechnen...