Kamstrup AMS-måler WiFi adapter

[ArnieO]

Dette prosjektet er en videreføring av prosjektet beskrevet i tråden Lesing av AMS/HAN uten spenningsforsyning ("The complicated way"), som fra min side er terminert.

 

Utfordringen som skulle løses var:

• Tre fabrikater AMS-målere brukes i Norge: Kamstrup, Aidon og Kaifa.
• For at forbruker skal kunne avlese sin måler har NVE etablert en standard hvor data leveres på en såkalt HAN-port https://www.nek.no/info-ams-han-brukere/
• Grensesnittet er MBUS (EN 13757-2) med en RJ45 plugg
• Spesifikasjonene til HAN-porten på de tre målertypene finnes her: https://www.nek.no/info-ams-han-utviklere/
• På alle tre er det i prinsippet mulig å hente energi fra HAN-porten til å drive en "dongle", som for eksempel kan sende data til brukerens hjemmenettverk ved hjelp av en trådløs teknologi (WiFi, Zigbee, Z-wave etc.)
• HAN-porten på Kamstrup måleren er den mest "energigjerrige", det kan hentes maksimalt 144 mW ved 24V
  Dette er i utgangspunktet for lite for å benytte billige og lett tilgjengelige ESP8266-baserte moduler for Wifi - som jeg ønsket å benytte.
• Det finnes etablert og stabil løsning (kretsdesign og software) for dongle med ekstern strømforsyning. Ulempen med dette er at man må ha strømadapter i sikringsskapet.
  • Kretsdesign og kortutlegg designet av @roarfred (som dessverre har gått bort i mellomtiden): 
  • Så vidt meg bekjent er @gskjold sin Github som har den best oppdaterte versjon av software for ESP-8266 modulen, videreutviklet fra @roarfred sin kode:
    https://github.com/gskjold/AmsToMqttBridge
• Det avsluttede prosjektet (link øverst) forsøkte å utvikle en dongle som fungerer på den strømgjerrige Kamstrup-måleren basert på boost-converter med høy virkningsgrad, superkondensator og utnyttelse av ESP-modulens strømsparemodi. Dette viste seg å være krevende.

 

Så dukket det opp informasjon fra @Marius-H som tipset om at man kunne hente energi rett fra pluggen som sitter innenfor Kamstrups HAN-modul. Han viste til epost fra Kamstrup som sier at det der kan hentes inntil 75 mA ved 4,15 ± 0,25V, altså hele 311 mW (Rout < 0.6). Og dermed åpnet en helt ny mulighet seg!

 

Det er lett å ta ut og åpne HAN-modulen i Kamstrup-måleren.

Det ligger et kretskort løst inni plastboksen, som åpnes uten verktøy ved å klemme på sidene av den slik at festeklipsene utløses (en riktig veldesignet sak!):

 

Til venstre ser vi RJ45 kontakten.

Til høyre en 2x3-pin (pitch 2,54 mm) header pin plugg som kobler kortet til måleren.

Pinout for 2x3 pluggen er:

V_in er spenningsforsyningen, 4,15 ± 0,25V

AMS_TX er datasignalet fra måleren, som hendig nok er et 3,3V signal. Det har samme polaritet som HAN-port signalet - og ligger altså høyt i periodene mellom datatelegrammer.

 

Mitt nye prosjekt (temaet for denne tråden):

Lage et erstatningskort som passer i Kamstrups HAN-modul, som direkte leverer målerdataene på Wifi / MQTT.

 

Hovedelementene i designet er:

• ESP-12 (E eller F) Wifi modul
• En low dropout (LDO) spenningsregulator. Vi skal bare ned fra ca 4,15V til 3,3V, så tapet er til å leve med. Som kjent vil en spenningsregulator forbruke effekt tilsvarende spenningsfallet multiplisert med strømmen, i dette tilfellet blir det worst case (4,15 - 3,3) * 0,075 = 64 mW
  Jeg vurderte at dette kunne være til å leve med. Med 311 mW fra måleren er der fremdeles mer enn 245 mW tilgjengelig (75 mA ved 3,3V) til å drive kortet.
  Jeg hadde TPS73633 i komponentskuffen, og den egner seg godt.
• En superkondensator i fall spenningen dropper for lavt mens ESP'en sender. Valget mitt falt litt tilfeldig på en 1 F kondis fra Aliexpress.
  https://www.aliexpress.com/item/33016075482.html?spm=a2g0s.9042311.0.0.27424c4dsW9R6L
• En spenningsovervåker for å sikre rett driftsspenning for ESP'en:
  • Ved oppstart skru på ESPen når spenningen passerer ca 3,2V
  • Når superkondensatoren lades ned skrur av ESPen når spenningen faller under ca 2,6V
  • For å få til dette må det settes opp en hysterese på spenningsovervåkeren, retningslinjene herfra ble brukt: http://www.ti.com/lit/an/slva360/slva360.pdf
  • Jeg gir full kreditt til @spenceme for idéen til dette, samt de valgte komponentverdiene.
  • Komponent: TPS3808G01
• En RGB lysdiode som skal signalisere "Jeg er i live":
  • Blinker blått når det kommer data fra Kamstrupen
  • Blinker grønt når ESPen sender dataene over Wifi.
  • Jeg har plassert den slik på kortet at den kan vippes ut av plastboksens åpning for RJ45 konnektor.

 

Kretsløsningen er testet på breadboard. Datasignalet er hentet fra AMS-måleren med forlengelsesledning fra sikringsskap til hobbyrom (ca 15 -20 meter). Grunnet den lange avstanden hadde jeg ikke tro på å trekke 4,15V signalet den lange veien. Breadboard er derfor testet med power fra lab-spenningsforsyning: 4,15V med strømbegrensning satt til 70 mA.

 

Etter litt innledende verifisering av at alt så ut for å fungere lastet jeg opp til ESP'en @gskjold sin siste versjon kode.

Og sannelig - det fungerte! Uten modifikasjon av koden for å spare strøm stabiliserte spenningen seg fint, og den tikket og gikk.

Her er dataene som dukket opp på MQTT:

 

Jeg har nå gjort ferdig og bestilt PCB, hvor jeg har:

• Mulighet for lodde inn jumper for å benytte ESP Deepsleep (men det ser ikke ut for å trengs)
• Breakout av alle ESP pinner - for eventuell videreutvikling
• Jumper for AMS_Tx signalet (for å unngå eventuell datakrasj dersom FTDI programmerer mens det kommer inn data)
• En RGB lysdiode som skal signalisere "Jeg er i live":
  • Blinker blått når det kommer data fra Kamstrupen
  • Blinker grønt når ESPen sender dataene over Wifi.
  • Jeg har plassert den slik på kortet at den kan vippes ut av plastboksens åpning for RJ45 konnektor.
• Pinner for å koble på ekstern spenning (forenkler programmeringen)
• Kortet er ellers lagt ut med jordplan på baksiden og spenningsplan på komponentsiden (3,3V over det meste, et lite 4,15V plan i området ved 2x3 konnektoren.

 

Vedlagt: Komponentliste.

 

Jeg har bestilt 10 PCBer, så dersom det fungerer kan jeg selge noen (tomme kort).

De som eventuelt er interessert kan jo vurdere å bestille opp komponenter mens vi venter.

Alle komponentene jeg har brukt finnes på Aliexpress.

Chipkomponentene er ikke veldig små (1206 størrelse), så de fleste med en OK loddebolt vil klare å lodde opp dette.

KamAMS2Wifi_BOM.xlsx

[ArnieO]

Og her er el. skjema for kortet.

KamAMS2Wifi_sch.pdf

Endret 12. januar 2020 av ArnieO

[Aleksander]

Kjøper gjerne ett tomt kort når du får de

[ArnieO]

1 hour ago, Aleksander said:

Kjøper gjerne ett tomt kort når du får de

OK, notert! Jeg har bestilt opp noen flere av nøkkelkomponentene (supercap og spenningsovervåker) slik at jeg kan eventuelt sende med de dersom det trengs. Jeg melder ifra her når jeg har fått sjekket kortet (men prosjektet vil stanse opp et par uker grunnet jobbreise neste uke ++).

[Aleksander]

Det hørtes veldig greit ut, resten ser det ut som jeg har liggende på lur allerede

[ArnieO]

Det tar litt tid å få sendt PCB'er fra Kina når man velger billigste fraktløsning - men endelig!

 

Så da ble det loddekveld:

 

Siste forsendelse superkondensatorer var dessverre større enn de første jeg kjøpte - som kortutlegget var beregnet på. Men med litt benbøying fungerer det.

 

Dessverre er det for sent på kveld til å begynne testing nå - det er arbeidsdag i morgen.

[Aleksander]

De har vel styrt med noe nyttårsfeiring der borte også, så det hjelper jo heller ikke

spent på testresultatet

[ArnieO]

Kortet fungerer!

 

Eneste lille «bummer» er at de større superkondensatorene  fra Aliexpress som er 2 mm tykkere enn de første jeg fikk levert er for tykke, slik at kortet ikke går inn i boksen. Så dersom noen ønsker å kjøpe mønsterkort og hadde tenkt å få med kondensatoren bør dere vente til jeg har fått fatt i nye - som jeg da må forsikre meg om har rett størrelse. 

 

Slik situasjonen er i Kina, med virusproblemer og utvidet nyttårsfeiring, kan det ta tid å få fatt i nye fra Aliexpress. Alternativt får jeg bite i det sure og dyrere gresset og bestille fra Mouser eller lignende...

 

Er det noen på forumet som har et godt forslag til hvor slike kan kjøpes? 

[tronde]

Husk på at det blir endring av momsingen fra 1. april. Kan fort bli dyrt hvis det kommer inn hit etter den datoen. Vi er nok i grenseland for det nå siden kineserne har stengt ned mye på grunn av viruset. De forlenget nyttårsfeien ut denne uka, men nå ser jeg at mange selgere oppgir at de er borte neste uke også.

[tronde]

Du får ikke noe problemer med at måleren kutter ut når superkondensatoren lader seg opp første gangen? Den er tilnærmet kortslutning når tom, og selv om spenningsregulatoren er begrenset til 450 mA korslutningsstrøm så er det langt over det måleren forventer. Det tar nokså lang tid å lade opp 1F. Det tilsvarer jo 3,3 As ved 3,3 V. Eller er det slik at måleren godtar å stå som strømkilde en stund?

[ArnieO]

21 minutes ago, tronde said:

Du får ikke noe problemer med at måleren kutter ut når superkondensatoren lader seg opp første gangen? Den er tilnærmet kortslutning når tom, og selv om spenningsregulatoren er begrenset til 450 mA korslutningsstrøm så er det langt over det måleren forventer. Det tar nokså lang tid å lade opp 1F. Det tilsvarer jo 3,3 As ved 3,3 V. Eller er det slik at måleren godtar å stå som strømkilde en stund?

Enig i at dette er et potensielt problem.

 Derfor var dette var en av tingene jeg testet på breadboarden, først ved å forsyne kortet via labpower strømbegrenset til 75 mA for å se hva som skjer. I starten dras innspenningen ned fra 4,15 til i overkant av 2V, og så stiger den over et titalls sekunder til 4,15. Så dro jeg forlengelseskabel fra måleren til hobbyrommet og målte strøm og spenning inn ved oppstart - og observerte i grunnen det samme. 

Så min konklusjon er at dette er noe AMS-måleren ser ut for å takle greit denne korte tiden. Ja: Vi er i oppstarten over det Kamstrup sier er maks strømtrekk - men utgangen ser ut for å ha den nødvendige strømbegrensning til at dette ikke er et problem.

[Marius-H]

Ams måleren bare senker spenningen. Den beskytter seg selv. Hvis du skulle laget et kommersielt produkt burde du kanskje hatt det i kretsen din selv. Men tror det går bra altså. 

[Aleksander]

Har mottatt kort fra ArnieO og fått loddet sammen og kjørt i gang, fungerer som smurt.
Vil si dette er beste løsningen om man skal ha data ut fra en Kamstrup og over på MQTT.

[ArnieO]

Kortet er verifisert, og koden fungerende og relativt stabil, takket være kjempeinnsats av @gskjold: https://github.com/gskjold/AmsToMqttBridge

Jeg kommer til å lage et nytt kort med mer optimalisert utlegg, men selger nå unna de kortene v1.0 som jeg har liggende.

 

Jeg tilbyr å sende interesserte kjøpere følgende for 200 kr, inkludert porto (ta kontakt på DM):

• 1x PCB v1.0

• 1x PinSocket_2x03_P2.54mm_Horizontal

• 1x C_Super_Radial_1F_5,5V (rett størrelse for kortet).
  Dette er den desidert dyreste komponenten, bl.a. takket være dårlig valg av forsendelsesopsjon fra Digi-Key...
  Dersom man ønsker å bruke en annen superkondensator så bør den ha ESR < 1,5 ohm (denne har ESR = 500 mohm).
  Maks byggehøyde på kortet: ca 8-9 mm. Man kan antakelig slippe unna med en noe mindre kapasitetsverdi enn 1F (ikke testet).

• 1x TPS73633DBV (Spenningsregulator)

• 1x TPS3808G01DBVR (Spenningsovervåker)

• Dokumentasjon: Skjema og kortutlegg, enkel montasjeanvisning

Det gjenstår noen mindre oppgraderinger av koden, som å utnytte RGB LED'en til å signalisere status, feilkoder etc.

 

NB: Dette er ikke et komplett byggesett. Forutsetter at kjøper har ESP-12, chip-R, chip-C og headerpinner.

 

ESP'en setter opp en flott webside som nås på en intern IP-adresse på lokalnettet, utviklet av @gskjold:

 

Endret 4. mars 2020 av ArnieO
Presisere at det jeg nå selger ikke er komplett byggesett.

[Trollmann]

Kjempebra at noen har laget en wifi adapter men hva med oss som har Aidon måler, det er vel enkelt å modifisere denne prototypen til å virke med aidon? Når får vi kjøpt den?

[gskjold]

On 21/02/2020 at 04:57, Trollmann said:

Kjempebra at noen har laget en wifi adapter men hva med oss som har Aidon måler, det er vel enkelt å modifisere denne prototypen til å virke med aidon? Når får vi kjøpt den?

 

Sjekk ut denne tråden: 

 

 

Kortet som @spenceme har laget litt nedi tråden der kjører på Aidon måler.

 

 

[ArnieO]

Kortutlegg versjon 1.1

Jeg har nå gjort diverse småforbedringer, PCB versjon 1.1 er nå bestilt og produsert og på vei fra fabrikken med "a slow boat from China".

Slik ser det ut:

 

Forbedringene som er gjort:

• Flyttet den ene bryteren slik at den kan nås mens kortet sitter i måleren. Dersom kortet skulle låse seg helt kan det da tvinges i AP-modus slik at nye parametre kan legges inn - uten å måtte ta kortet ut. (Softwaren ser per i dag ut for å være dønn stabil, men det er alltid greit å ha en nødknapp tilgjengelig.) Bryteren er samtidig byttet til en vinklet type for å kunne nå den med en finger gjennom eksisterende hull i HAN-modul kapselen.
• Pinnene for ekstern power flyttet samt byttet til vinklede pinner (de rette pinnene var litt for lange).
• Lagt til pullup motstand på ESP RESET' linjen - just in case (god praksis).
• Større avkoblingskondensator på ESPen (nå 10 uF keramisk chip). Har ikke sett problemer, men dette gjør designet mer robust.
• Lagt inn målepunkter for kalibreringsmåling av ESP Vcc. Software gir mulighet for å legge inn kalibrering.
• Forbedret merking inkludert litt feilretting.
• Justert posisjon på noen komponenter.

Som sist er kortet lagt ut med jordplan på hele baksiden, og delt spenningsplan på forsiden: 3,3V til venstre, inputspenning til høyre.

 

Det kommer mer informasjon når jeg har mottatt og kontrollert det nye kortet.

 

Jeg vurderer å etter hvert selge:

• Byggesett med kun nøkkelkomponenter (se lengre oppe)
  Dette forutsetter at kjøper har loddeutstyr og -kompetanse, ESP12 samt R og C chipkomponenter.
  Dessuten utstyr og kompetanse for å programmere kortet via FTDI.
  Som for versjon 1.0 vil jeg ta 200 kroner for å dekke kostnadene - inkludert porto.
• Ferdig monterte og programmerte kort
  Inkludert bruksanvisning som er så tydelig at "tanta mi" kan ta det i bruk.
  (Jeg har ikke besluttet pris ennå, men dette blir jo mer omfattende.)

[xibriz]

Tenk at jeg ikke har fått med meg dette før nå  Bra jobba @ArnieO!

[Kardemomme]

På 4.3.2020 den 10.12, ArnieO skrev:

Jeg vurderer å etter hvert selge:

• Ferdig monterte og programmerte kort
  Inkludert bruksanvisning som er så tydelig at "tanta mi" kan ta det i bruk.
  (Jeg har ikke besluttet pris ennå, men dette blir jo mer omfattende.)

 

Wow!

Detter er jo superproft.

 

Håper virkelig du får tid til å lage et par kort som du kan selge. For jeg helt klart interessert.

Hadde jeg hatt et hobby rom eller verksted, eller verktøy (loddebolt og slikt) så kunne det ha vært gøy å prøvd å lage det selv.

Men for nå så nøyer jeg meg med å følge med i denne tråden og se hvordan prosjektet ditt utvikler seg.

 

Lykke til.

[Ydeing]

Hej! Intressant projekt!

 

En fråga:

Är det någon av er här i tråden som har en HAN-modul (Kamstrup 6840004) som ni inte använder? 

 

I så fall köper jag den gärna! Jag har en Kamstrup 382, men min el-leverantör vet inte vad en HAN-modul är (Sverige är lite efter Norge...) och det går inte att få tag i en direkt från Kamstrup.

 

Maila mig på ydring(at)gmail.com.

 

Hälsningar,

Joel

 

 

[fkmeland]

Hei,

Ville bare si at jeg har vært så heldig å fått ett av disse byggesettene, og det har fungert utmerket for min del.
Så en stor tommel opp fra meg på de som har deltatt i dette prosjektet, her ligger det nok mange timer bak  👍

[Aleksander]

Kjøpte ett av de første kortene, og det har faktisk fungert så bra og stabilt at jeg har glemt at jeg har det... Det bare fungerer

[ArnieO]

On 02/09/2020 at 07:29, Aleksander said:

Kjøpte ett av de første kortene, og det har faktisk fungert så bra og stabilt at jeg har glemt at jeg har det... Det bare fungerer

 

On 01/09/2020 at 22:51, fkmeland said:

Hei,

Ville bare si at jeg har vært så heldig å fått ett av disse byggesettene, og det har fungert utmerket for min del.
Så en stor tommel opp fra meg på de som har deltatt i dette prosjektet, her ligger det nok mange timer bak  👍

Takk - det er riktig hyggelig å høre!

Sommeren har vært annerledes og travel med andre prosjekter, så jeg har ikke klart å følge opp dette videre.

 

Jeg har fremdeles en god bunke PCBer liggende. Dersom noen ønsker å bygge så er det mulig å kjøpe!

Nå er det superkondensatoren som er den vanskeligste komponenten. Jeg fikk levert en batch i vår som hadde feil dimensjon; de er litt for store. Og jeg er i ferd med å gå tom for den med rett dimensjon; jeg har antakelig bare 1 stk igjen - dersom de som har meldt interesse de siste månedene bekrefter (jeg har sendt dere DM).

 

Jeg har et uklart minne om at en av dere betalte for et byggesett i sommer, som jeg ikke har sendt. Og etter krasjen her i vår er jeg redd det er informasjon som ble borte.

Ta i så fall kontakt så vi får ordnet opp i det!

 

[Kardemomme]

Jeg driver å kikker på kretsen og prøver å forstå og lære meg litt om elektronikken i samme slengen.

Så i den forbindelsen så har jeg et spørsmål om spennings regulator kretsen som blir brukt i dette prosjektet.

 

Det blir satt en verdi på 2.6V, som "deaktiverer" ESP'en. Hvorfor er denne verdien valg?

I henhold til databladet til ESP-12F som jeg har lest, skal den ha mellom 3.0 og 3.6V. Så hvorfor ikke ha en cut-off på fallende verdi rundt 3.0 - 2.9V?

 

Er dette basert på erfaringer eller testing. Eller er det bare sånn ca verdi som høres fornuftig ut på grunn av generell kompetanse du/dere har? Eller faller verdien på under 3V så ofte, at det ikke er praktisk mulig?

 

 

Videre så har jeg prøvd å regne meg frem til verdiene for egen trenings skyld.

 

Databladet som det blir linket til har denne kretsen:

Jeg tolker det hit hen at motstand "Rp" tilsvarer motstand "R1" på rev 1.0 av kortet.

 

Jeg får et bitte lite avvik på mine beregninger på cut-off'en. Det står 2.62V i flytskjema-et, mens min kalkulerte verdi er 3.20V og 2.59V.

(Dette betyr jo ingenting, men jeg spør mest for å finne ut av om jeg klarte å sette opp regnearket mitt riktig)

 

"Rp" i databladet er satt til 100K. Mens "R1" på kortet er 10K.

Om jeg endrer "R1" til 100k, så stemmer beregningen mine bedre med det som står i flytskjema-et.

 

Om jeg har regnet riktig, har det blitt brukt feil verdi på "R1"? Eller er dette et bevist valg for å få færre forskjellige motstandere?

 

Mange spørsmål dette her. Uansett så er det gøy å følge med utviklingen på kortet.

 

 

Endret 18. november 2020 av Kardemomme
Skriveleif

[ArnieO]

On 18/11/2020 at 18:28, Kardemomme said:

Jeg driver å kikker på kretsen og prøver å forstå og lære meg litt om elektronikken i samme slengen.

Så i den forbindelsen så har jeg et spørsmål om spennings regulator kretsen som blir brukt i dette prosjektet.

Heisann,

 

Det ser ut for at spørsmålet ikke gjelder spenningsregulatoren U1, men spenningsovervåkeren U3 (TPS3808).

Grunnen til at det er hensiktsmessig å bruke en slik her er at ESP8266 ikke har noen innebygget brownout-deteksjon (som ESP32 har), dermed vil den kunne gå ned på uryddig måte (den gjør ikke som den er programmert til) dersom spenningen synker under verdien hvor den ikke lengre fungerer, ned til den shutter helt ned.
 

I den konkrete bruken av U3 her er det laget en hysterese, dvs ved stigende spenning enabler den ESPen først når spenningen når ca 3,2V, og ved synkende spenning disabler den ved ca 2,6V. Verdiene på skjemaet er de teoretisk beregnede. Anvendelsen og komponentberegningen er hentet fra dette dokumentet: https://www.ti.com/lit/an/slva360/slva360.pdf

On 18/11/2020 at 18:28, Kardemomme said:

Jeg tolker det hit hen at motstand "Rp" tilsvarer motstand "R1" på rev 1.0 av kortet.

Det stemmer, dette er en pullupmotstand som trengs på utgangen fordi TPS3808 har åpen-kollektor utgang.

 

Databladet for ESP8266 er her: https://www.espressif.com/sites/default/files/documentation/0a-esp8266ex_datasheet_en.pdf

På side 19 finner du:

 

2,6 V er valgt for å ha litt margin til 2,5 V som er angitt her.

 

Her er et utklipp fra regnearket mitt, kanskje du da ser hvor beregningene dine ikke treffer helt: