Digitalen Stromzähler auslesen mit SML und ESPHome

Die digitalen Stromzähler (offizielle Bezeichnung: Moderne Messeinrichtung) sind inzwischen weit verbreitet. Viele können in zwei Richtungen zählen, was bei der Benutzung eines Balkonkraftwerks von großer Bedeutung sein kann. Ich habe vor einiger Zeit beschrieben, wie ich mit dem Impulsausgang auf der Vorderseite des Stromzählers den aktuellen Verbrauch ablese. Diese Methode klappt sehr gut, ist sehr einfach und braucht keine weitere Freischaltung des Netzbetreibers. Man kann einfach loslegen. Leider bringt der Impulszähler zwei Nachteile mit sich.

• Über den Impulsausgang sieht man ausschließlich den aktuellen Stromverbrauch, nichts Weiteres. Man erfährt nicht den aktuellen Zählerstand oder die Flussrichtung. Außerdem gibt es keine Kontrolle, ob alle Impulse richtig gezählt werden. Summiert man die Leistung auf, erhält man zwar einen Jahresverbrauch, kann sich aber nicht sicher sein, ob er stimmt.
• An sonnigen Tagen kommt es vor, dass man mit seinem Balkonkraftwerk mehr Strom erzeugt, als man im Haushalt verbraucht. In diesem Fall wird Strom ins Netz eingespeist. Der Impulszähler kann aber nicht unterscheiden, ob der Strom vom Netz kommt, oder ob er ins Netz geht. Folglich steigt scheinbar der Stromverbrauch im Haus, obwohl in Wirklichkeit ein Stromüberschuss erzeugt wird.

In diesem Artikel möchte ich eine alternative Auslesevariante vorstellen, die robuster und zuverlässiger arbeitet. Aussetzer in der Datenerfassung lassen sich durch späteres Zählerablesen wieder kompensieren, die Bilanz passt immer. Es können nicht nur der aktuelle Verbrauch, sondern auch die Zählerstände „in beide Richtungen“ erfasst werden. Das geschieht über das Auslesen von mehreren OBIS-Kennzahlen über die SML-Schnittstelle.

Die SML Schnittstelle des digitalen Stromzählers

Die digitalen Stromzähler haben eine zweite, wertvolle Schnittstelle: Die SML-Schnittstelle (Smart Meter Language). Über sie kommuniziert der Stromzähler mit einem genormten Protokoll (IEC 62056-6-1) mit uns Anwendern. In ihr werden die Zählerstände, der Momentanverbrauch und gelegentlich noch weitere Informationen bereitgestellt. Die Informationen sind als OBIS-Kennzahlen verfügbar und können leicht zugeordnet werden. Für mich sind die beiden OBIS-Kennzahlen 1.8.0 (Zählerstand, bezogen aus dem Netz) sowie 2.8.0 (Zählerstand, eingespeiste Energie ins Netz) relevant. Der OBIS-Kennwert 16.7.0 gibt mir die momentan bezogene Leistung aus.

Stromzähler vorbereiten: SML Schnittstelle freischalten

Standardmäßig ist diese optische Schnittstelle deaktiviert und mit einer PIN geschützt. Diese PIN erhält man meist kostenlos von seinem Netzbetreiber. Der Netzbetreiber (nicht verwechseln mit dem Stromanbieter!) ist auf dem Stromzähler und der Stromrechnung genannt. In meinem Fall sind es die Stadtwerke. Eine freundliche E-Mail mit der Bitte um Bekanntgabe der PIN unter Nennung meiner Zählernummer hat bereits gereicht.

Diese PIN muss nun mit einer Taschenlampe in die optische Schnittstelle eingeblinkt werden. Schaut euch das kurze Video von Extra 3 dazu an, darin wird der ganze Frust damit gut zusammengefasst.

Bei erfolgreicher Eingabe der PIN muss die Funktion „Inf off“ auf „Inf on“ gestellt werden. Das gelingt, indem man sich durch das Menü des Stromzählers „blinkt“ und beim entsprechenden Eintrag mind. 4 Sekunden mit der Taschenlampe leuchtet. Diese Funktion schaltet die erweiterte Funktion des Stromzählers frei. Man erkennt das später daran, dass nicht nur der Zählerstand im Display angezeigt wird, sondern auch der Momentanverbrauch.

Ist die PIN eingegeben und die erweiterte Informationsvergabe freigeschaltet, kann es endlich losgehen!

DIY Komponenten und Controller ESP8266 vorbereiten

Ich verwende für die optische Schnittstelle einen ESP8266 und das Bauteil TCRT5000. Beides erhält man für weniger als 5 Euro bei Ebay oder anderen Händlern. Der TCRT5000 ist ein optischer LED-Sensor für Infrarot, die sowohl eine LED als auch eine IR-Diode verwendet.

Die LED stört uns in diesem Fall, man muss sie vorher entfernen. Entweder zwickt man sie einfach ab, oder man lötet den Vorwiderstand von ihr weg. Ich habe mich für zweiteres entschieden. Der TCRT hat mehrere Vorteile gegenüber anderen Varianten. Manche Leute löten direkt eine IR-Diode an den ESP. Kann man natürlich machen, ich möchte nur auf die Vorteile meiner Variante hinweisen:

• die elektrischen Bauteile sind aufgeräumt auf einer Leiterplatte, keine Bauteile fliegen einzeln herum. Außerdem gibt er genügend „Angriffsfläche“, um ihn – zumindest übergangsweise – per Klebeband zu fixieren.
• die Schaltung enthält zwei kleine Status-LEDs: eine zeigt die Spannungsversorgung an, die zweite zeigt das Signal an der IR-Diode an. Vor allem die zweite Status-LED ist sehr, sehr hilfreich, wenn man die Bauteile installiert. Man erhält sofort eine Rückmeldung, ob die Diode ein Signal sieht oder nicht. Das ist besonders beim Ausrichten der Diode hilfreich, oder beim dritten Vorteil:
• über das eingebaute Potentiometer kann man die Empfindlichkeit der Diode einstellen. Das ist manchmal notwendig, wenn das Signal der Stromzähler-LED zu stark oder zu schwach ist. Dann dreht man am Poti so lange, bis man über die Status-LED ein sinnvolles Signal sieht. Weiter unten im Artikel zeige ich nochmal genauer, was ich damit meine.

Jetzt verkabelt man die Baugruppe mit dem ESP8266. Ich habe die Variante Wemos D1 mini. Dieses hat bereits die UART-Schnittstelle vorbereitet, die wir verwenden wollen. Dadurch ergibt sich folgendes Verkabelungsschema. Ob ihr das nun verlötet oder mit Jumper-Kabeln verdrahtet, bleibt euch überlassen.

ESPHome konfigurieren und aufspielen

Die Installation von ESPHome im Windows Service for Linux habe ich bereits in einem anderen Artikel beschrieben. Wir erzeugen uns eine Textdatei mit dem Dateinamen stromzaehler-sml.yaml und füllen sie mit folgendem Inhalt.

touch stromzaehler-sml.yaml 
nano stromzaehler-sml.yaml

esphome:
  name: stromzaehlersml

esp8266:
  board: d1_mini

# Enable logging
logger:
  level: VERY_VERBOSE # kann spaeter auf DEBUG verringert werden
  logs:
    sml: DEBUG
    text_sensor: DEBUG
# Enable Home Assistant API
api:
  password: "<password>"

ota:
  password: "<password>"

wifi:
  ssid: !secret wifi_ssid
  password: !secret wifi_password
  manual_ip:
    static_ip: <statische IP eintragen>
    gateway: <gateway>
    subnet: <subnet>
  # Enable fallback hotspot (captive portal) in case wifi connection fails
  ap:
    ssid: "Stromzaehler Sml"
    password: "<password>"

captive_portal:

uart:
  id: uart_bus
  tx_pin: GPIO1
  rx_pin: GPIO3 # dieser GPIO ist wichtig, hier ist das Signalkabel angeschlossen
  baud_rate: 9600
  data_bits: 8
  parity: NONE
  stop_bits: 1

sml:
  id: mysml
  uart_id: uart_bus

sensor:
  - platform: sml
    name: "Total energy SML 180"
    sml_id: mysml
    server_id: "0123456789abcdef"
    obis_code: "1-0:1.8.0"
    unit_of_measurement: kWh
    accuracy_decimals: 3
    device_class: energy
    state_class: total_increasing
    filters:
      - multiply: 0.0001
  - platform: sml
    name: "Total energy SML 280"
    sml_id: mysml
    server_id: "0123456789abcdef"
    obis_code: "1-0:2.8.0"
    unit_of_measurement: kWh
    accuracy_decimals: 3
    device_class: energy
    state_class: total_increasing
    filters:
      - multiply: 0.0001
  - platform: sml
    name: "Stromverbrauch SML 1670"
    sml_id: mysml
    server_id: "0123456789abcdef"
    obis_code: "1-0:16.7.0"
    unit_of_measurement: W
    accuracy_decimals: 0
    device_class: energy
    filters:
      - multiply: 1.0
text_sensor:
  - platform: sml
    name: "Total energy text"
    sml_id: mysml
    server_id: "0123456789abcdef"
    obis_code: "1-0:1.8.0"

Es müssen folgende Zeilen angepasst werden:

• Wifi Zugangsdaten
• Feste IP-Adresse (kann auch erst im zweiten Schritt erfolgen)
• die server_id passen wir an, sobald wir sie kennen. Sie ist ggf. auf den Stromzähler aufgedruckt. Weiter unten im Artikel finden wir sie aber auch über die SML-Schnittstelle heraus.

Zur Erklärung: Die Kommunikation zwischen unserer IR-Diode und dem ESP erfolgt über ein Protokoll namens UART. Diese Schnittstelle wird in den Zeilen nach uart: konfiguriert. Der GPIO-Pin 3 ist dabei derjenige, der auf dem Wemos D1 Mini mit RX gekennzeichnet ist. Falls ihr einen anderen verwendet, müsst ihr diese Zeile anpassen. Die SML Schnittstelle wird ab Zeile sml: konfiguriert. Die meisten Einstellungen könnt ihr so lassen, wie es oben beschrieben ist. Die wichtigen Zeilen sind die mit server_id. Dort wird die Server-Adresse eingestellt. Vermutlich kennt ihr sie nicht von Anfang an, lasst also erstmal die Voreinstellung. Wir ändern sie später, sobald wir sie erfahren haben.

Speichert die Datei nun und kompiliert sie über den Befehl

esphome run stromzaehler-sml.yaml

Nach ein paar Augenblicken ist der Vorgang abgeschlossen und irgendwo wird eine Datei namens firmware.bin abgelegt. Der Pfad ist in der Textausgabe angegeben, bei mir war es

.esphome/build/stromzaehlersml/.pioenvs/stromzaehlersml/firmware.bin

Nun flashen wir die Datei auf den ESP8266. Dazu benutzen wir den Google Chrome (oder einen anderen kompatiblen Browser) und gehen auf die Webseite https://web.esphome.io Schließt den ESP mit einem USB-Kabel an den PC an. Auf der Webseite sollte ein Popup erscheinen.

Sollte dieser Schritt nicht funktionieren, liegt das sehr wahrscheinlich am USB-Kabel. Tauscht das Kabel gegen ein anderes, nicht alle Kabel sind dafür geeignet! Folgt den Anweisungen auf der Webseite, um die Datei firmware.bin auf den ESP zu flashen.

Kontrolliert nach dem Flashen, ob ihr den ESP in eurem WLAN findet. Falls ja, großartig! Wir binden ihn gleich in Home Assistant ein. Gehe in Home Assistant auf Einstellungen → Geräte und Dienste → Integration hinzufügen → ESPHome

Baut jetzt den ESP in der Nähe eures Stromzählers auf. Versorgt ihn mit Spannung (z.B. über ein Handy-Netzteil) und richtet die IR-Diode richtig aus. Jetzt hilft euch die Status-LED vom TCRT5000. Sollte sie regelmäßig blinken, habt ihr schon viel geschafft. Ich habe mit einem kleinen Schraubendreher das Poti noch so verstellt, bis ein wirklich sauberes Signal angekommen ist.

Auslesen der Daten und Einbindung in Home Assistant

Ruft die Logs des Controllers auf. Über Home Assistant gibt es die entsprechende Schnittstelle, über WSL geht das mit dem Befehl

esphome logs stromzaehler-sml.yaml

Wenn alles bis hierher geklappt hat, müsste die Ausgabe sich stetig erweitern. Darin müssten auch Einträge nach dem folgenden Format auftauchen:

Hier findet ihr auch die Server-ID, die wir anfangs noch nicht kannten. Sie steht in runden Klammern und ist im Screenshot rot eingerahmt. Kopiert sie euch und fügt sie in der YAML-Datei in Zeilen, wo die server_id eingetragen werden muss (insgesamt vier mal).

Zur Kontrolle der Validität der Daten, könnt ihr den HEX-Wert mal umrechnen und checken, ob der Stromzählerwert korrekt übertragen wird. Im Beispiel oben:

0x056f8b25 entspricht 91196197. Multipliziert mit 0,0001 ergibt 9119,6 kWh

Ändert nun die YAML-Datei auf die für euch wichtigen Werte (Server-ID und ggf. andere OBIS-Codes) und flasht sie kabellos („Over the air“) auf den ESP

esphome run stromzaehler-sml.yaml

Seht im Home Assistant, ob die Werte dort ankommen. In aller Regel kommen die Werte dort an und können weiter verarbeitet werden. Ich habe mir noch einen Helfer gebaut, der den aktuellen Verbrauch in Kilowatt umrechnet. Das lässt sich mit anderen Energiequellen schöner in Diagrammen darstellen.

Fertig, ihr habt es geschafft! Kommentiert gerne, ob ihr diese Werte für andere Zwecke weiterverwendet. Realisiert ihr damit eine Nulleinspeisung oder beobachtet den Strompreis in Echtzeit?

Weiterführende Quellen: https://esphome.io/components/sml.html