PiTS - der smarte π-Temperatur-Sentinel

Herzlich willkommen beim PiTS - einer smarten App zur Messung, Überwachung und Darstellung von Temperaturen und weiterer Wetter-/Umweltdaten basierend auf dem Raspberry Pi und REBOL.
 
Diese Seite zeigt eine weitere Entwicklung von TGD-Consulting im Bereich der embedded Hard- & Software-Lösungen rund um den Raspberry Pi und richtet sich an alle Anwender und Entwickler, welche einen Raspberry Pi zur Messung und Überwachung von Temperaturen und weiterer Wetter-/Umweltdaten nutzen möchten.

Nur hier können Sie eine offizielle Lizenz^[1] für das Bundle der "PiTS-It!" Management Software^[2] zum Preis von €19,99 EUR erwerben. Das Softwarebundle beinhaltet bereits alle erforderlichen Module der Management Software, die für einen smarten Temperatur-Sentinel/-Wächter auf Basis des Raspberry Pi erforderlich sind.

Die Software läuft auf allen Raspberry Pi Modellen. Insbesondere bei den neueren Raspberry Pi 2 sowie 3 Modellen profitiert unsere Software von der zusätzlichen Rechenleistung der neuen Mehrkern-Architekur.

Die "PiTS-It!" Management Software zeichnet sich besonders durch ein sehr einfaches Setup, einen geringen Speicherbedarf (< 1MB), die effiziente, modulare, smarte Anwendung durch einen im User-Space laufenden embedded Webserver, einer optionalen Darstellung der Messergebnisse auf abgesetztem LCD und dem optionalen Export von Messdaten als Open Data sowie die Apple HomeKit-Kompatibilität via "homebride-http-PiTS" Plugin aus. Sie unterstützt viele verschiedene Sensoren: 1-Wire Temperatursensoren, wie DS18B20 I²C-Temperatursensoren, wie BME/BMP280 die Sensoren (Temperatur/Licht/AD-Wandler) des Enviro pHAT analoge Sensoren über SPI AD-Wandler (MCP3008/MCP3208) VOC Sensoren Messung flüchtiger organischer Verbindungen zur Bewertung der Luftqualität (Figaro TGS2600 VOC Sensor mit 1k Vorwiderstand am ADS1015 AD-Wandler), wie Figaro TGS2600 über I²C-ADS1015 AD-Wandler CO2 Sensoren Messung der CO2-Konzentration in der Luft (Anschluß des MH-Z19B an der UART-Schnittstelle des Raspberry Pi), wie MH-Z19B mit serieller Schnittstelle Alternativer Anschluß des MH-Z19B per USB auf RS232 TTL UART PL-2303HX-Adapterkabel zur Messung der CO2-Konzentration in der Luft CO2 Sensoren Messung von Temperatur und CO2-Konzentration in der Raumluft mit Sensirion SCD40 I²C-Sensor., wie Sensirion SCD40 leichter Anschluss des SCD4x-Kits am RasPi per DuPont-Verbinder mit I²C Schnittstelle serielle Feinstaubsensoren Feinstaubmessung der Particulate Matter zur Bewertung der Luftqualität (Anschluß des PLANTOWER PMS7003 am Raspberry Pi), wie PLANTOWER PMS7003 Geiger-Müller-Zählrohre Messung von Radioaktivität / β- und γ-Strahlung (Anschluß des Geiger-Müller-Zählrohr Moduls inkl. Signalaufbereitung per monostabiler Kippstufe am RPi), wie Geiger-Counter-RadiationD-v1.1 Modul Kit, PiGI oder MightyOhm interne SOC-Temperatur des Raspberry Pi externe remote PiTS-CO2-Ampel Sensoren remote PiTS-Außensensor auf Basis remote PiTS-Innensensor mit Display des ESP8266

Eine Übersicht sowie Informationen zur aktuellen Version der Software entnehmen Sie bitte den Release-Notes.

Die Hardware, welche auf den folgenden Fotos abgebildet ist, dient ausschließlich zur Veranschaulichung und als Beispiel wie PiTS aussieht und wie der Aufbau erfolgt. Die erforderliche Hardware müssen Sie bei den jeweiligen Herstellern bzw. über deren Vertriebskanäle beziehen. TGD-Consulting bietet nur IT-Dienstleistungen und Softwarelösungen an.

Sie möchten ihren eigenen PiTS basierend auf der "PiTS-It!" Management Software bauen? Dann erwerben Sie eine Lizenz und lesen einfach weiter ...

• Was ist PiTS?
• Wie schaut's aus?
• Woraus besteht's?
• Wie funktioniert's?
• Wo erhält man's?

Weitere Antworten auf Fragen finden Sie in der FAQ oder im Deutschen Raspberry Pi Forum.

Die Bezeichnung PiTS steht für π-Temperatur-Sentinel und stellt die Erweiterung eines gewöhnlichen Raspberry Pi zu einer smarten Lösung für die Messung, Überwachung und Darstellung von Temperaturen sowie weiterer Wetter-/Umweltdaten dar. PiTS ist vielseitig einsetzbar. Er kann sowohl zur Temperaturüberwachung in Serverräumen
Beispiel einer Temperaturüberwachung auf Basis von PiTS, als Regelung für Heizungsanlagen, zum Umweltmonitoring von Feinstaub-/VOC-/radioaktiven Emissionen oder auch zur Langzeitarchivierung und -Aufzeichnung von Wetterdaten (wie Temperatur, Luftdruck und -feuchtigkeit) im Rahmen der Wetterbeobachtung als Wetterstation genutzt werden. Im Folgenden wird dieses Anwendungsbeispiel näher beschrieben. Alle wichtigen Funktionen von PiTS lassen sich auch aus der Ferne unter Verwendung eines Browsers von jedem beliebigen PC, Tablet oder Smartphone aus steuern und überwachen.

Lernen Sie nun die Vorteile und Möglichkeiten vom π-Temperatur-Sentinel in allen Einzelheiten kennen und überzeugen sich gleich hier und jetzt im Internet von der "PiTS-It!" Management Software und deren einfach smarten Bedienung sowie den umfangreichen Konfigurationsmöglichkeiten. Hier sieht man

Der Systempreis eines PiTS inkl. aller benötigten Komponenten liegt, je nach Typ und Anzahl der Komponenten/Sensoren zwischen 50,- und 100,- EUR. Darin sind bereits die Lizenzkosten für die "PiTS-It!" Management Software enthalten. Die auf dieser Seite gezeigte Version eines PiTS besteht aus folgenden Komponenten:

Das äußere Erscheinungsbild unseres PiTS-Prototyps ist geprägt durch die externe WLAN-Antenne und die schwarze Platine des Enviro pHAT. Aufgrund der Ausmaße aller zusammengebauten Komponenten ist der Einbau in das Gehäuse etwas umständlich. Trotzdem können die einzelnen Komponenten des PiTS von jedem ambitionierten Anwender mit etwas Geschick selbstständig zusammengebaut werden. Alle Komponenten lassen sich direkt über das Internet beziehen. Die Bezugsquellen sind zum Teil in den obigen Listen verlinkt. Wir verwenden für unseren Prototypen des PiTS einen Raspberry Pi Zero, der um das HLK-PM01 Mini-Schaltnetzteil sowie die Sensoren erweitert wird. Dadurch lässt sich auf sehr kostengünstige Weise eine moderne, erweiterbare digitale Wetterstation zur Erfasung der gewünschten Wetterdaten im Eigenbau zusammenstellen.

Da spritzwassergeschützte und für den Außenbereich geeignete Gehäuse für den Raspberry Pi bekanntermaßen recht teuer sind, empfiehlt sich die Zweckentfremdung eines geeigneten LED-Flutergehäuses. Bei Bedarf kann anstelle des Mini-Schaltnetzteil-Moduls auch ein konventionelles Netzteil zur Stromversorgung des Raspberry Pi verwendet werden. Allerdings ist dann darauf zu achten, dass die Kleinspannungsseitige Verbindung zwischen der Stromversorgung und dem Raspberry Pi nicht zu lang ist, um den Spannungsabfall im Kabel so gering wie möglich zu halten. Sofern die Kabelqualität stimmt, sollte es bei Längen bis zu einem Meter aber keine Probleme geben.

Achtung: Falls es im laufenden Betrieb zu unerwartenden Systemhängern kommt, deutet dies auf eine zu schwache Stromversorgung des Raspberry Pi hin. Tauschen Sie dann das Netzteil gegen ein stärkeres und zuverlässigeres aus.

Anstelle des günstigeren BMP280-Sensors

BMP280 Sensor-Modul kann auch ein BME280-Sensor

BME280 Sensor-Modul genutzt werden. Das BME280 Sensor-Modul ist zwar in der Anschaffung teurer, bietet aber den Vorteil, dass es neben Temperatur und barometrischen Luftdruck auch noch die relative Luftfeuchtigkeit erfasst. Beide Sensoren werden über die I²C-Schnittstelle an den Raspberry Pi angeschlossen. Daher sollten die Kabel/Litzen zum Anschluss dieser Sensor-Module nicht zu lang sein. Beide Module sind vom Anschluss her kompatibel zueinander und sind direkt mit der 3,3 Volt Spannung (Pin#1), einem Masseanschluss (GND z.B. Pin#6) und den GPIO-Pins der I²C-Schnittstelle (Pin#3 & Pin#5) der Stiftleiste P1 des Raspberry Pi verbunden. Beim Anschluss von mehr als einem BMP/BME280 Sensor-Modul an den Raspberry Pi, ist darauf zu achten, dass die Sensor-Module nicht die gleiche I²C-Adresse verwenden.

Liegen die Messpunkte für die Temperaturen weit vom Raspberry Pi entfernt, sind 1-Wire-Temperatursensoren vom Typ DS18B20 besser geeignet. Beim 1-Wire Bussystem werden Kabellängen von mehreren Metern unterstützt. Deshalb verwenden wir zur Überwachung von Temperaturen im Serveraum
Beispiel einer Temperaturüberwachung mit 1-Wire Sensoren
(hier sind die DS18B20 über die weissen Kabel angeschlossen) bei einem weiteren PiTS-Prototypen mehrere DS18B20 Sensoren, welche im parasitären Betrieb sternförmig an den Bus angeschlossen sind. Der genaue Anschluss der 1-Wire-Temperatursensoren ergibt sich aus dem hier abgebildeten Schaltplan. Alle 1-Wire Sensoren, die ordnungsgemäß mit dem Raspberry Pi verbunden sind, werden beim Initialstart der "PiTS-It!" Management-Software automatisch erkannt und für die Temperaturmessung eingebunden.

Beim Einbau der Komponenten ins Gehäuse sollten Kurzschlüsse vermieden werden. Achten Sie daher beim Einbau des HLK-PM01-Moduls darauf, dass keine ungewollten Verbindungen zum geerdeten Gehäuse oder zu spannungsführenden Leitungen entstehen. Insbesondere beim Einbau des Raspberry Pi und im Umgang mit dem Sensoren/Enviro pHAT ist darauf zu achten, dass entsprechende Schutzmaßnahmen gegen statische Aufladungen ergriffen werden.
Der Ethernet-Port (nur beim Model B vorhanden) sowie der USB-Anschluss des Raspberry Pi (alle Modelle) sind intern frei zugänglich, sodaß der π-Temperatur-Sentinel (PiTS) entweder per Cat-Kabel oder USB-WLAN-Adapter ans eigene LAN angeschlossen werden kann. So sieht unser PiTS-Prototyp zur Zeit von innen aus:

Die Messung der jeweiligen Messgrößen geschieht automatisch durch die angeschlossenen Sensoren. Die Messwerte aller Sensoren werden periodisch über eine beliebig einstellbare Messrate durch ein REBOL3 Skript, das TempSensor Modul der "PiTS-It!" Management-Software erfasst, ausgewertet und bei Abweichung vom vorherigen Messwert wird der aktuelle Wert automatisch geloggt.

Unser PiTS Prototyp erfasst neben den drei Messgrößen (Temperatur, Feuchtigkeit, Luftdruck) des BME280 Sensors auch noch die Temperatur und den Luftdruck des auf dem Enviro pHAT integrierten BMP280 Sensors sowie die Helligkeit und Lichtfarbe des dort ebenfalls verbauten TCS3472 Sensors
Der TCS3472 Sensor des Enviro pHATs.
Der Enviro pHat ist unmittelbar hinter der Scheibe des LED-Fluters platziert, damit die Helligkeit und Farbe des einfallenden Sonnenlichtes

Lichthelligkeit und -farbe bei sonniger und bewölkter Morgendämmerung im Vergleich gut gemessen werden kann. Die schwarze Platine des Enviro pHAT nimmt die Wärmestrahlung des Sonnenlichtes besonders gut auf und erwärmt sich. Daher sind die vom BMP280 gemessenen Temperaturen nicht repräsentativ für die aktuelle Lufttemperatur in der Umgebung (außerhalb des Gehäuses). Die SOC-Temperatur des Raspberry Pi Zero ist immer ein paar Grad Celsius "kühler", da der oberhalb montierte Enviro pHAT die Sonnenstrahlung abschirmt und sie nicht direkt bis zum SOC vordringen kann. Der Raspberry Pi Zero verrichtet trotz der großen Temperaturschwankungen zwischen Tag und Nacht zuverlässig seinen Dienst im 24/7 Betrieb.

Das zentrale Kernstück des PiTS stellt die "PiTS-It!" Management Software dar, welche neben dem TempSensor-Modul auch ein Webserver-Modul sowie das Archivierungs- & Plot-Modul beinhaltet. Mit Hilfe von letzterem archiviert PiTS-It! alle Messdaten und bereitet die Daten für die grafische Darstellung als Plot auf. Die Grafiken werden dabei jede Nacht, um kurz vor Mitternacht, automatisch aktualisiert und als Resourcen für eine Seite des Webservers bereitgestellt. Die übersichtlichen Tages- , Wochen-, Monats- sowie Jahresgrafiken (siehe oben) werden beim Anklicken vergrößert. Das TempSensor-Modul ist Donationware und unter dieser Rahmenbedingung als Open Source verfügbar. Die übrigen Bestandteile der Management Software sind Closed-Source und erfordern den Erwerb einer Lizenz.

Die Software enthält zusätzlich ein LCD-Modul, welches die Darstellung der Messergebnisse
Beispiel der Darstellung von Temperaturen auf dem LCD durch die direkte Ansteuerung eines Liquid-Chrystal-Displays (HD44780 LCD) ermöglicht. Wie das optionale LCD-Modul genau genutzt wird, entnehmen Sie bitte der FAQ.

Auf Wunsch lassen sich die erfassten Messdaten ausgewählter Sensoren im Rahmen von Citizen Science als Open Data an Plattformen für offene Sensordaten wie openSenseMap oder Luftdaten.info übermitteln. So können alle Mitglieder der Digitalen Gesellschaft insbesondere Digital Natives & Maker davon partizipieren.

Die Software benötigt eine REBOL3-Laufzeitumgebung/Interpreter. Wer möchte kann selbst den Source Code des REBOL3-Interpreters für den Raspberry Pi compilieren. Der Master Branch ist unter der Apache2.0-Lizenz auf GitHub veröffentlicht. Alternativ dazu kann ein fertiges Binary für Raspbian direkt hier von unserer Homepage heruntergeladen werden.

Die Bedienung von PiTS-It! erfolgt einfach über einen normalen Web-Browser. Das Webserver-Modul übernimmt dabei die komplette Kommunikation und Steuerung. Eine integrierte Suchfunktion ermöglicht die einfache und schnelle Suche nach historischen Messwerten. Darüber hinaus ist im Webserver-Modul eine Statusfunktion ("...ein nettes Gimmick ...") implementiert, welche u.a. neben Informationen zur Hardware des Raspberry Pi auch dessen SOC-Temperatur der letzten 10 Stunden aufzeichnet und als Temperaturverlauf darstellt. Klicken Sie dafür einfach auf das entsprechende π im unteren Bereich der Seite und erfahren so wie warm es im Inneren des PiTS ungefähr ist.
Neben diesem Gimmick konfigurieren Sie mit Hilfe des Webserver-Moduls auch die wesentlichen Funktionen von PiTS. Angefangen mit der genauen Bezeichnung der einzelnen Sensoren über die Abtastrate der Messungen bis hin zum Typ der Sensoren sowie der optionalen Ereignissteuerung werden alle wichtigen Parameter über die Systemeinstellungen zentral vom Browser aus konfiguriert.
Mit der universellen Ereignissteuerung

Beispiel einer LED-Temperaturanzeige auf Basis der Ereignissteuerung können konfigurierbare Ereignisse (GPIOs, E-Mail oder Shell-Befehle) temperaturabhängig gesteuert werden. So lassen sich zum Beispiel eine automatische Überwachung und Steuerung der Heizungsanlage oder eine temperatur- und / oder helligskeitsabhängige Rolladensteuerung über zusätzliche GPIOs und Relais-Module einfach realisieren. Ebenso ist auf diese Weise eine Benachrichtigung per E-Mail bei zu warmen oder kalten Temperaturen möglich.
Eine Übersicht der verschiedenen Einstellungsmöglichkeiten ist aus dem folgenden Bild ersichtlich.

Anmerkung: Werksseitig sind die Systemeinstellungen (PiTS-Settings) nur über das selbe Netzsegment erreichbar, indem sich auch der PiTS befindet. Bei Bedarf kann dies entsprechend der eigenen Sicherheitsanforderungen angepasst werden. Falls keine Adresse für die Admin IP oder keine IP-Range festgelegt wird, ist der π-Temperatur-Sentinel von jeder beliebigen IP-Adresse aus konfigurierbar! Optional kann auch ein Zugriffsschutz aus einer Kombination von Benutzername und Kennwort individuell festgelegt werden.

Über den folgenden Link können Sie eine Lizenz von "PiTS-It!" sowie die Software selbst kostenpflichtig beziehen. Bitte beachten Sie die Lizenzbedingungen bevor Sie eine Lizenz der Software käulich erwerben (Hinweis: Sie erhalten nach Zahlungseingang spätestens innerhalb von 3 Werktagen das Softwarebundle per gesonderter E-Mail zugesandt). Mit der Lizenz für das Softwarebundle erwerben Sie auch ein beschränktes, nicht exklusives Nutzungsrecht für die jeweiligen Module. Eine zusätzliche Lizensierung der einzelnen Module ist nicht erforderlich. Trotzdem können bei Bedarf neben einzelnen Lizenzen für die jeweiligen Module ( Archivierung & Plot / Webserver ) auch Volumenlizenzen unserer Software erworben werden. Genaue Angaben zu den Preisen und Mengenrabatten erhalten Sie auf Anfrage.

Bestandskunden können hier ein Upgrade ihrer Lizenz auf die jeweils aktuelle Version der PiTS-It! Management Software zum vergünstigten Preis von 6,99 EUR erwerben.

Installation & Start: Die Software kommt als Tarball, welcher nur entpackt werden muss (tar xvf PiTSIt.tar) und schon steht die "PiTS-It!" Management Software einsatzbereit auf dem Raspberry Pi zur Verfügung. Durch manuellen Aufruf des Shell-Skripts ./PiTSIt.sh start werden die PiTS-It! Module auf dem Raspberry Pi gestartet. Dieses Skript kann natürlich auch als init-Skript zum automatischen Starten von PiTS-It! ins System eingebunden werden. Als Alternative zum Shell-Skript lassen sich die PiTS-It! Module auch einzeln ausführen. Durch Eingabe von ./bin/r3 PiTSIt.r & wird das Archivierungs & Plot-Modul sowie das TempSensor-Modul gestartet. Der Start des Webserver-Moduls erfolgt durch diesen Befehl ./bin/r3 Webserver.r & . Wir empfehlen aber die Einbindung des Webserver-Moduls als ReSpawn-Process in der /etc/inittab oder als systemd-Service. Dies bietet den Vorteil, dass das Webserver-Modul jedesmal neu startet, sobald es beendet wurde.

Anwendung: Die weitere Nutzung sowie die Konfiguration der PiTS-It! Software erfolgt, wie oben bereits erwähnt, ausschließlich über den Browser des PCs, Tablets oder Smartphones. Geben Sie dazu einfach als URL die IP-Adresse des Raspberry Pi und den verwendeten Port des Webserver-Moduls in dem Browser ein ( z.B.: http://192.168.0.100:8080 ). Alles Weitere ist selbsterklärend oder erschließt sich von selbst.

Wir hoffen Sie sind von den Vorteilen des PiTS und vom smarten Design der Software ebenso überzeugt wie wir. Falls Sie Fragen, Wünsche oder Verbesserungsvorschläge zum PiTS oder zu der "PiTS-It!" Management Software haben, wir freuen uns auf Ihre Anfrage.

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