ELV Smart Home Ultraschall-Distanzsensor-Interface ELV-SH-DUSI

Distanzmessung in Homematic IP

Nicht nur Delfine und Fledermäuse können mit Ultraschall Distanzen messen, dies ist auch mit dem robusten Ultraschall-Distanzsensor DUS1 möglich. Bislang konnte der DUS1 über das Interface ELV-LW-INT1 per LoRaWAN ausgewertet werden. Auch mit der ELV-SH-Base und dem Applikationsmodul ELV-AM-INT1 ließ sich der Sensor bereits rudimentär in Homematic IP Systemen nutzen. Deutlich einfacher und komfortabler ist eine Integration ins Smart Home mit dem hier vorgestellten Interface ELV-SH-DUSI. Das Ultraschall-Distanzsensor-Interface ermöglicht die Anzeige des Abstands zwischen einem Objekt und dem Sensor – es misst Distanzen von 0,25 bis 6,5 Meter. Durch Definition eines Referenz-Nullpunkts ist zudem das Messen der Höhe eines Objekts über diesem Nullpunkt möglich. Damit können Sie die Füllhöhe eines Behälters ermitteln und für Automatisierungsaufgaben nutzen – mit der Home Control Unit HCU1, dem Homematic IP Access Point und der App oder der Smart Home Zentrale CCU3.

Distanzen messen und mit Homematic IP für Automatisierungen nutzen

In Kombination mit dem Ultraschall-Distanzsensor DUS1 misst das Interface ELV-SH-DUSI Distanzen von 0,25 bis 6,5 Meter und macht diese Messwerte im Smart-Home-System für die Realisierung verschiedener Aufgaben nutzbar. Im Auslieferzustand erfolgt eine Distanzmessung im Intervall von 10 Minuten. Dieses Intervall lässt sich in 6 Stufen anpassen: 1 Minute bis zu 1 Stunde sind möglich. Über die CCU3 können Sie durch die Auswahl von „Wert eingeben“ noch individuellere Werte einstellen. Beachten Sie, dass ein kleineres Messintervall die Batterielebensdauer verkürzt.
Der Sensor selbst hat eine relativ hohe Stromaufnahme. Um Strom zu sparen, wird dieser vom Interface nur für die Dauer der Messung mit Spannung versorgt. Nach ca. einer Sekunde gibt der Sensor einen Messwert per UART an das Interface aus, danach wird er wieder von der Spannungsversorgung getrennt. Dadurch ergibt sich ein niedriger mittlerer Strombedarf für eine mehrjährige Nutzung mit einem Satz Batterien. Für Distanzen bis 4 oder 5 Metern genügt – je nach zu messender Objektgröße und dessen Oberflächenbeschaffenheit – die Versorgung des Sensors mit einer Spannung von 3,3 V. Dies ist werkseitig bereits vorausgewählt. Um die volle Reichweite des Sensors auszuschöpfen oder relativ kleine Objekte zu erfassen, stellen Sie die Sensorspannung in der Konfiguration des Interface auf 5 V um (Bild 1).

Der Betrieb des Sensors mit 5 V verkürzt die Batterielaufzeit. Durch die besonders hohen Einschalt-Stromimpulse bei 5 V kommt es bei minderwertigen oder gealterten Batterien mit hohem Innenwiderstand zudem zu stärkeren Einbrüchen in der Spannungsversorgung des Interface. Dies kann die ordnungsgemäße Funktion beeinträchtigen. Bei Einstellung des Sensors auf einen Betrieb mit 5 V sollten hochstromfähige Batterien verwendet und ein frühzeitiger Batteriewechsel eingeplant werden.

Bei einer Ultraschall-Distanzmessung wird vom Sensor ein Schallsignal ausgesendet und die Laufzeit bis zum Empfang eines reflektierten Echos gemessen. Ein zu messendes Objekt sollte deshalb eine möglichst große glatte Oberfläche besitzen, die senkrecht zum Sensor ausgerichtet ist. Bei unebenen Objekten kommt es zu breiten Streuungen des reflektierten Signals. Dadurch wird das vom Sensor empfangene Signal deutlich geschwächt, jedoch spielt die Ausrichtung der Fläche dadurch eine geringere Rolle. In der Praxis lassen sich mit solch einem Sensor daher sowohl glatte als auch wellige Wasseroberflächen oder auch der Vorrat an Holzpellets messen.
Je weiter ein zu messendes Objekt vom Sensor entfernt ist, desto größer sollte seine in Richtung Sensor reflektierende Fläche sein. Insbesondere bei der Messung von Wasseroberflächen, bei denen Wellen zu schwankenden Messergebnissen führen, kann es sinnvoll sein, die im Interface vorhandenen Filtermöglichkeiten zu nutzen.
Der Sensor liefert bei einer gestarteten Messung nach 1 Sekunde das erste Messergebnis. Im Abstand von 0,1 Sekunden folgen dann stets aktuelle weitere Messwerte, solange der Sensor weiter mit Spannung versorgt wird. Bei Verwendung einer CCU3 kann im Interface nun mit der Filtergröße festgelegt werden, wieviel Einzelmesswerte bei einem Messvorgang gesammelt werden und wie daraus anschließend ein Gesamtmesswert ermittelt werden soll. Hierfür stehen verschiedene Filterarten zur Verfügung (Bild 2).

Da bei steigender Anzahl an Messwerten auch die Einschaltdauer des Sensors und damit die durchschnittliche Stromaufnahme steigt, wählen Sie die Filtergröße nicht unnötig groß. Bei Verwendung einer CCU3 lassen sich zudem mehrere Schwellwerte definieren, bei deren Über- oder Unterschreiten direkt verknüpfte Aktoren unmittelbar nach der Ermittlung eines Messwerts geschaltet werden (Bild 3).

Unter Nutzung der virtuellen Aktorkanäle der Aktoren lassen sich damit bereits autarke Automatisierungen realisieren. Ein Bewässerungsaktor kann z. B. durch sein internes Wochenprogramm täglich zwischen 5 Uhr und 6 Uhr den Rasen wässern, wenn der Distanzsensor genügend Wasservorrat und ein Bodenfeuchtesensor trockenen Boden meldet. Ist eine der drei Bedingungen nicht erfüllt, erfolgt keine Bewässerung. Details dieser Umsetzungsvariante sind im Beitrag des Bodenfeuchte Interface ELV-SH-SMSI unter „Automatische Bewässerung mit der CCU3 und Direktverknüpfungen“ beschrieben. Alternativ lassen sich solche Automatismen mit der CCU3 natürlich auch über die Funktion der Programme lösen und dabei dann noch zusätzliche Bedingungen berücksichtigen.

Im nachfolgenden Beispiel (Bild 4) schaltet die Bewässerung automatisch ab, sobald die Füllhöhe 25 cm unterschreitet. Aufgrund des Messzyklus und der verzögerten Statusmeldung planen Sie eine Reserve ein, damit die Pumpe nicht trockenläuft. Ein automatisches Einschalten der Bewässerung erfolgt bei gutem Füllstand (mehr als 60 cm) und weniger als 40 Prozent Bodenfeuchte für 1 Stunde ab 5 Uhr. Ist der Pegel bereits unter 60 cm gefallen, wird lediglich noch für 20 Minuten bewässert, wenn die Bodenfeuchte unter 30 Prozent gesunken ist und eine Mindesthöhe von 30 cm im Tank vorhanden ist.

Bei Verwendung einer HCU1 oder eines Access Points und der App: Legen Sie für solche Szenarien Automatisierungen in der App an. Hier können Sie Auslöser und zu prüfende Zusatzbedingungen definieren, die dann bei Erfüllung zur Ansteuerung der ausgewählten Aktoren führen (Bild 5).

Für das zyklische Übermitteln der Sensormesswerte an die verwendete Zentraleneinheit (CCU3, HCU1, HAP) kommt das vom Messintervall unabhängige und für Homematic IP typische zyklische Sendeverfahren zum Einsatz. Dieses verwendet zur dauerhaften Kollisionsvermeidung ein Standardintervall in ständig wechselnden Abständen zwischen 120 und 184 Sekunden.

Schneehöhe messen – ein Problem

Eine Idee für einen Einsatzfall des Ultraschall-Distanzsensors kommt sicher vielen in den Sinn: Die Schneehöhe zu messen und sich bei Neuschnee benachrichtigen lassen oder morgens auch automatisch eher wecken zu lassen. Bei professionellen Sensoren zur Schneehöhenmessung kommen ebenfalls Ultraschallsensoren zum Einsatz. Diese sind jedoch speziell auf die schlechten Reflektionswerte von Pulverschnee und Neuschnee abgestimmt und liefern auch unter ungünstigen Bedingungen gute Messwerte. Leider ist diese Idee mit dem Sensor DUS1 aufgrund des Messprinzips nur ungenügend realisierbar. Je nach Höhe des Schnees und dessen Konsistenz kommt es zu sehr unterschiedlichen Messergebnissen. Wenn der Schnee sehr weich ist, wird der Schall an der Oberfläche der Schneedecke kaum reflektiert. Er durchdringt den Schnee, wird gestreut und reflektiert am festen Boden. Diese Reflektion wird nochmals durch den Schnee gestreut. Der vom Sensor empfangene reflektierte Schall hat dann eine längere Laufzeit hinter sich, als wenn er ungehindert vom Boden reflektiert worden wäre. Als Messergebnis liefert der Sensor dann bei leichtem Neuschnee eine größere Distanz als ohne Schnee auf dem Boden. Bei großen Schneehöhen kann das Schallsignal durch den Schnee so stark gedämpft werden, dass keine ausreichenden Reflektionssignale mehr beim Sensor eintreffen und der Sensor eine Überschreitung seines Messbereichs meldet. Nur wenn der Schnee angetaut und wieder gefroren ist oder der Neuschnee schon direkt eine relativ massive Oberfläche hat, kann der Schall des Sensors ausreichend an der Oberfläche des Schnees reflektiert und korrekt gemessen werden. Möchten Sie sich dennoch mit diesem Sensor eine Neuschneewarnung generieren, prüfen Sie sowohl die positive als auch auf die negative Schneehöhe. Entfernen Sie nach einer Warnung den Schnee unterhalb des Sensors für eine erneute Warnbereitschaft.

Sensor anschließen und montieren

Fixieren Sie die Platine mit zwei Schrauben am Gehäuseboden. Die Position der Befestigungslöcher hängt vom Gehäuse ab (Bild 12).

Im nächsten Schritt wird der Sensor DUS1 für die Montage am Interface vorbereitet. Trennen Sie die vorhandenen Steckverbinder mit einem Seitenschneider ab und isolieren Sie das Kabelende danach gemäß Bild 13 ab. Entfernen Sie die äußere Ummantelung auf eine Länge von 10 bis 15 mm. Isolieren Sie die Einzeladern dann jeweils auf 3 mm ab. Zur leichteren Montage können Sie die offenen Litzen noch verzinnen oder mit Aderendhülsen versehen. Bei Verwendung des als 3D-Datei gelieferten Haltewinkels, montieren Sie nun den Sensor an diesem Winkel (Bild 14). Die 3D-Druck-Datei finden Sie als Download unten.

Mit etwas Geschick und z. B. einem Stufenbohrer können Sie den Sensor auch direkt in der Verteilerdose montieren (Bild 15). Ansonsten öffnen Sie leicht die Durchführungsmembran vor den Anschlussklemmen mit einem spitzen Gegenstand. Führen Sie anschließend das Anschlusskabel ein und schließen Sie den Sensor an den Klemmen gemäß Tabelle 1 an. Ziehen Sie danach das Kabel wieder etwas aus dem Gehäuse heraus, sodass die Membran nach außen zeigt und fixieren Sie das Kabel in dieser Position mit dem Kabelbinder (Bild 16). Legen Sie abschließend die Batterien polrichtig ein und verschließen Sie das Gehäuse. Das Interface ist bereit zum Anlernen an einer der System-Zentralen.

Signalname Sensor	Kabelfarbe Sensor	Klemme ELV-SH-DUSI
VCC	Rot	VOUT
GND	Schwarz	GND
RX	Gelb	TX
TX	Weiß	RX

Praxistipps zur Pegelmessung bei unterirdischen Tanks

Soll der Füllstand von unterirdischen Tanks gemessen werden, montieren Sie die Interface-Platine für eine gute Funkverbindung möglichst oberirdisch und keinesfalls tief unterhalb der Oberfläche. Wenn der Sensor in einem Regentank keine freie Sicht zum Boden des Tanks hat, weil z. B. Schläuche, Kabel oder Streben im Erfassungsbereich des Sensors verlaufen, setzen Sie den Sensor mit einem glatten Rohr ein. So kann dieser an den Hindernissen vorbei bis zum Boden blicken. Bedenken Sie bei der Montage und Ausrichtung des Sensors immer dessen Erfassungsbereich durch den Öffnungswinkel von circa 40°.

Anlernen und konfigurieren am Access Point oder der Home Control Unit

Wählen Sie den Eintrag „Gerät anlernen“ und folgen Sie dem Anmelde-Assistenten für die weitere Einrichtung des Interface. Ordnen Sie den ELV-SH-DUSI während des Anlernens einem Raum zu (Bild 17). Legen Sie gegebenenfalls einen neuen Raum an und geben Sie einen aussagekräftigen Namen für das Interface ein. Anschließend ist das Interface betriebsbereit. Passen Sie über die Geräteliste bei Bedarf noch die Parameter für Messintervall, Sensorspannung und Messverhalten an.

Distanzsensor Interface an die CCU3 anlernen und konfigurieren

Loggen Sie sich auf der WebUI Ihrer CCU3 ein und klicken Sie oben rechts auf „Gerät anlernen“. Wählen Sie im Pop-up-Fenster „HmIP Gerät anlernen“, um den Anlernmodus für 60 Sekunden zu starten. Geben Sie im Folgedialog unter Posteingang die Beschriftung des Geräts und der Kanäle ein (Bild 18) und ordnen Sie diese einem Raum oder Gewerk zu (siehe WebUI Handbuch).

Nach der Anmeldung an der CCU3 ist das Interface betriebsbereit. Wählen Sie auf der Startseite „Status und Bedienung“ > „Geräte“ oder „Räume“ und klicken Sie in der Liste auf das ELV-SH-DUSI, um die aktuellen Messwerte des Sensors zu sehen (Bild 19).

Im Reiter „Einstellungen“ > „Geräte“ lassen sich diverse Konfigurationsparameter der verschiedenen Gerätekanäle anpassen (Bild 20). Im Kanal 0 können Sie z. B. das Sendeintervall der Statusmeldungen und die Schwelle für Low-Bat konfigurieren. Stellen Sie im Kanal 1 Parameter zur Messwerterfassung ein. Wenn sich die Messwerte üblicherweise sehr langsam ändern, sollte ein langes Intervall gewählt werden, um die Batterien zu schonen. Sollte es bei der Messung zu unregelmäßig streuenden Werten des Sensors kommen, wählen Sie als Filter einen der Durchschnittswerte und erhöhen Sie den Wert für die Filtergröße, um mehrfach schnell hintereinander zu messen und daraus einen gefilterten Mittelwert als Messergebnis zu erzeugen. Über die Referenzhöhe definieren Sie den Abstand des Sensors zum Boden und erhalten anschließend in der Statusansicht die berechnete Höhe über diesem Referenzpunkt.

Das Interface besitzt zwei Kanäle, die sich für bedingte Schaltbefehle zu verknüpften Aktoren nutzen lassen. Bei Kanal 2 und 3 können zwei verschiedene Schwellwertpaare für die Distanz definiert werden. Sollen Aktoren bei Über- oder Unterschreitung dieser Schwellen schalten, setzen Sie ein Häkchen, um die zugehörigen Telegramme zu senden (Bild 21).

Diese so konfigurierten Kanäle lassen sich jetzt z. B. in einer Direktverknüpfung mit der Statusanzeige ELV-SH-SB8 dafür nutzen, um das Über- und Unterschreiten kritischer Schwellen zu visualisieren (Bild 22).

Technische Daten

Geräte-Kurzbezeichnung:	ELV-SH-DUSI
Versorgungsspannung:	2x 1,5 V LR6/Mignon/AA
Stromaufnahme:	500 mA max./50 µA typ.
Batterielebensdauer (typ.):	3 Jahre
Empfängerkategorie:	SRD Category 2
Funk-Frequenzband:	868,0-868,6 MHz 869,4-869,65 MHz
Duty-Cycle:	< 1 % pro h/< 10 % pro h
Max. Funk-Sendeleistung:	10 dBm
Typ. Funk-Freifeldreichweite:	350 m
Externer Sensor:	DUSI
Umgebungstemperatur:	-15 bis +55 °C
Abmessungen (B x H x T):	74 x 72 x 23 mm
Gewicht (inkl. Batterien):	80 g