USB Energiesensor-Interface – 3 Kanäle, USB-ESI3

Multitalent für die Energie-Erfassung

Die präzise Erfassung von Energieverbrauchsdaten ist ein zentraler Bestandteil moderner Energiemanagementsysteme – sei es im privaten Haushalt, im Gewerbe oder in der Industrie. Während viele Lösungen lediglich Daten zu Strom oder Gas liefern, vereint das hier vorgestellte Gerät gleich mehrere Funktionen in einem kompakten System. Es kann bis zu drei verschiedene Energiezähler gleichzeitig ausle­sen – darunter Stromzähler mit SML-Protokoll sowie Gaszähler mit Impulsausgang. Damit eröffnet es neue Möglichkeiten für die automatisierte Verbrauchserfassung, die Integration in Smart-Home-Systeme und die transparente Energie­kostenkontrolle.

Infos zum Bausatz

Das USB-ESI3 ist eine kompakte Schnittstellenlösung zur komfortablen Auslesung von Energiezählern. Im Gegensatz zu Funklösungen, wie dem ELV-LW-ESI, verzichtet das USB-ESI3 vollständig auf LoRaWAN® und setzt stattdessen auf eine kabelgebundene UART-Kommunikation. Diese Entscheidung macht das Gerät besonders für Anwendungen interessant, bei denen eine schnelle und direkte Verwendung der Zählerdaten eine hohe Relevanz hat. So kann mithilfe der Daten ein Nulleinspeisungssystem realisiert werden, das den von einer PV-Anlage generierten Strom optimal nutzbar macht. Hierfür wird die UART-Schnittstelle an ein Home-Assistant-Mitglied angeschlossen, das die Energiedaten so schnell verarbeiten kann, wie sie vom USB-ESI3 ausgelesen werden.
Die Besonderheit des USB-ESI3 liegt in seinen drei Ports für Zähler-Leseköpfe. Damit können mehrere Verbrauchsstellen gleichzeitig überwacht werden, z. B. zwei Strom- und ein Gaszähler. Jeder Port lässt sich unabhängig konfigurieren und auslesen, was eine flexible Anpassung an unterschied­liche Zählertypen ermöglicht.
Die Stromversorgung erfolgt über eine USB-C-Schnittstelle, sodass ein dauerhafter Betrieb ohne Batteriewechsel gewährleistet ist.
Das Gerät unterstützt bekannte und bewährte Sensoren wie den ES-IEC für Smart Meter mit SML-Protokoll, den ES-LED, einen LED-Impulssensor, Ferraris-IR-Sensoren sowie Gas-Impulssensoren. Die Kommunikation erfolgt über einen virtuellen COM-Port, der auf dem Host-System als serielle Schnittstelle erscheint.

Kombinierbare Strom- und Gaszählersensoren

Das USB Energiesensor-Interface kann mit diesen Sensoreinheiten betrieben werden:
Energiesensor für Smart-Meter ES-IEC
Gaszählersensor ES-Gas/ES-Gas-2
LED-Sensoreinheit ES-LED
Ferraris-Zähler-Sensoreinheit ES-Fer

Zur Verbindung mit dem USB-ESI3 werden die Sensoren mit ihrem Westernstecker einfach in die Buchse des Energiesensor-Interface eingesteckt.
Achtung: Die Verbindung darf ausschließlich bei getrennter Spannungszufuhr erfolgen!

Lieferumfang

Der Bausatz USB-ESI3 (Bild 1) enthält eine Platine, zwei Gehäuseteile mit den zugehörigen Schrauben und einen Streifen Fixierband (ermöglicht die werkzeugfreie Montage im Zählerschrank).

Aufbau und Inbetriebnahme

Der Aufbau des USB-ESI3 erfolgt in wenigen Schritten:

Firmware aktualisieren

Um die aktuellsten Zähler und Sensoren ansprechen zu können, müssen Sie die Firmware des USB-ESI3 aktualisieren.

• Zur Vorbereitung laden Sie das ELV-Flasher-Tool (Minimalversion 1.5.2) von der ELV Website herunter und installieren Sie dieses.
• Halten Sie den Button S1 am USB-ESI3 gedrückt und schließen Sie das Gerät jetzt an einen Windows-PC an.
• Wählen Sie im ELV-Flasher-Tool über den Reiter „SH-Base und USB-ESI3“ in der Dropdownliste das Gerät mit dem Namen „Silicon Labs CP210x USB to UART Bridge“ aus. Klicken Sie auf die Schaltfläche „Connect“.
• Eine Meldung erscheint, dass das Gerät nicht als eines der Basismodule für das ELV-Modulsystem identifiziert werden konnte, was auch korrekt ist. Quittieren Sie die Fehlermeldung mit einem Klick auf „OK“.
• Im Textfeld „Bootloader-Version“ erscheint eine Versionsnummer. Wählen Sie eine Firmware-Datei aus und klicken Sie auf „flash“, um die Aktualisierung zu starten.

Die Möglichkeit, eine falsche Firmware-Datei zu wählen und damit das Gerät zu beschädigen, ist ausgeschlossen, da die Firmware und das Gerät über kryptografische Schlüsselaustauschverfahren miteinander kommunizieren und der Vorgang abbricht.

LED-Anzeige und Diagnose

Die Duo-System-LED zeigt den allgemeinen Gerätezustand an. Während des Bootvorgangs pulsiert diese gelb, im Normalbetrieb ist die LED erloschen. Fehlerzustände werden durch Blinkmuster signalisiert, wobei die Farbe mit dem Port korrespondiert, der durch den Fehler betroffen ist und die Frequenz der Blinkimpulse Aufschluss über die Art des Fehlers gibt. Beim Blinken der roten LED ist der Sensor an J1 betroffen, beim Blinken einer grünen J2 und bei orangenem Blinken J3. Die Bedeutung der Codes ist in der Tabelle 1 erklärt.

Tabelle 1: Bedeutung der Fehlercodes

Blink-Code	Bedeutung
LED leuchtet durchgehend	Fehler bei der Erkennung des Sensors
LED blinkt langsam (1 Hz)	IEC-Protokoll konnte nicht erkannt werden
LED blinkt schnell (5 Hz)	Fehler bei der Kommunikation zum Sensor
LED blinkt sehr schnell (10 Hz)	Fehler bei der USB-Kommunikation

Einstellungen über eine USB-UART-Schnittstelle anpassen

Für Die Kommunikation Über die USB-UART-Schnittstelle muss der VCP-Treiber von der Firma Silicon Labs installiert werden. Wenn dieser installiert wurde, kann mit den Einstellungen 115200 Baud, 8 Datenbits, 1 Stopbit und kein Parity-Bit mit dem Gerät Kommuniziert werden.

Die Konfiguration der Zählerparameter ist über ein ASCII-Protokoll realisiert. Steuerzeichen sind hier „<“ und „>“. Nachrichten, die nicht mit diesen Zeichen beginnen und enden, werden vom Mikrocontroller direkt verworfen.
Als Nächstes folgt ein Key-Value-Tupel, das dem Mikrocontroller mitteilt, welchen der bis zu drei angeschlossenen Sensoren diese Einstellungen betreffen. Der Key ist hier „C“ für Connector und der Value-Teil des Tupels ist die Nummer des Anschlusses.
Darauf folgt ein zweites Key-Value-Paar, das vermittelt, welche Sensorart konfiguriert werden soll. Der Key ist in diesem Fall „S“ und Value ein Wert entsprechend der Tabelle 2a.

Tabelle 2a: Sensor-Arten

Nr.	Sensor	Kommentar
1	ES-IEC Allgemein	Diese Werte werden von der Automatischen Erkennung ermittelt, nur bei Fehlerfall ändern
2	ES-IEC Bezug	Diese Werte werden von der Automatischen Erkennung ermittelt, nur bei Fehlerfall ändern
3	ES-IEC Einspeisung	Diese Werte werden von der Automatischen Erkennung ermittelt, nur bei Fehlerfall ändern
4	ES-GAS-2
5	ES-LED
6	ES-Fer

Das Nächste ist ein Key-Value-Paar mit dem Key „P“ für Parameter und einer entsprechenden Nummer, diese finden Sie in den Tabellen 2b bis 2g. Der für den Parameter einzutragende Wert wird mit dem letzten Key-Value-Tupel angegeben, mit dem Key „V“ und dem Value vom einzutragenden Wert.

Stellen wir uns nun vor, dass ein ES-LED-Sensor an dem USB-ESI3 an Buchse 2 angeschlossen wird und dieser an einen Zähler angebracht wurde. Wenn dessen Zählerstand bei bspw. 12345 kWh liegt und die Zählerkonstante dieses Zählers bei 7500 Impulsen pro kWh liegt, so muss dieser dann entsprechend den nachfolgenden Parametern voreingestellt werden:

<C2S5P0V12345>

C2 -> Es geht um den Sensor an Buchse 2

S5 -> Siehe Tabelle 2a: Dieser Sensor ist ein ES-LED-Sensor

P0 -> Siehe Tabelle 2f: Der Zählerstand soll gesetzt werden

V12345 -> der Wert soll auf 12345 gesetzt werden

Diese Nachricht wird vom Gerät auch quittiert, wie in nachfolgender Terminalausgabe der seriellen Schnittstelle zu sehen:

Connector 2:electricity;energy_import=12348;power=612.42;
set led counter value to 12345
Connector 2:electricity;energy_import=12345;power=612.48;

Nach der Änderung des Zählerstandes wird der Korrekte Wert zurückgegeben.

Das Ändern der Zählerkonstante funktioniert ganz analog dazu:

<C2S5P1V7500>

C2 -> Es geht um den Sensor an Buchse 2

S5 -> Siehe Tabelle 2a: Dieser Sensor ist ein ES-LED-Sensor

P1 -> Siehe Tabelle 2f: Die Zählerkonstante soll gesetzt werden

V7500 -> der Wert soll auf 7500 gesetzt werden

Wenn jetzt noch an Buchse 3 ein weiterer Gas-Sensor hängt, dessen Zähler ein Zählerstand von 54321m³ und eine Zählerkonstante von 0,001 m³ pro Impuls hat, so müssen noch folgende zusätzliche Nachrichten an das Gerät geschickt werden:

<C3S4P0V54321>

C3 -> es geht um den Sensor an Buchse 3

S4 -> Siehe Tabelle 2a: Dieser Sensor ist ein ES-GAS-Sensor

P0 -> Siehe Tabelle 2e: Der Zählerstand soll gesetzt werden

V54321 -> der Wert soll auf 54321 gesetzt werden.

Zusätzlich wird über das Terminal die folgende Nachricht übergeben:

<C3S4P1V1000>

C3 -> es geht um den Sensor an Buchse 3

S4 -> Siehe Tabelle 2a: Dieser Sensor ist ein ES-GAS-Sensor

P1 -> Siehe Tabelle 2e: Die Zählerkonstante soll gesetzt werden – Achtung, hier ist der Wert in Impulsen / m³ gefragt. Bei den meisten Gaszählen ist die Angabe in m³ / Impuls auf dem Zähler zu finden. Hier muss zunächst wie folgt umgerechnet werden: 0.001m³/Impuls entspricht 1000 Impulse / m³

V1000 -> der Wert soll auf 1000 gesetzt werden.

Alle diese Ausgaben werden vom Gerät analog zur obigen Terminalausgabe quittiert.

Tabelle 2b: Parameter ES-IEC Allgemein

Nr.	Parameter ES-IEC Allgemein	Wertebereich	Standardwert
0	Baudrate	siehe Tabelle 3a	5
1	Protokollmodus	siehe Tabelle 3b	4
2	Kompatibilitätsmodus für DZG und Elster	siehe Tabelle 3c	0

Tabelle 3a: Optionen für Parameter Baudrate für ES-IEC

Nr.	Einstellung	Standardwert
0	300 Bd
1	600 Bd
2	1200 Bd
3	2400 Bd
4	4800 Bd
5	9600 Bd	*
6	19200 B d

Tabelle 3b: Optionen für Parameter Protokollmodus von ES-IEC

Nr.	Einstellung	Standardwert
0	Modus 1
1	Modus 2
2	Modus 3
3	Modus 4
4	SML	*

Tabelle 3c: Optionen für Parameter Kompatibilitätsmodus von ES-IEC

Nr.	Einstellung	Standardwert
0	kein Modus aktiv	*
1	DZG-Kompatibilitätsmodus aktiv
2	Elster-Kompatibilitätsmodus aktiv
3	beide Modi aktiv

Tabelle 2c: Parameter ES-IEC-Bezug

Nr.	Parameter	Anmerkung	Wertebereich	Standardwert
1	Identifikations-Kennzeichnung der Leistung	siehe Kasten Identifikations-Kennzeichnungen	eine 16-Byte lange Zeichen- kette, die die ASCII-Werte der zählerspezifischen Kennung enthält und mit 0 aufgefüllt wird	1.7.0
2	Identifikations-Kennzeichnung des Zählerstands	siehe Kasten Identifikations-Kennzeichnungen	eine 16-Byte lange Zeichen- kette, die die ASCII-Werte der zählerspezifischen Kennung enthält und mit 0 aufgefüllt wird	1.8.0

Tabelle 2d: Parameter ES-IEC-Einspeisung

Nr.	Parameter	Anmerkung	Wertebereich	Standardwert
1	Identifikations-Kennzeichnung der Leistung	siehe Kasten Identifikations-Kennzeichnungen	eine 16-Byte lange Zeichen- kette, die die ASCII-Werte der zählerspezifischen Kennung enthält und mit 0 aufgefüllt wird	2.7.0
2	Identifikations-Kennzeichnung des Zählerstands	siehe Kasten Identifikations-Kennzeichnungen	eine 16-Byte lange Zeichen- kette, die die ASCII-Werte der zählerspezifischen Kennung enthält und mit 0 aufgefüllt wird	2.8.0

Tabelle 2e: Parameter ES-GAS-2

Nr.	Parameter	Wertebereich	Standardwert
1	Gas-Zählerkonstante in 0,001 m³	1-65535	10

Tabelle 2f: Parameter ES-LED

Nr.	Parameter	Wertebereich	Standardwert
1	Strom-Zählerkonstante in Impulsen pro kWh	1-65535	10000

Tabelle 2g: Parameter ES-Fer

Nr.	Parameter	Anmerkung	Wertebereich	Standardwert
1	Schwellwert des IR-Sensors	Die Daten haben einen Offset von 100, da keine negativen Daten übertragen werden können. Auf den gewünschten Einstellungswert müssen hier 100 addiert werden.	1-200	100
2	Zählerkonstante in Umdrehungen pro kWh	–	1-65535	–

Schaltungsbeschreibung

Das Schaltbild des USB Energiesensor-Interface – 3 Kanäle – USB-ESI3 ist in Bild 3a und 3b zu sehen.
Kern der gesamten Schaltung ist der Mikrocontroller ESP32PG22 (U1). Dieser ist per UART mit dem USB-UART-Wandler CP2102 (U2) verbunden und ermöglicht die Kommunikation mit dem Gerät.

Weitere Nutzerinteraktion sind mithilfe der Konfigurations-Taste S1 und der Duo-Farb-LED DS1 möglich. Das gesamte Gerät wird über die USB-Busspannung versorgt. Der CP2102 funktioniert dabei als Spannungswandler, um die 5-V-USB-Spannung auf 3,3 V (+VDD) zu regulieren.
Um zu verhindern, dass eine fehlerhafte Spannung den UART-Wandler beschädigt, ist zwischen diesem und dem Mikrocontroller eine ideale Diode verbaut (U3). Dieses Bauteil sperrt, wenn an Pin 6 (V_OUT) eine höhere Spannung anliegt als an Pin 1 (V_IN). Vorteil gegenüber einer „echten“ Diode ist, dass über dieses Bauteil nur eine Spannung von etwa 0,02 V abfällt und nicht wie bei einer Silizium-Diode von 0,7 V.

Technische Daten

Geräte-Kurzbezeichnung:	USB-ESI3
Spannungsversorgung:	5 VDC (USB-powered)
Stromaufnahme:	125 mA max.
Datenerhalt bei Stromausfall:	ja
Messung des Verbrauchs:	ja
Messung der aktuellen Leistung:	ja
Schutzart:	IP20
Farbe:	anthrazit
Abmessungen (B x H x T):	105 x 20 x 32 mm
Gewicht:	31 g

Stückliste

Widerstände:
0 Ω/SMD/0402	R11, R17, R23
56 Ω/SMD/0402	R2
180 Ω/SMD/0402	R1
1 kΩ/SMD/0402	R10, R12-R14, R18-R20, R24-R26
1,2 kΩ/SMD/0402	R4, R6
3,9 kΩ/SMD/0402	R3, R5
10 kΩ/SMD/0402	R15, R21, R27
18 kΩ/SMD/0402	R8
47 kΩ/SMD/0402	R9
1 MΩ/SMD/0402	R16, R22, R28

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Kondensatoren:
10 pF/50 V/SMD/0402	C10, C11
100 pF/50 V/SMD/0402	C12, C18, C20, C21, C23, C25, C27, C28, C30, C32, C34, C35, C37
1 nF/50 V/SMD/0402	C17, C19, C22, C24, C26, C29, C31, C33, C36
100 nF/16 V/SMD/0402	C2-C5, C7, C8,C13, C14, C16
1 µF/16 V/SMD/0402	C1, C6
10 µF/16 V/SMD/0805	C9, C15

Halbleiter:
EFM32PG22C200F256IM40-C	U1
CP2102N/SMD	U2
LM66100/SMD	U3
SP0503BAHTG/SMD	D1
BAT43W/SMD	D2-D4
Duo-LED/rot-grün/SMD	DS1

Sonstiges:
Quarz, 32,768 kHz, SMD	Y1
modulare Einbaubuchse, 6-polig, ungeschirmt, SMD	J1-J3
USB-Buchse, Typ C, SMD	J4
Taster mit 1,2-mm-Tastknopf, 1 x ein, SMD, 1,8 mm	S1
Gehäuse, komplett, bedruckt
Klebeband, doppelseitig, 58 x 14 x 0,8 mm