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In diesem Tutorial wollen wir eine Temperaturüberwachung aufbauen die über mehrere Temperaturfühler die Temperaturen an verschiedenen Stellen in einem Raum überwacht. Dazu verwenden wir den DS18B20 der in einer vergossenen Variante erhältlich ist und sehr genau die Temperaturen messen kann. Zusätzlich lesen wir ebenfalls die Temperatur der CPU des Raspberry Pi aus und protokollieren die Daten in einer Log-Datei. In den weiteren Tutorials werden wir diese Daten dann per MQTT an einen Server zur Auswertung weiterleiten sowie eine Alarmbenachrichtigung über SMS und über einen Messenger Dienst einrichten. 


Inhaltsverzeichnis


Einleitung

Der Temperaturfühler DS18B20 ist ein sehr robuster und genauer Sensor der auf dem 1-Wire Bus basiert. Dadurch können theoretisch bis zu 100 Sensoren, sogenannte Slaves, parallel an einen Master betrieben werden. Der Raspberry Pi unterstützt an GPIO4 (Pin 7) das 1-Wire Protokoll und fungiert in diesem Fall als Master. Der Begriff 1-Wire ist etwas verwirrend da der Temperaturfühler ja 3 Anschlüsse hat, der Begriff bezieht sich darauf das nur eine Datenleitung notwendig ist. Jeder Slave hat dabei eine eindeutige ID und ist individuell ansprechbar.


Voraussetzungen

Für dieses Tutorial wird an Hardware folgendes benötigt:

An Software verwenden wir das aktuelle Raspberry Pi OS (basierend auf Debian Buster). Das Betriebssystem sollte grundlegend eingerichtet sein und, da wir für die Auswertung der Sensoren Python3 verwenden, auf Python3 als Standard eingestellt sein. Auch sollten grundlegende Kenntnisse auf der Shell vorhanden sein sowie die Bedienung eines Editors.


Verkablung

Der elektronische Aufbau ist sehr einfach gehalten, die roten Anschlusskabel (Plus des Temperatursensors) werden alle parallel an 3,3V (Pin 1) des Raspberry Pi angeschlossen, die Masseleitungen (schwarz) werden mit GND (Pin 9) verbunden. Die Datenleitung der DS18B20 (meistens gelb, selten auch blau) wird an GPIO4 (Pin 7) angeschlossen. Zwischen 3,3V und GPIO4 (Pin 1 und Pin 7) wird dann noch der PullUp-Widerstand dazwischengeschaltet. Dieser Widerstand ist unabhängig von der Anzahl der angeschlossenen Sensoren und wird nur einmal benötigt.


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1-Wire aktivieren

Nachdem die Verkablung abgeschlossen ist können wir nun den Raspberry Pi starten und im nächsten Schritt 1-Wire aktivieren. In der Standardeinstellung ist der 1-Wire Bus in Raspberry Pi OS nicht aktiv, lässt sich aber leicht über raspi-config aktivieren.

pi@raspberrypi:~ $ sudo raspi-config

Die Einstellungen für 1-Wire befinden sich im Menüpunkt 5 Interfacing Options und im anschließenden Untermenü P7 1-Wire. Dort muss 1-Wire dann nur aktiviert werden und wie von raspi-config empfohlen ein Neustart durchgeführt werden. Nach dem Neustart ist 1-Wire aktiviert und kann direkt benutzt werden.

Durch das Aktivieren von 1-Wire über raspi-config wird in der Datei /boot/config.txt folgender Eintrag hinzugefügt:

dtoverlay=w1-gpio

Bei älteren Versionen von Raspberry Pi OS, noch als Raspbian bekannt, mussten noch weitere Module wie w1-therm oder auch der PullUp Modus definiert werden. Dies ist mit der aktuellen Version von Raspberry Pi OS nicht mehr notwendig.

DS18B20 auslesen

Der 1-Wire Bus Master wie auch die Slaves integrieren sich nach dem Neustart des Systems direkt in das Dateisystem. Unter /sys/bus/w1/devices/ sind dann für den Master wie auch für jeden Slave ein eigener Ordner vorhanden. Der Ordnername der Slaves entspricht dann der ID des jeweiligen Sensors. In diesem Beispiel sind 2 Stück DS18B20 angeschlossen.


Im Verzeichnis des Master w1_bus_master1 finden sich Informationen zum Master selbst aber auch zu den angeschlossenen Slaves. Diese befinden sich alle in separaten Dateien die einfach mit "cat" ausgelesen werden können. Root Rechte sind zum Auslesen der Dateien nicht notwendig.

DateiFunktion
w1_master_slave_countEnthält die Anzahl der angeschlossenen Slaves
w1_master_slavesEnthält die Namen (IDs) der angeschlossenen Slaves
w1_master_pullupDefiniert den PullUP Widerstand
w1_master_max_slave_countEnthält die Anzahl der Slaves die maximal angeschlossen werden können


In den Verzeichnissen der Slaves sind insbesondere die Dateien w1_slave und temperature interessant.

w1_slave enthält zum einen Status und die Checksumme des Devices und zum anderen die aktuelle Temperatur in der zweiten Zeile. In der ersten Zeile sollte ein YES stehen, bei Error oder No muss der Sensor und die Verkablung nochmals überprüft werden. Die aktuelle Temperatur ist dann mit t= angegeben und entspricht Milligrad Celsius. In diesem Beispiel sind es aktuell bei beiden Sensoren 25,625°C

 

Zusätzlich ist die Temperatur aber auch in der Datei temperature als reiner Zahlenwert in Milligrad enthalten:

pi@raspberrypi:~ $ cat /sys/bus/w1/devices/28-011927724003/temperature
25625

Temperatur der CPU auslesen

Um die Temperatur der CPU des Raspberry Pi auszulesen kann der Befehl vcgencmd mit dem Parameter measure_temp verwendet werden. Dafür sind ebenfalls keine Root Rechte erforderlich, die Temperatur wird dabei direkt in Grad Celsius angegeben.

pi@raspberrypi:~ $ vcgencmd measure_temp
temp=42.4'C

Temperaturen auslesen und in Log Datei schreiben

Da wir nun alle Temperaturen auslesen können verwenden wir jetzt ein kleines Python Script welches die Temperaturen automatisch ausliest und in eine Log Datei schreibt.

temperature.py
#!/usr/bin/python
# -*- coding: UTF-8 -*-

import time
import os
import logging
from logging.handlers import TimedRotatingFileHandler

logger = logging.getLogger('temperature')
logger.setLevel(logging.INFO)

formatter = logging.Formatter('%(asctime)s - %(message)s',
        datefmt='%d-%m-%Y %H:%M:%S')

loghandler = TimedRotatingFileHandler(
        '/home/pi/temperature.log', when='D', interval=1, backupCount=10)
loghandler.setLevel(logging.INFO)
loghandler.setFormatter(formatter)

logger.addHandler(loghandler)

logger.info('Programm started...')

sensors = {}
sensors['Serverraum Oben'] = '28-011927724003'
sensors['Serverraum Unten'] = '28-0119292513c2'

interval = 5

def main():
    while True:
        for name, sensor in sensors.items():
            file = open('/sys/bus/w1/devices/' + str(sensor) + '/temperature')
            filecontent = file.read()
            file.close()

            temp = float(filecontent) / 1000
            logger.info("%s: %.2f °C", name, temp)

        cpu_temp = os.popen("vcgencmd measure_temp").readline()
        logger.info("CPU: %s °C", cpu_temp[5:][:4])
        time.sleep(interval)

if __name__ == '__main__':
    main()

Nachfolgend die Erläuterungen zum Script

ZeileFunktion
1-2Definition des Python Scripts und des Encoding
4-7Importieren der notwendigen Bibliotheken
9-10Erzeugen eines Logger Objekts mit dem Level INFO
12Format des Log Eintrags: <Tag>-<Monat>-<Jahr> <Stunde>:<Minute>:<Sekunde> - <Text des Eintrags>
15Name der Log Datei temperature.log, soll täglich neu erzeugt werden, alte Log Dateien erhalten die Endung des Tags. Maximal 10 alte Log Dateien werden behalten, ältere werden gelöscht
17-22Log Level auf INFO gesetzt und dem Logger Objekt hinzugefügt
24-26Erzeugen eines Dictionarys mit dem Namen des Sensors und der entsprechenden ID
28Variable für den Intervall der Messung, hier alle 5 Sekunden soll eine Messung erfolgen
30-31Starten der Hauptfunktion
32Starten des Loop über die Sensoren
33Öffnen der temperature Datei des jeweiligen Sensors
34-35Einlesen des Sonsorwertes
37Berechnung der Temperatur von Milligrad in Grad Celsius 
38Log Eintrag mit dem Namen des Sensors und der berechneten Temperatur mit zwei Nachkommastellen
40Nachdem die Sensoren ausgewertet sind wird nun die Temperatur der CPU eingelesen
41Formatierung der Temperatur und Eintrag in das Logfile
42Pause des Programms bis zur nächsten Messung
44-45Starten der Hauptfunktion


Nach dem Starten des Scripts mit "python temperature.py" wird nun alle 5 Sekunden eine Messung gestartet und in die Logdatei geschrieben:

pi@raspberrypi:~ $ tail -20 temperature.log
23-08-2020 17:57:58 - Serverraum Unten: 23.44 °C
23-08-2020 17:57:58 - CPU: 44.0 °C
23-08-2020 17:58:04 - Serverraum Oben: 23.50 °C
23-08-2020 17:58:04 - Serverraum Unten: 23.44 °C
23-08-2020 17:58:04 - CPU: 44.5 °C
23-08-2020 17:58:10 - Serverraum Oben: 23.44 °C
23-08-2020 17:58:11 - Serverraum Unten: 23.44 °C
23-08-2020 17:58:11 - CPU: 44.0 °C
23-08-2020 17:58:17 - Serverraum Oben: 23.44 °C
23-08-2020 17:58:18 - Serverraum Unten: 23.44 °C
23-08-2020 17:58:18 - CPU: 44.0 °C
23-08-2020 17:58:24 - Serverraum Oben: 23.44 °C
23-08-2020 17:58:25 - Serverraum Unten: 23.44 °C
23-08-2020 17:58:25 - CPU: 44.0 °C
23-08-2020 17:58:31 - Serverraum Oben: 23.44 °C
23-08-2020 17:58:32 - Serverraum Unten: 23.44 °C
23-08-2020 17:58:32 - CPU: 44.5 °C
23-08-2020 17:58:38 - Serverraum Oben: 23.44 °C
23-08-2020 17:58:39 - Serverraum Unten: 23.44 °C
23-08-2020 17:58:39 - CPU: 44.5 °C


Damit das Script bei jedem Systemstart ebenfalls gestartet wird bietet sich es an folgende Befehlszeile in die Datei /etc/rc.local vor dem exit 0 einzutragen.

...
python /home/pi/temperature.py &

exit 0
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