ESP32-Firmware & IoT für Wasserversorger-Telemetrie
Wasserversorger-RTUs sitzen in überfluteten Schächten, Kammern ohne Netzanschluss und an Behälterstandorten am Rand der Mobilfunkabdeckung. Wir bauen ESP32-basierte Telemetrieeinheiten, die diese Umgebung überstehen, die analogen und Modbus-Protokolle Ihrer vorhandenen Instrumente sprechen und lokal puffern, damit ein abgerissener Link nie zu einer verlorenen Durchflusssumme oder einem versäumten Trübungsalarm wird.
Challenges specific to Water Utilities
Durchflusszähler driften nach Kommunikationslücken
Impulszähler zählen während eines Ausfalls weiter, doch ein naiver Uplink sendet nur den letzten Wert erneut, sodass das abgerechnete bzw. entnommene Volumen jeden Liter verliert, der floss, während das Modem offline war.
4-20mA-Druckschleifen werten Rauschen als Alarme
Pumpenanlauf-Spitzen und Druckstöße lassen den Schleifenstrom ausschlagen, und ohne kanalweises Entprellen und Slew-Begrenzung löst die RTU falsche Über-/Unterdruckalarme aus, die das Vertrauen der Betreiber ins System untergraben.
Behälterstandorte haben keinen Netzstrom und schwaches Signal
Füllstandsensoren an abgelegenen Behältern laufen über Solar und eine kleine Batterie am Rand der Mobilfunkabdeckung, sodass ein dauerhaft aktives TCP-Modem die Batterie entleert und der Standort tagelang ausfällt.
Trübungsereignisse werden zwischen Messungen verpasst
Langsame Abfrageintervalle zur Energieeinsparung führen dazu, dass eine kurze Trübungsspitze durch einen Rohrbruch oder eine Rückspülung vollständig zwischen zwei Messungen liegt und die regulatorische Überschreitung nie erfasst wird.
Modbus-Instrumente nutzen kollidierende Registerbelegungen
Jeder MID-Durchflussmesser, Analysator und Drucktransmitter bietet eine andere Modbus-Registerbelegung, Skalierung und Byte-Reihenfolge, sodass ein einziger Firmware-Build nur selten ohne Nacharbeit in einen gemischten Bestandsstandort passt.
How GizanTech solves them
- Impulsgenaue Durchflussbilanzierung. Wir zählen Durchflussmesser-Impulse in einer Hardware-ISR mit einem 64-bit-nichtflüchtigen Zählerstand im NVS, sodass das kumulierte Volumen nach jedem Neustart oder jeder Kommunikationslücke exakt rekonstruiert wird und mit dem Zählerregister übereinstimmt.
- Aufbereitete 4-20mA-Erfassung. Jede Schleife wird über einen Präzisions-Messwiderstand ausgelesen und überabgetastet, dann medianfiltert mit konfigurierbarer Slew-Begrenzung und Entprellung, sodass Pumpenstöße und Druckschläge keine falschen Druckalarme mehr auslösen.
- Solarbewusster Tastbetrieb. An Behälterstandorten geht der ESP32 zwischen Messungen in den Deep-Sleep und weckt den Mobilfunk-/LoRaWAN-Funk nur, um den Puffer zu leeren, sodass die mittlere Stromaufnahme niedrig genug bleibt, um auf einem kleinen Solar-plus-Batterie-Knoten dauerhaft zu laufen.
- Ereignisgesteuerte Trübungserfassung. Die Trübung wird schnell abgetastet und lokal gegen Änderungsraten- und Absolutschwellen verglichen, sodass eine Spitze einen sofortigen Uplink und einen hochauflösenden Burst erzwingt, statt auf die nächste geplante Abfrage zu warten.
- Modbus-Profile je Instrument. Ein JSON-gesteuerter Modbus-RTU-Master bildet Register, Skalierung und Wortreihenfolge jedes Geräts zur Konfigurationszeit ab, sodass ein Firmware-Image gemischte Flotten aus MID-Messern, Analysatoren und Transmittern ohne Neukompilierung bedient.
| Telemetriepunkt | Sensorprotokoll | Abtastrate | Alarmschwellen-Verhalten | Kommunikationslink & Failover |
|---|---|---|---|---|
| Durchfluss | Impuls (Open-Collector, K-Faktor) | ISR-gezählt, alle 5 s aufsummiert | Niedrig-/Nulldurchfluss nach 60 s gelatcht, Impulslos-Watchdog | Mobilfunk LTE-M primär, Store-and-Forward des vollen Impulszählers bei Wiederverbindung |
| Druck | 4-20mA-Schleife (über 150R erfasst) | 10 Hz Überabtastung, 1 s Median | Hoch-/Niedrigband mit 5 s Entprellung und Slew-Begrenzung | Mobilfunk LTE-M, MQTT QoS 1 während Ausfall in NVS gepuffert |
| Behälterfüllstand | Modbus RTU (RS-485) oder 4-20mA | Alle 60 s, Deep-Sleep zwischen Lesungen | Hi-Hi/Lo-Lo-Stand mit Fallraten-Leckkennung | LoRaWAN primär an Solarknoten, Mobilfunk-Fallback wenn SF ausgereizt |
| Trübung | Modbus-RTU-Analysator (NTU-Register) | 15 s Abfrage, 1 s Burst bei Ereignis | Änderungsrate + absolute NTU erzwingt sofortigen Uplink | Mobilfunk LTE-M, lokaler SD-Ringpuffer wenn beide Links ausfallen |
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ESP32 Firmware & IoT Development for other industries
Frequently asked questions
Können Sie unsere vorhandenen 4-20mA- und Modbus-Instrumente auslesen, ohne sie zu ersetzen?
Ja. Die ESP32-RTU erfasst 4-20mA-Schleifen direkt und fungiert als Modbus-RTU-Master über RS-485, sodass vorhandene MID-Messer, Drucktransmitter und Trübungsanalysatoren an Ort und Stelle bleiben und per Konfiguration statt durch Neuverkabelung abgebildet werden.
Was passiert mit Messwerten, wenn der Mobilfunklink an einem abgelegenen Standort abbricht?
Jede Messung und der vollständige Durchfluss-Impulszähler werden in eine nichtflüchtige Store-and-Forward-Pufferung geschrieben. Sobald der Link zurückkehrt, lädt der Rückstand der Reihe nach hoch, sodass Durchflusssummen exakt abgeglichen werden und kein Alarmereignis stillschweigend verloren geht.
Wie wählen Sie zwischen Mobilfunk und LoRaWAN für einen Behälter- oder Schachtstandort?
Wir entscheiden nach Energiebudget und Abdeckung: Solar-/Batterie-Behälterknoten setzen standardmäßig auf LoRaWAN mit geringem Tastverhältnis und Mobilfunk-Fallback, während netzgespeiste oder überspannungsgeschützte Kammerstandorte LTE-M für die nötige Bandbreite zum Senden von Trübungs-Bursts nutzen.
Lässt sich die Firmware in unser SCADA oder Historian integrieren?
Die Einheit veröffentlicht MQTT mit QoS 1 und zeitgestempelten Payloads und kann außerdem Modbus-TCP-Slave-Register bereitstellen, sodass Daten ohne ein eigenes Protokoll-Gateway dazwischen in Ihrem vorhandenen SCADA, Historian oder Cloud-Broker landen.
Wie verhindern Sie, dass Pumpenstöße falsche Druckalarme auslösen?
Druckschleifen werden mit 10 Hz überabgetastet, auf 1 s medianfiltert und mit konfigurierbarer Slew-Begrenzung und Entprellung gegated, sodass Druckschläge und Pumpenanlauf-Transienten verworfen werden, bevor die Über-/Unterdruck-Alarmlogik sie überhaupt sieht.