Der bastelnde Energiewächter: Ein CYD als smarter Strommesser für den Haushalt

Autor: DerSchneider

Einleitung

Was verbraucht mein alter Kühlschrank wirklich? Läuft der Gefrierschrank im Keller effizient oder saugt er heimlich Kilowattstunden? Und warum ist die Stromrechnung plötzlich so hoch? Diese Fragen stellen sich viele Hausbesitzer und Mieter. Die Antwort lautet oft: Man weiß es nicht – weil man nicht misst.

Genau hier setzt ein bescheidenes, aber bemerkenswertes Projekt an: die Verwandlung eines preiswerten „Cheap Yellow Display“ (CYD) in einen eigenständigen Energiemonitor. Das CYD, ein ESP32-basiertes Entwicklerboard mit integriertem Touchdisplay, ist eigentlich als HMI-Komponente für Heimautomatisierung gedacht. Doch mit wenigen zusätzlichen Bauteilen wird es zu einem vollwertigen Messgerät, das Spannung, Strom und Leistung erfasst, daten speichert und auf Knopfdruck per Bluetooth an einen Laptop sendet.

Dieser Artikel richtet sich an alle, die bereit sind, den Lötkolben in die Hand zu nehmen – aber auch an jene, die verstehen wollen, wie moderne Energiemesstechnik funktioniert. Wir beleuchten die historische Entwicklung der Leistungsmessung, gehen auf die Schwächen einfacher Sensoren ein, stellen hochwertigere Alternativen vor und liefern konkrete Aufbauanleitungen. Am Ende steht ein funktionsfähiges Gerät, das nicht misst, sondern erkennt.

Ein kurzer Gang in die Technikgeschichte: Von Drehspulinstrumenten zum ESP32

Die Geschichte der elektrischen Leistungsmessung beginnt im späten 19. Jahrhundert. Der Ungar Ottó Bláthy erfand 1889 das Wechselstrom-Wattmeter – ein elektrodynamisches Messwerk, bei dem strom- und spannungsproportionale Spulen über eine Drehachse ein Zeigersystem antrieben. Diese Geräte waren präzise, aber groß, teuer und fragil.

Mit der Verbreitung des Ferraris-Zählers (eingeführt um 1890) hielt die induktive Messung Einzug in die Haushalte. Eine Aluminiumscheibe dreht sich proportional zur verbrauchten Energie – ein mechanisches Wunderwerk, das bis heute in Kellern summt. Doch diese Geräte zeigen nur den kumulierten Verbrauch, nicht den momentanen.

Die Digitalisierung brachte ab den 1980er Jahren elektronische Haushaltszähler und schließlich Smart Meter. Parallel dazu entstanden im Hobbybereich erste Mikrocontroller-basierte Messgeräte. Der Arduino vereinfachte den Einstieg, der ESP32 brachte schließlich eingebaute Bluetooth- und WLAN-Fähigkeiten mit.

Das CYD ist ein Produkt dieser Reifezeit: Für unter 20 Euro bekommt man einen kompletten Computer mit Display, Touchscreen und Funk. Die Idee, daraus einen Energiemonitor zu bauen, liegt nahe. Die Schwierigkeit liegt wie so oft im Detail – konkret in der präzisen Erfassung von Spannung und Strom.

Das Gesamtkonzept: Wie das System funktioniert

Das System besteht aus zwei Hauptkomponenten:

1. Mess- und Speichereinheit (CYD)
   Das CYD mit angeschlossenen Sensoren misst in regelmäßigen Abständen (z. B. alle 5 Sekunden) die aktuelle Netzspannung und den fließenden Strom. Aus beiden Werten wird die Momentanleistung (in Watt) berechnet. Alle Messwerte werden mit einem Zeitstempel versehen und im internen Flash-Speicher (LittleFS) als CSV-Datei abgelegt.
2. Datenabruf und -auswertung (Laptop)
   Ein Taster am Gehäuse löst eine Bluetooth-Verbindung zum Laptop aus. Ein Python-Programm empfängt die gespeicherten Messdaten, speichert sie lokal als CSV-Datei und löscht sie anschließend auf dem CYD.

Diese Architektur hat mehrere Vorteile: Das CYD ist autark und benötigt keine permanente Verbindung zum PC. Daten werden nur bei Bedarf übertragen. Der Energieverbrauch des CYD selbst liegt im Bereich weniger Watt – weit unter dem, was typische Haushaltsgeräte verbrauchen.

Die Sensor-Herausforderung: Warum einfach nicht immer gut ist

Die in vielen Hobby-Tutorials empfohlenen Sensoren ZMPT101B (Spannung) und ACS712 (Strom) sind tatsächlich einfach zu handhaben und kostengünstig (je ca. 3–5 €). Sie liefern ein analoges Ausgangssignal, das direkt vom Analog-Digital-Wandler (ADC) des ESP32 gelesen werden kann. Doch genau hier liegen die Probleme.

Die Kombination aus relativ ungenauen analogen Sensoren und dem ohnehin nicht hochwertigen ADC des ESP32 führt zu Messwerten, die oft um 5–10 % oder mehr vom tatsächlichen Wert abweichen. Für eine grobe Einschätzung mag das reichen – für eine ernsthafte Verbrauchsanalyse ist es unzureichend.

Unschärfe erkennen: Wer seinen Stromverbrauch auf 1 % genau erfassen möchte, stößt hier an Grenzen. Das System ist eher für relative Vergleiche geeignet („Läuft die Pumpe jetzt oder nicht?“) als für absolute Eichmessungen. Das ist keine Schelte, sondern eine realistische Einordnung.

Hochwertige Alternativen bis 15 Euro

Die gute Nachricht: Für ein schmales Budget gibt es deutlich bessere Sensoren und Komponenten. Die folgende Tabelle fasst die vielversprechendsten Optionen zusammen, geordnet nach wachsender Komplexität.

1. ACS758 – Der bessere Hall-Sensor

Der ACS758 von Allegro MicroSystems ist der große Bruder des ACS712. Er verwendet eine verbesserte Hall-Sensorik mit geringerem Rauschen und besserer Temperaturkompensation. Lieferbar für verschiedene Strombereiche (50 A, 100 A, 150 A, 200 A). Das Ausgangssignal ist weiterhin analog (typisch 40 mV/A), aber wesentlich stabiler.

Einsatzgebiet: Wenn man auf analoge Messung setzen möchte, aber keine großen Drifts akzeptieren kann. Geeignet für Motorströme, Heizungen, Elektrowerkzeuge.

Anschluss (exemplarisch für 50A-Variante):

• VCC → 5 V (CYD)
• GND → GND
• VIOUT → ADC-Eingang (z. B. GPIO35)
• IP+ / IP- → in Reihe mit der Phase (230 V-Leitung)

⚠️ Sicherheitshinweis: Die Primärseite (IP+, IP-) führt Netzspannung! Alle Verbindungen müssen sicher isoliert und berührungssicher ausgeführt sein.

2. ADS1115 – Der externe Präzisions-ADC

Der ADS1115 von Texas Instruments ist ein 16-Bit-Analog-Digital-Wandler mit programmierbarem Verstärker (PGA). Er kommuniziert über I²C und kann bis zu 860 Messungen pro Sekunde durchführen. Das Besondere: Er ist extrem linear, temperaturstabil und besitzt eine eingebaute Referenzspannung.

Einsatzgebiet: Perfekt, wenn bereits analoge Sensoren (ZMPT101B, ACS758) vorhanden sind und deren Potenzial ausgeschöpft werden soll. Auch für andere analoge Messaufgaben (Temperatur, Licht, Druck) geeignet.

Anschluss (I²C):

Die analogen Eingänge A0–A3 werden mit den Sensorausgängen verbunden.

3. HLW8032 – Der professionelle Energiemess-IC

Der HLW8032 ist ein integrierter Schaltkreis, der speziell für die Leistungsmessung in Smart Home Anwendungen entwickelt wurde. Er verfügt über zwei getrennte Eingänge für Strom (über einen Shunt) und Spannung (über einen Spannungsteiler). Die Messwerte werden digital gefiltert und über eine UART-Schnittstelle ausgegeben. Eine Kalibrierung ist werksseitig erfolgt und im Chip hinterlegt.

Einsatzgebiet: Anspruchsvolle Eigenbauten, bei denen höchste Genauigkeit bei geringen Kosten gefragt ist. Erfordert etwas mehr Schaltungsverständnis (Spannungsteiler und Shunt müssen dimensioniert werden).

Typische Werte:

• Strom: 0–80 A (abhängig vom Shunt)
• Spannung: 0–1000 V (über externen Teiler)
• Genauigkeit: 1 % typisch
• Kommunikation: UART (9600 Baud, 8N1)

4. PZEM-004T V3.0 – Die Komplettlösung

Das PZEM-004T ist kein reiner Sensor, sondern ein komplettes Messmodul. Es enthält bereits einen Spannungsteiler, einen Stromwandler und einen HLW8032 (oder ähnlichen IC). Die Werte werden über einen TTL-UART-Ausgang oder optional über Modbus RTU ausgegeben. Angeschlossen wird das Modul direkt an die 230 V-Leitung (Phase und Neutralleiter). Der Strompfad wird durch eine integrierte Stromklemme geführt.

Einsatzgebiet: Die erste Wahl für alle, die eine robuste, genaue und dennoch einfache Lösung suchen. Benötigt einen UART-zu-TTL-Wandler (z. B. MAX485), der aber oft im Lieferumfang enthalten ist.

Anschluss (UART):

Die 230 V-Seite wird wie folgt angeschlossen:

• Phase (L) → Eingang des PZEM-004T
• Neutralleiter (N) → Eingang des PZEM-004T
• Ausgang des PZEM-004T → Verbraucher

Das Modul misst beide Größen simultan und gibt digitale Werte aus – ohne ADC-Ungenauigkeiten.

Vergleich der Messprinzipien im Überblick

Um die Unterschiede besser zu verstehen, hier eine grafische Gegenüberstellung:

text

                    Analoger Pfad                Digitaler Pfad
                    (ZMPT101B + ACS712)          (PZEM-004T / HLW8032)
230V AC ──┬──> ZMPT ──> analog ──> ESP32 ADC ──> Software-RMS
          │
          └──> ACS712 ─> analog ──> ESP32 ADC ──>

230V AC ──> PZEM-004T ──> HLW8032 ──> UART ──> ESP32 (digitale Werte)

Im analogen Pfad durchläuft das Signal mehrere potenziell fehlerbehaftete Stufen: Sensor-Toleranzen, Leitungseinstreuungen, ADC-Nichtlinearitäten, Temperaturgänge. Im digitalen Pfad werden Spannung und Strom bereits im Messmodul präzise erfasst und digital ausgegeben.

Konkrete Aufbauvarianten

Variante A: Einfach und kostengünstig (Gesamtkosten ca. 25 €)

Komponenten:

• CYD (ca. 15 €)
• ZMPT101B (ca. 5 €)
• ACS712 (ca. 5 €)

Bewertung: Ausreichend für erste Versuche, aber mit deutlichen Einschränkungen bei der Genauigkeit.

Variante B: Optimiert für Genauigkeit (Gesamtkosten ca. 35 €)

Komponenten:

• CYD (15 €)
• ACS758 (10 €)
• ADS1115 (10 €)
• ZMPT101B (5 €) – optional

Bewertung: Deutlich bessere Messwerte, erfordert jedoch I²C-Programmierung und etwas mehr Aufwand.

Variante C: Die Referenz (Gesamtkosten ca. 35 €)

Komponenten:

• CYD (15 €)
• PZEM-004T V3.0 (15 €)
• UART-Wandler (3 €, falls nicht dabei)

Bewertung: Höchste Genauigkeit bei geringstem Entwicklungsaufwand. Einziger Nachteil: Das PZEM-004T ist etwas größer.

Software-Adaption für die neuen Sensoren

Unabhängig vom gewählten Sensor muss die Software angepasst werden. Hier exemplarisch für das PZEM-004T (die komfortabelste Lösung).

Bibliothek installieren: Verwende die PZEM004Tv30-Bibliothek von olehs.

Code-Snippet:

cpp

#include <PZEM004Tv30.h>

PZEM004Tv30 pzem(&Serial2, 16, 17); // RX=GPIO16, TX=GPIO17

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  Serial2.begin(9600);
}

void loop() {
  float voltage = pzem.voltage();
  float current = pzem.current();
  float power = pzem.power();
  
  Serial.print("Spannung: "); Serial.print(voltage);
  Serial.print(" V, Strom: "); Serial.print(current);
  Serial.print(" A, Leistung: "); Serial.print(power);
  Serial.println(" W");
  
  delay(5000);
}

Für den ADS1115 wird die Bibliothek Adafruit_ADS1115 verwendet. Für den HLW8032 existieren mehrere Implementierungen auf GitHub.

Einsatzgebiete im Haushalt

Ein solcher Energiemonitor ist überraschend vielseitig:

• Kühl- und Gefriergeräte
  Lassen sich auf defekte Türdichtungen oder vereiste Verdampfer prüfen (erkennbar an längeren Laufzeiten oder häufigen Starts).
• Waschmaschine / Geschirrspüler
  Zeigt den Energieverbrauch pro Programm an und hilft, effiziente Einstellungen zu identifizieren.
• Heizungspumpen
  Veraltete Nassläuferpumpen verbrauchen oft 60–100 W, moderne Hocheffizienzpumpen nur 5–15 W. Mit dem Monitor lässt sich das Einsparpotenzial beziffern.
• Standby-Verbrauch
  Viele Geräte verbrauchen im Aus-Zustand weiter Strom. Der Monitor misst diesen „Leckstrom“ präzise.
• Photovoltaik-Eigenverbrauch
  Wer eine kleine PV-Anlage betreibt, kann mit zwei solcher Monitore (Bezug und Einspeisung) den Eigenverbrauch erfassen.

Sicherheitsaspekte und rechtliche Einordnung

Arbeiten an 230 V sind nicht trivial. Folgende Regeln sind zwingend:

1. Berührungsschutz: Alle spannungsführenden Teile müssen in einem isolierenden Gehäuse untergebracht sein (Kunststoffgehäuse aus dem Elektronikvertrieb).
2. Abstände: Zwischen 230 V-Leitungen und Niederspannungskomponenten (ESP32, Sensoren) müssen ausreichende Kriech- und Luftstrecken eingehalten werden (mind. 4 mm nach Norm).
3. Verkabelung: Verwende Aderendhülsen oder Schraubklemmen. Keine blanken Enden.
4. FI-Schutz: Das Gerät sollte hinter einem Fehlerstromschutzschalter betrieben werden.
5. Rechtlicher Hinweis: Ein selbst gebauter Energiemonitor ist kein geeichtes Messgerät. Die Werte dienen der Information, nicht der Abrechnung gegenüber Dritten. Für die Abrechnung von Mieterstrom oder Einspeisevergütungen sind geeichte Messgeräte vorgeschrieben.

Fazit: Vom Bastelprojekt zum Werkzeug

Die Umnutzung eines preiswerten CYD zum Energiemonitor ist ein Paradebeispiel für moderne Maker-Kultur. Es verbindet historisches Wissen über Messprinzipien mit heutigen Möglichkeiten der Mikrocontrollertechnik. Die Wahl des Sensors entscheidet über die Aussagekraft der Daten: Während einfache analoge Sensoren schnell an ihre Grenzen stoßen, liefern digitale Lösungen wie das PZEM-004T oder der HLW8032 präzise, reproduzierbare Werte.

Der besondere Wert dieses Projekts liegt nicht in der Perfektion des Messgeräts, sondern in der Bewusstseinsbildung. Wer seinen eigenen Stromverbrauch misst, versteht ihn. Und wer ihn versteht, kann ihn senken.

Quellen

• Allegro MicroSystems (2021). ACS758 Datasheet – High Precision Linear Hall Effect Current Sensor. Abgerufen von allegromicro.com
• Bláthy, O. T. (1889). Patent US38189A – Electric meter. United States Patent Office.
• Espressif Systems (2022). ESP32 Series Datasheet (Version 4.4). Abgerufen von espressif.com
• Texas Instruments (2019). *ADS111x Ultra-Small, Low-Power, 16-Bit Analog-to-Digital Converter with Internal Reference (Datasheet SBAS444C)*.
• Heltec Automation (2023). *CYD (Cheap Yellow Display) – ESP32-2432S028 Product Wiki*. Abgerufen von heltec.org
• OpenEnergyMonitor (2022). Building an Arduino energy monitor – CT sensor and ACAC adapter. Abgerufen von openenergymonitor.org
• VDE Verlag (2020). *DIN VDE 0100-410:2018-10 – Errichten von Niederspannungsanlagen – Teil 4-41: Schutzmaßnahmen – Schutz gegen elektrischen Schlag*.