Raspberry Pi Pico W als schnurloses Thermometer (mit MQTT)

Wenn ein Raspberry Pi Pico als Sensor verwendet wird, der irgendwelche Werte erfasst, dann möchte man diese Daten in irgendeiner Weise aus dem System herausbekommen.
Bei einem Raspberry Pi Pico W mit WLAN-Funkchip könnte man die Daten per WLAN an eine Gegenstelle übertragen.

Beispielhaft wollen wir die Daten des integrierten Temperatur-Sensors an einen MQTT-Broker übertragen.

MQTT

Message Queue Telemetry Transport, kurz MQTT, ist ein äußerst einfach aufgebautes Kommunikationsprotokoll für den Nachrichtenaustausch zwischen Geräten in Umgebungen mit geringer Bandbreite und instabilen Verbindungen. Typischerweise lassen sich mit MQTT Sensordaten, wie Temperatur oder Füllstände, übertragen. Aber auch klassische Nachrichten oder Kurzmitteilungen.

MQTT - Message Queue Telemetry Transport

Die Kommunikation erfolgt über das MQTT-Protokoll mit einem MQTT-Broker, der den Temperaturwert entgegennimmt. Hierzu ist ein MQTT-Broker im eigenen Netzwerk notwendig. Dafür eignet sich zum Beispiel ein Raspberry Pi.

Raspberry Pi: MQTT-Broker Mosquitto installieren und konfigurieren

MQTT-Bibliothek für MicroPython

Die Kommunikation des Raspberry Pi Pico als MQTT-Publisher oder -Subscriber wird von MicroPython nicht direkt unterstützt. Dazu ist für MicroPython eine externe Bibliothek notwendig, die heruntergeladen und auf dem Pico gespeichert werden muss. Als MQTT-Bibliothek verwenden wir „umqtt.simple“.

Damit der folgende Programmcode die Bibliothek findet, muss die heruntergeladene Datei auf Deinem Raspberry Pi Pico mit dem Dateinamen „umqtt_simple.py“ gespeichert sein.

MQTT-Broker

Wenn man nun mit MQTT experimentieren will, braucht man mindestens einen Publisher, einen Broker und einen Subscriber. Man braucht also für eine Teststellung mindestens drei Geräte oder Software-Implementierungen.
Wenn man keinen eigenen MQTT-Broker hat, kann man den Test-Broker mit der Adresse test.mosquitto.org verwenden. Allerdings ist die Verbindung in der Regel unsicher und der Server unter Umständen nicht verfügbar oder überlastet. Der ist zum Testen, aber nicht für den Produktiv-Betrieb geeignet.

Programmcode

Im folgenden Programmcode wird zuerst eine Verbindung mit einem WLAN hergestellt. Hierzu sind die Zugangsdaten korrekt einzutragen.

wlanSSID: Das ist der Name des WLANs zu dem eine Verbindung hergestellt werden soll.
wlanPW: Das ist das WLAN-Passwort von dem WLAN.

Desweiteren muss hier die Adresse des MQTT-Brokers hinterlegt werden, der sich in Deinem lokalen Netzwerk befinden sollte.

mqttBroker: Hier muss die IPv4-Adresse des MQTT-Brokers bzw. -Servers im Netzwerk eingetragen sein.
mqttClient: Das ist der Name des MQTT-Clients.
mqttUser: Benutzername für den Client zur Authentifizierung gegenüber dem MQTT-Broker. (optional)
mqttPW: Passwort zum Benutzernamen für die Authentifizierung. (optional)
mqttTopic: Bezeichner für den Wert, der an den Broker übermittelt wird. Standardmäßig ist der Bezeichner „picotemp“ und der übermittelte Wert die ermittelte Temperatur.

Nach dem WLAN-Verbindung hergestellt und der Taster initialisiert wurde, wird in einer Endlos-Schleife die Temperatur ermittelt. Dann wird die Verbindung zum MQTT-Broker hergestellt und ein „Publish“ ausgelöst. Danach wird die MQTT-Verbindung beendet.

# Bibliotheken laden
import machine
import network
import time
from umqtt_simple import MQTTClient

# WLAN-Konfiguration
wlanSSID = 'WLANSSID'
wlanPW = 'WLANPASSWORD'
network.country('DE')

# MQTT-Konfiguration
mqttBroker = '192.168.0.10'
mqttClient = 'pico'
mqttUser = 'mqttuser'
mqttPW = ''
mqttTopic = b"picotemp"

# Status-LED für die WLAN-Verbindung
led_onboard = machine.Pin('LED', machine.Pin.OUT, value=0)

# Initialisierung des Sensors
sensor_temp = machine.ADC(4)

# Funktion: Temperatur abrufen und umrechnen
def getTemp():
    read = sensor_temp.read_u16()
    spannung = read * 3.3 / (65535)
    temperatur = 27 - (spannung - 0.706) / 0.001721
    return temperatur

# Funktion: WLAN-Verbindung herstellen
def wlanConnect():
    wlan = network.WLAN(network.STA_IF)
    if not wlan.isconnected():
        print('WLAN-Verbindung herstellen:', wlanSSID)
        wlan.active(True)
        wlan.connect(wlanSSID, wlanPW)
        for i in range(10):
            if wlan.status() < 0 or wlan.status() >= 3:
                break
            led_onboard.toggle()
            print('.')
            time.sleep(1)
    if wlan.isconnected():
        print('WLAN-Verbindung hergestellt / WLAN-Status:', wlan.status())
        print()
        led_onboard.on()
    else:
        print('Keine WLAN-Verbindung / WLAN-Status:', wlan.status())
        print()
        led_onboard.off()

# Funktion: Verbindung zum MQTT-Server herstellen
def mqttConnect():
    if mqttUser != '' and mqttPW != '':
        print("MQTT-Verbindung herstellen: %s mit %s als %s" % (mqttClient, mqttBroker, mqttUser))
        client = MQTTClient(mqttClient, mqttBroker, user=mqttUser, password=mqttPW, keepalive=60)
    else:
        print("MQTT-Verbindung herstellen: %s mit %s" % (mqttClient, mqttBroker))
        client = MQTTClient(mqttClient, mqttBroker, keepalive=60)
    client.connect()
    print()
    print('MQTT-Verbindung hergestellt')
    print()
    return client

# WLAN-Verbindung herstellen
wlanConnect()

# Funktion zur Taster-Auswertung
while True:
    myValue = str(getTemp())
    try:
        client = mqttConnect()
        client.publish(mqttTopic, myValue)
        print("An Topic %s gesendet: %s" %  (mqttTopic, myValue))
        print()
        client.disconnect()
        print('MQTT-Verbindung beendet')
        print()
    except OSError:
        print()
        print('Fehler: Keine MQTT-Verbindung')
        print()
    # 60 Sekunden warten
    time.sleep(60)

Der Programmcode läuft im Prinzip endlos, sofern kein Fehler produziert wird. Mit STRG + C kann man den Programmcode in Thonny regulär beenden.

Mehr Informationen zur Temperaturmessung

Temperatur messen ist eine beliebte Mikrocontroller-Anwendung. Das hat durchaus auch praktische Relevanz. Es gibt viele Anwendungen, bei denen Motoren, Pumpen, Heizungen und Lüfter temperaturabhängig geschaltet werden.
Der im Pico integrierte Temperatursensor ist allerdings nicht zum Messen einer Raum-Temperatur eignet. Er misst die Temperatur des Picos, die von der Wärmeentwicklung des Mikrocontrollers beeinflusst wird. Für eine Temperatur-Regelung ist ein externer Temperaturfühler notwendig.

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