DS18B20 – Temperaturdaten loggen und visualisieren
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In diesem Projekt wird ein Temperatur-Logger mit dem digitalen 1-Wire-Sensor DS18B20 am Raspberry Pi realisiert. Ergänzend zur reinen Temperaturauslese werden Messwerte kontinuierlich in einer Textdatei protokolliert und aus diesen Daten automatisch ein Temperaturverlauf als Grafik erzeugt. Der Logger lässt sich über ein Kommandozeilen-Interface steuern und speichert Messdaten sowie das Diagramm lokal oder zur Anzeige im Webserver-Verzeichnis.
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Der Temperaturverlauf im Browser wird nur angezeigt, wenn zuvor das Programm temp_logger.py im Terminal gestartet und die Messung mit start begonnen wurde. In diesem Beispiel wurde die Messung noch nicht gestartet. |
Überblick
Voraussetzungen
Hardware
Environment
Programmstruktur anlegen
Software
Testen
Details
Voraussetzungen
Das Projekt
DS18B20 digitaler Temperatursensor muss vollständig durchgeführt sowie erfolgreich getestet worden sein, da derselbe Aufbau (Verkabelung und Hardware) weiterverwendet wird.
Nutzung lokal:
Für die reine lokale Verwendung des Loggers sind keine weiteren Projekte erforderlich.
Nutzung mit Webausgabe:
Hierfür muss zuvor das DokuWiki-Projekt zur Einrichtung des Webservers abgeschlossen worden sein. Idealerweise wurde auch das FastAPI-Projekt bereits durchgeführt.
Environment
Aktiviere die Python-Environment
Die Programmierung erfolgt nun immer mit der gewählten Umgebung!
source ~/devel/projects/course_env/bin/activate
Pakete & Bibliotheken installieren
Jetzt die ENV aktivieren (falls noch nicht geschehen) und dann erst installieren:
pip install matplotlib
Programmstruktur
(course_env) pi@raspi88:~/devel/projects/course_temp_logger $ tree
.
├── data
│ ├── temperature.png # wird automatisch erstellt
│ └── temperature.txt # wird automatisch erstellt
└── src
├── core
│ ├── hardware.py # aus dem vorherigen Projekt!
│ ├── __init__.py
│ └── temperature_logger.py
└── temp_logger.py # Hauptprogramm
Software
Im folgenden Abschnitt wird die vollständige Software zur Datenerfassung, Speicherung und grafischen Darstellung der Temperaturwerte beschrieben.
Quellcode
hardware.py
Die Datei hardware.py (API) bleibt unverändert und wird hier der Vollständigkeit halber erneut vollständig aufgeführt.
Quellcode: ''hardware.py''
- hardware.py
import glob
import time
# -----------------------------
# API-Funktionen ds18b20
# -----------------------------
SENSOR_TIMEOUT = 1 # Sekunden
def is_sensor():
"""Prüft, ob mindestens ein DS18B20 Sensor angeschlossen ist"""
sensors = glob.glob("/sys/bus/w1/devices/28-*")
return len(sensors) > 0
def get_sensor():
"""Gibt den ersten DS18B20 Sensor zurück oder None"""
if not is_sensor():
return None
sensors = glob.glob("/sys/bus/w1/devices/28-*")
return sensors[0] + "/w1_slave"
def get_temperature():
"""Liest Temperatur vom ersten Sensor aus, None bei Fehler oder Timeout"""
sensor_file = get_sensor()
if sensor_file is None:
return None
start_time = time.time()
while True:
with open(sensor_file, "r") as f:
lines = f.readlines()
if lines[0].strip().endswith("YES"):
break
if time.time() - start_time > SENSOR_TIMEOUT:
return None
time.sleep(0.1)
temp_line = lines[1]
temp_str = temp_line.split("t=")[1]
return float(temp_str) / 1000.0
temperature_logger.py
In der Datei temperature_logger.py kann die Variable MODE die Werte local oder web annehmen.
Hinweis
Die dafür notwendigen Voraussetzungen wurden bereits in einem vorherigen Projekt (DokuWiki) geschaffen:
Der Benutzer pi ist Mitglied der Gruppe www-data. Dadurch besitzt er die erforderlichen Schreibrechte, um die Datei in das angegebene Webverzeichnis zu speichern.
Quellcode: ''temperature_logger.py''
- temperature_logger.py
import time
import threading
from datetime import datetime
from pathlib import Path
import matplotlib
matplotlib.use("Agg")
import matplotlib.pyplot as plt
from core.hardware import get_temperature
# MODE = "local" oder "web"
MODE = "local"
if MODE == "local":
DATA_DIR = Path("~/devel/projects/course_temp_logger/data").expanduser()
elif MODE == "web":
DATA_DIR = Path("/var/www/html/temp_curve").expanduser()
else:
raise ValueError("MODE muss 'local' oder 'web' sein")
DATA_DIR.mkdir(parents=True, exist_ok=True)
DATA_FILE = DATA_DIR / "temperature.txt"
PLOT_FILE = DATA_DIR / "temperature.png"
INTERVAL = 5 # Sekunden (Auflösung / Messintervall)
running = False
thread_started = False
lock = threading.Lock()
def set_interval(seconds: int):
global INTERVAL
if seconds < 1:
seconds = 1
INTERVAL = seconds
def generate_plot():
times = []
temps = []
if DATA_FILE.exists():
with open(DATA_FILE, "r") as f:
for line in f:
parts = line.strip().split()
if len(parts) == 2:
times.append(parts[0])
temps.append(float(parts[1]))
plt.figure()
plt.title("Temperaturverlauf")
plt.xlabel("Zeit")
plt.ylabel("Temperatur (°C)")
if temps:
plt.plot(temps)
step = max(1, len(times) // 10)
plt.xticks(range(0, len(times), step),
times[::step],
rotation=45)
else:
plt.text(
0.5,
0.5,
"Keine Messdaten",
ha="center",
va="center",
transform=plt.gca().transAxes,
)
plt.tight_layout()
plt.savefig(PLOT_FILE)
plt.close()
def worker():
global running
while True:
with lock:
active = running
interval = INTERVAL
if active:
temp = get_temperature()
if temp is not None:
now = datetime.now().strftime("%H:%M:%S")
with open(DATA_FILE, "a") as f:
f.write(f"{now} {temp}\n")
generate_plot()
time.sleep(interval)
else:
time.sleep(0.2)
def ensure_thread():
global thread_started
if not thread_started:
t = threading.Thread(target=worker, daemon=True)
t.start()
thread_started = True
def start():
ensure_thread()
global running
with lock:
running = True
def stop():
global running
with lock:
running = False
def reset():
stop()
DATA_FILE.write_text("")
generate_plot()
Hauptprogramm
Das eigenständige Programm temp_logger.py dient als Kommandozeilen-Interface zur Steuerung des Temperatur-Loggers.
Es ermöglicht das Starten und Stoppen der Messung, das Setzen des Messintervalls sowie das Zurücksetzen der gespeicherten Daten.
Die eigentliche Messung läuft in einem Hintergrund-Thread. Dadurch bleibt die Kommandozeile reaktionsfähig und kann weiterhin Befehle entgegennehmen, während im Hintergrund kontinuierlich Temperaturwerte erfasst, gespeichert und grafisch ausgewertet werden.
Während der Laufzeit werden die erfassten Messwerte in die Datei data/temperature.txt geschrieben. Zusätzlich wird nach jeder Messung automatisch eine Grafik (data/temperature.png) erzeugt bzw. aktualisiert, die den Temperaturverlauf darstellt.
Quellcode ''temp_logger.py''
- temp_logger.py
#!/usr/bin/env python3
from core import temperature_logger as temp
PROMPT = "> "
SHORT_HINT = "h = Hilfe"
VERSION = "v1.0.0"
def print_short_banner():
print("Temperatur-Logger " + VERSION)
print("Mit 'h' Hilfe anzeigen.\n")
def print_help():
print("""
VERFÜGBARE BEFEHLE
------------------
start | s Logger starten
stop | p Logger stoppen
reset | r Messwerte zurücksetzen
interval <sek> | i <sek> Messintervall setzen
status | t Status anzeigen
help | h Diese Hilfe anzeigen
exit | x Programm beenden
""")
def handle_interval(cmd: str):
parts = cmd.split()
if len(parts) == 2 and parts[1].isdigit():
temp.set_interval(int(parts[1]))
print("OK")
else:
print("Verwendung: interval <sek>")
def handle_status():
state = "RUNNING" if temp.running else "STOPPED"
print(f"STATUS : {state}")
print(f"INTERVALL: {temp.INTERVAL}")
def main():
print_short_banner()
while True:
try:
cmd = input(PROMPT).strip().lower()
except (EOFError, KeyboardInterrupt):
print()
temp.stop()
break
if not cmd:
continue
if cmd in ("start", "s"):
temp.start()
elif cmd in ("stop", "p"):
temp.stop()
elif cmd in ("reset", "r"):
temp.reset()
elif cmd.startswith("interval") or cmd.startswith("i "):
handle_interval(cmd)
elif cmd in ("status", "t"):
handle_status()
elif cmd in ("help", "h"):
print_help()
elif cmd in ("exit", "x"):
temp.stop()
break
else:
print(f"Unbekannter Befehl ({SHORT_HINT})")
if __name__ == "__main__":
main()
Testen
Das Programm kann sowohl lokal im Terminal als auch über den Webbrowser getestet werden.
Für die Webausgabe gelten die im Abschnitt „Voraussetzungen“ beschriebenen Bedingungen.
Hinweis
Wird die Messung mit start begonnen, werden in regelmäßigen Abständen Temperaturwerte erfasst, die in der Datei (temperature.txt) gespeichert werden. Zusätzlich wird nach jeder Messung automatisch eine aktualisierte Grafik des Temperaturverlaufs erzeugt.
Die Erfassung erfolgt entsprechend dem eingestellten Messintervall, sodass neue Messwerte erst nach einigen Sekunden sichtbar werden. Das Programm führt die Messung kontinuierlich im Hintergrund aus, bis sie mit stop beendet oder das Programm mit exit geschlossen wird.
Vor dem Testen prüfen, welcher
MODE in
temperature_logger.py gesetzt ist:
Für die Webausgabe muss MODE = „web“ gesetzt sein.
Terminal
Zur Überprüfung wird das Programm im Verzeichnis src gestartet:
chmod 755 temp_logger.py
./temp_logger.py
- Beispiel Ausgabe
Temperatur-Logger v1.0.0
Mit 'h' Hilfe anzeigen.
> h
VERFÜGBARE BEFEHLE
------------------
start | s Logger starten
stop | p Logger stoppen
reset | r Messwerte zurücksetzen
interval <sek> | i <sek> Messintervall setzen
status | t Status anzeigen
help | h Diese Hilfe anzeigen
exit | x Programm beenden
> start
(Programm misst im Hintergrund …)
> stop
>
Nach dem Start erscheint die Kommandozeilen-Oberfläche des Temperatur-Loggers.
Im obigen Beispiel wurde mit dem Befehl h die Hilfe angezeigt.
Die Befehle können entweder vollständig ausgeschrieben (z. B. start) oder in der angegebenen Kurzform (z. B. s) verwendet werden, um das Programm zu starten.
Die erzeugten Dateien befinden sich im Verzeichnis data:
ls
temperature.png # erzeugte Grafik
temperature.txt # Messdaten
Die Grafik kann anschließend mit folgendem Befehl betrachtet werden:
feh temperature.png
 |
Bildausgabe mit dem Befehl feh |
Webseite
In diesem Abschnitt wird die einfache HTML-Struktur beschrieben, mit der das Projekt über den Webbrowser erreichbar ist und der automatisch erzeugte Temperaturverlauf grafisch dargestellt wird.
Zum Testen im Browser genügt es, die IP-Adresse des Raspberry Pi in die Adresszeile einzugeben.
Der Apache-Webserver liefert automatisch die Datei index.html aus, die als Startseite angezeigt wird.
 |
| Bildausgabe über den Webbrowser |
index.html
Die Datei index.html dient als Startseite und enthält eine Übersicht der verfügbaren Projekte sowie einen Link zur Anzeige des Temperaturverlaufs.
- index.html
<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
<title>Projekt Auswahl</title>
</head>
<body>
<h1>Projekt Auswahl</h1>
<ul>
<li><a href="/wiki">DokuWiki</a></li>
<li><a href="/led">LED Ampel</a></li>
<li><a href="/temp">Temperatur</a></li>
<li><a href="/temp_curve/temperature.html">Temperatur Verlauf</a></li>
</ul>
</body>
</html>
temperature.html
Die Datei temperature.html zeigt das vom Logger erzeugte Bild temperature.png an und ermöglicht so die grafische Darstellung des aktuellen Temperaturverlaufs im Browser.
- temperature.html
<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
<title>Temperatur Verlauf</title>
</head>
<body>
<h1>Temperatur Verlauf</h1>
<p>Aktueller Temperaturverlauf:</p>
<img src="temperature.png" alt="Temperaturverlauf">
<br><br>
<a href="/">Zurück</a>
</body>
</html>
Die Dateien index.html und temperature.html müssen sich im Webverzeichnis /var/www/html/ bzw. im Unterordner /var/www/html/temp_curve/ befinden, damit sie vom Webserver korrekt ausgeliefert werden können.