🏭 ESP8266 MQTT Scale – Intelligente Waagen für die Modellfabrik „NordSteck"

Cyber-Physisches System (CPS) zur Echtzeit-Prozessüberwachung in einer Lean-Modellfabrik.
Entwickelt im Rahmen des Moduls Prozess- und Operationsmanagement.

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📋 Übersicht

Dieses Repository enthält den vollständigen Quellcode für ein IoT-basiertes Waagensystem, das auf dem ESP8266 (Wemos D1 R2) Mikrocontroller aufbaut. Sechs identische Hardware-Einheiten mit jeweils angepasster Software erfassen Prozessdaten in einer Modellfabrik und übermitteln diese in Echtzeit per MQTT an ein zentrales Raspberry Pi Gateway mit Node-RED.

Kernfunktionen

• ⚖️ Gewichtsbasierte Stückzahlerfassung mittels HX711 / Dehnungsmessstreifen (DMS)
• 📡 Echtzeit-Datenübertragung über MQTT (Publish/Subscribe)
• 🚦 Lokales Andon-System mit RGB-LED (Ampel) und 16×2 LCD-Display
• 🔄 Tare-Funktion per physischem Taster
• 🌡️ Umgebungssensorik (Temperatur & Luftfeuchtigkeit via DHT11)
• 📊 Dashboard-Visualisierung über Node-RED (Andon-Beamer, Management-Laptop, Lieferanten-Smartphone)

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🗂️ Projektstruktur

esp8266-mqtt-scale/
├── calibration/
│   └── calibration.ino        # Kalibrierungstool für den HX711
├── zugentlastung/
│   ├── zugentlastung.ino      # Basis-Algorithmus: Vormontage Zugentlastung
│   └── secrets.h              # WLAN- & MQTT-Konfiguration
├── endmontage/
│   ├── endmontage.ino         # Modifizierter Algorithmus: Endmontage (EM1/EM2)
│   └── secrets.h              # WLAN- & MQTT-Konfiguration
├── quality/
│   ├── quality.ino            # Inkrementeller Zähler: Qualitätskontrolle (Gut/Schlecht)
│   └── secrets.h              # WLAN- & MQTT-Konfiguration
├── climate_monitor/
│   ├── climate_monitor.ino    # Sonderfall: Temperatur- & Feuchtigkeitssensor (DHT11)
│   └── secrets.h              # WLAN- & MQTT-Konfiguration
├── wiring_guide.md            # Pin-Belegung / Verdrahtungsplan
└── README.md

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⚙️ Hardware

Komponenten pro Waage

Komponente	Beschreibung
Wemos D1 R2	Mikrocontroller mit ESP8266 & integriertem WiFi
HX711	24-Bit A/D-Wandler mit Vorverstärker für die Wägezelle
Dehnungsmessstreifen (DMS)	Wägezelle / Load Cell (Biegebalken-Prinzip)
I2C LCD 16×2	Display zur Anzeige von Station und Bestand
RGB LED (Common Cathode)	Andon-Ampel (Rot / Orange / Grün)
Taster	Tare / Reset / Restock-Funktion
DHT11 (nur climate_monitor)	Temperatur- und Luftfeuchtigkeitssensor

Verdrahtung (Pin-Belegung)

Die vollständige Pin-Belegung ist in wiring_guide.md dokumentiert. Kurzübersicht:

Peripherie	Pin am Wemos D1 R2
HX711 DT (Data)	D5 (GPIO 14)
HX711 SCK (Clock)	D6 (GPIO 12)
LCD SDA	D14 (GPIO 4)
LCD SCL	D15 (GPIO 5)
Taster (Signal)	D7 (GPIO 13)
Taster (GND)	RX (GPIO 3, Virtual GND)
LED Rot	TX (GPIO 1)
LED Grün	D2 (GPIO 16)
LED Blau	D10 (GPIO 15)

Hinweis: Die Pins D3 und D4 (GPIO 0 / 2) bleiben frei – sie können im Boot-Mode Probleme verursachen, wenn Peripherie angeschlossen ist.

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🧠 Software-Varianten

Die sechs Waagen nutzen identische Hardware, unterscheiden sich aber in ihrer Software-Konfiguration:

1. zugentlastung/ – Basis-Algorithmus (Vormontage)

• Prinzip: Stückzahl = Gesamtgewicht ÷ Einzelteilgewicht
• Anwendung: Bestandsüberwachung von Kleinteilen (Zugentlastungen, ~1,58 g/Stk.)
• Puffer: 4 Einheiten (digitales Kanban)
• LED-Logik: Grün (1–3) · Orange (4) · Rot (0 oder >4) · Rot blinkend (>5)
• MQTT Topic: factory/scale/zugentlastung

2. endmontage/ – Modifizierter Algorithmus (Endmontage 1 & 2)

• Prinzip: Wie Zugentlastung, aber mit invertierter Tare-Logik
• Anwendung: Steckergehäuse-Bestände an der Endmontage
• Besonderheit: Tare setzt den Zähler auf den vollen Behälterstand zurück (nicht auf 0)
• Konfiguration: #define STATION_ID 1 oder 2 im Code
• LED-Logik: Grün (>6) · Orange (4–6) · Rot (2–3) · Rot blinkend (≤1)
• MQTT Topics: factory/scale/em1, factory/scale/em2

3. quality/ – Inkrementeller Zähler (Qualitätskontrolle)

• Prinzip: Nur positive Gewichtsflanken werden gezählt (n+1)
• Anwendung: Gut- und Schlechtteile an der QS-Station
• Besonderheit: Negative Gewichtsänderungen (z. B. Kiste leeren) werden ignoriert
• Konfiguration: #define STATION_TYPE 0 (Gut) oder 1 (Schlecht)
• MQTT Topics: factory/scale/qm/good, factory/scale/qm/bad

4. climate_monitor/ – Umgebungserfassung (Retrofitting)

• Prinzip: DHT11-Sensor statt Wägezelle
• Anwendung: Temperatur & Luftfeuchtigkeit in der Fabrikhalle
• LED-Logik: Grün (20–25°C, 40–60%) · Orange (Warnung) · Rot (Kritisch)
• MQTT Topics: factory/climate/temp, factory/climate/humidity

5. calibration/ – Kalibrierungstool

• Zweck: Ermittlung des HX711-Kalibrierungsfaktors
• Verwendung: Vor der Erstinbetriebnahme oder nach Sensorwechsel

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🚀 Erste Schritte

Voraussetzungen

• Arduino IDE (oder PlatformIO)
• Board: ESP8266 Boards (http://arduino.esp8266.com/stable/package_esp8266com_index.json)
• Bibliotheken:
  • HX711 – Load Cell Amplifier
  • PubSubClient – MQTT Client
  • LiquidCrystal_I2C – LCD Display
  • ESP8266WiFi – WiFi (im ESP8266-Board-Paket enthalten)
  • DHT – (nur für climate_monitor)

Installation

1. Repository klonen:

   git clone https://github.com/FirstRaid/esp8266-mqtt-scale.git

2. secrets.h anpassen (in jedem Unterordner):

   #ifndef SECRETS_H
   #define SECRETS_H
   
   // WiFi Configuration
   #define WIFI_SSID "DEIN_WLAN_NAME"
   #define WIFI_PASS "DEIN_WLAN_PASSWORT"
   
   // MQTT Broker Configuration
   #define MQTT_SERVER "192.168.4.1"   // IP des Raspberry Pi
   #define MQTT_PORT 1883
   #define MQTT_TOPIC "factory/scale"  // Basis-Topic
   
   #endif

3. Kalibrierung durchführen:

   • calibration/calibration.ino auf den Wemos D1 flashen
   • Serial Monitor öffnen (115200 Baud)
   • Bekanntes Gewicht auflegen (z. B. 100 g)
   • Kalibrierungsfaktor berechnen: Faktor = Rohwert / bekanntes Gewicht
   • Faktor in der jeweiligen *.ino Datei als calibration_factor eintragen

4. Sketch flashen:

   • Gewünschten Sketch öffnen (z. B. zugentlastung/zugentlastung.ino)
   • Board: LOLIN(WEMOS) D1 R2 & mini auswählen
   • Upload starten

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🌐 Systemarchitektur

┌─────────────────────────────────────────────────────────┐
│                    Raspberry Pi Gateway                  │
│         (WLAN Access Point + MQTT Broker + Node-RED)     │
│                                                          │
│   ┌──────────┐  ┌──────────────┐  ┌──────────────────┐  │
│   │ Mosquitto│  │   Node-RED   │  │    Dashboard     │  │
│   │  (MQTT)  │──│  (Logik &    │──│  (Visualisierung)│  │
│   │  :1883   │  │  Aggregation)│  │     :1880        │  │
│   └────▲─────┘  └──────────────┘  └──────────────────┘  │
│        │                                                 │
└────────┼─────────────────────────────────────────────────┘
         │  MQTT (WiFi)
         │
    ┌────┴──────────────────────────────────────┐
    │              POMPILAN WiFi                 │
    │                                            │
    ▼            ▼           ▼           ▼       ▼
┌────────┐ ┌────────┐ ┌────────┐ ┌────────┐ ┌────────┐
│Zugent- │ │  EM 1  │ │  EM 2  │ │QM Gut/ │ │Climate │
│lastung │ │        │ │        │ │Schlecht│ │Monitor │
└────────┘ └────────┘ └────────┘ └────────┘ └────────┘
  Waage 1    Waage 2    Waage 3   Waage 4+5   Waage 6

MQTT Topics

Topic	Beschreibung	Datenformat
factory/scale/zugentlastung	Bestand Zugentlastung	Integer (Stückzahl)
factory/scale/em1	Bestand Endmontage 1	Integer (Stückzahl)
factory/scale/em2	Bestand Endmontage 2	Integer (Stückzahl)
factory/scale/qm/good	Zähler Gutteile (QS)	Integer (kumulativ)
factory/scale/qm/bad	Zähler Ausschuss (QS)	Integer (kumulativ)
factory/climate/temp	Temperatur	Float (°C)
factory/climate/humidity	Luftfeuchtigkeit	Float (%)

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🖥️ Gateway & Dashboard

Raspberry Pi – Zugangsdaten

Parameter	Wert
WLAN SSID	POMPILAN
WLAN Passwort	POMPIPOM
SSH	ssh pompi@192.168.4.1
SSH Passwort	POMPIPOM
Node-RED UI	http://192.168.4.1:1880
Node-RED Login	pompi / POMPIPOM

Dashboard-Ansichten

• 🖥️ Andon (Beamer): Großflächige Projektion der kritischen KPIs (Produktionsziele, Qualitätsrate, Taktzeiten) auf der Shopfloor-Ebene
• 💻 Master (Laptop): Aggregierte Gesamtansicht aller Stationen für das Operations Management
• 📱 Lieferant (Smartphone): Bestellauslösung und Bearbeitungs-Timer für die Supply Chain

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📐 Konstruktion

Das Gehäuse wurde mittels 3D-Druck (additive Fertigung) realisiert und folgt dem Biegebalken-Prinzip für den DMS:

• Eine Seite des Sensors ist fest fixiert (Gehäusesockel)
• Die gegenüberliegende Seite ist durch die aufgebrachte Last frei verformbar (Waagschale/Deckel)
• Interaktionselemente (LCD, Taster, RGB-LED) sind formschlüssig in die Frontblende eingelassen
• Der Mikrocontroller ist im Gehäuseinneren frei gelagert (Toleranzausgleich, Wartung)
• Alle Kabel sind so fixiert, dass sie die bewegliche Waagschale nicht berühren (Vermeidung von Messfehlern)

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🧪 Kontext: Modellfabrik „NordSteck"

Dieses Projekt wurde im Rahmen eines universitären Planspiels entwickelt, um eine Lean-Modellfabrik auf Industrie-4.0-Niveau zu heben. Die Waagen fungieren als Cyber-Physische Systeme (CPS), die die drei Zieldimensionen des „Magischen Dreiecks" abdecken:

Dimension	Erfassung
Zeit	Taktzeiten (Δ zwischen Zeitstempeln)
Qualität	Gut-/Schlechtteil-Verhältnis (QS-Waagen)
Kosten	Durchlaufbestände / WIP (Bestandswaagen)

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📄 Lizenz

Dieses Projekt ist Teil einer akademischen Arbeit und wird „as-is" zur Verfügung gestellt.