Система мониторинга потребления электричества

Сегодня мы построим систему, которая позволит измерять текущую потребляемую электрическую мощность в доме/квартире.

Особенностью этой системы будет то, что для измерения не потребуется никакого вмешательства в силовую электрическую сеть (неинвазивный метод).
Более того, сделаем эту систему беспроводной (необязательно, но очень просто и полезно).

Использовать будем вот такой датчик:

Этот датчик просто одевается на силовой провод (обязательно на один провод!) и имеет токовый выход, уровень сигнала с которого прямо пропорционален протекующему через силовой провод току. Датчик позволяет измерить ток до 100А.

Как и в предыдущей статье, мы будем использвать комплектующие серии Grove. Нам понадобится:

• Ардуино (или любой клон) с 168 или 328 "камушком" - 1 шт.
• Grove Base Shield - 1 шт. 
• Дисплей OLED (серии Grove) - 1 шт. 
• Модуль кнопки (серии Grove) - 1 шт. 
• Датчик переменного тока 100А - 1 шт. 
• Протоплата (серии Grove) - 1 шт. 
• 3 резистора (33 Ом - 1 шт., 10 кОм - 2 шт.)
• 1 конденсатор (10 мкФ х 16В)
• Разъем jack 3.5мм - 1 шт. 
• 4-х контактный кабель (серии Grove) - 4 шт. 
• Крепление для ардуино - 1 шт. (необязательно, но очень удобно)

На этом можно ограничиться. Но если захочется сделать беспроводную передачу данных, дополнительно потребуется:

• Ардуино нано (или любой клон) с 168 или 328 "камушком" - 1шт. 
• RF-кит (приемник и передатчик) на частоту 433МГц (серии Grove) - 1 шт. 
• Беспаечная макетная плата - 1 шт.
• Перемычки и кабель для подключения RF-приемника.

Аппаратная конфигурация

Сначала необходимо разобраться с подключением датчика тока. Выход датчика является токовым и напрямую подключить его к ардуине нельзя.

Подключение такого датчика (и многих подобных) можно осуществить по схеме:

В схеме нет ничего сложного. Номиналы резисторов - 33 Ом (тот, что параллельно датчику тока - самый левый на схеме) и 10 кОм (одинаковые - образуют делитель напряжения). Почему выбрана именно такая схема и обоснование номиналов можно прочитать в первоисточнике.

Чтобы нам было удобно - разместим все элементы на модуле протоплаты. Сначала удобнее распаять разъем для подключения датчика, а затем произвести монтаж остальных навесных элементов. Получается вот такая конструкция:

У нас в хозяйстве не нашлось резистора в 33 Ом, но нашлись резисторы по 100 Ом - воспользовались законом Ома (поставили три резистора в параллель и получили необходимое сопротивление). 

После этого несложного подготовительного этапа можно приступать к сборке нашего "прибора".

Подключаем в следующем порядке:

• Выход датчика тока - на вход A0
• Модуль кнопки - D5
• RF-передатчик - D2
• OLED-дисплей - к шине IIC (SDA - A4, SCL - A5).

"Прибор" в сборе (на фото хорошо видно расположение разъемов, к которым производится подключение):

Программная часть

Основная составляющая кода - библиотеки для работы соответствующих устройств (OLED-дисплей, библиотека VirtualWire для беспроводного модуля), основу же для работы датчика тока мы возьмем из проекта OpenEnergyMonitor (библиотека EmonLib). 

В функции setup() мы производим инициализацию всех подключенных элементов (дисплей, датчик, RF-передатчик)  и в три шага проводим калибровку нашего прибора:

1. С помощью дисплея просим пользователя подключить датчик (пока датчик на кабель не одеваем) и после этого - нажать на кнопку
2. Прибор производит измерение "нулевых" значений (которые на самом деле - ненулевые), высчитывает среднее значение и запоминает его как поправочное значение (переменная delta)
3. Предлагаем пользователю подключить датчик на провод и подтвердить свое действие нажатием на кнопку.

Датчик лучше подключить после стабилизатора питания

Таким образом, в функции setup() у нас происходит первичная настройка прибора.

В основной функции (loop()) у нас в каждом цикле производится замер среднеквадратичного значения тока (переменная sIrms), вычисляется значение потребляемой мощности Pcur (по формуле Pcur = sIrms*220) и происходит формирование максимального и минимального значения потребления (переменные Pmax и Pmin, соответственно). 

Наиболее внимательные из вас могут сказать, что использование в формуле значения текущего напряжения (220) - не совсем хорошо, ведь напряжение может отличаться от "стандартного" и правильнее было бы его тоже измерять. Это правильное замечание, но мы будем считать, что напряжение соотвествует ГОСТ и его колебания находятся в пределах +5% и просто смиримся с тем, что погрешность нашего прибора будет примерно на этом же уровне. Так же для большей точности рекомендуем использовать этот прибор после стабилизатора напряжения.

В каждом цикле производится вывод этих параметров на дисплей. 

Дополнительно в каждом цикле происходит отправка значения потребляемой мощности через RF-передатчик.

Архив с полным кодом скетча (mon_pow_oled_rf) и всеми необходимыми библиотеками находится в файле, ссылка на который приведена в конце статьи.

Если вы сделали все правильно, то на дисплее (после процесса калибровки) отобразится примерно следующее:

Первый параметр - текущая потребляемая мощность (в кВт), далее следует среднеквадратичное значение тока (в А), последние два параметра - максимальное и минимальное значение потребляемой мощности.

Как видите, такой прибор просто сделать и результат его работы виден сразу.

Беспроводная передача данных

Наш прибор уже отлично функционирует, но для того, чтобы видеть значения потребляемой мощности, к нему необходимо подойти и посмотреть, что же отображается на дисплее. 

Но мы не зря сразу подключили к нашему устройству RF-передатчик. 

Теперь мы реализуем с помощью второй ардуинки приемник, который бы принимал отправленные значения и выводил его в терминал (вы потом самостоятельно можете модифицировать этот код и выводить значения, например, на другой дисплей).

Для этого на беспаечной макетке разместим ардуино nano и к его пину D2 подключим выход с RF-приемника (не забываем о том, что к модулю приемника надо еще и питание подвести - общий и +5В):

Если у вас нет комплектующих, что мы используем в статье - можете использовать те аналоги, что есть под рукой (например вместо ардуино nano и беспаечной макетки можно использовать любую полноформатную ардуино и просто проводками сделать аналогичное подключение RF-приемника).

Теперь необходимо в ардуино nano залить скетч mon_reciver и открыть монитор порта, чтобы убедиться, что данные успешно принимаются:

На этом мы закончим с нашей системой мониторинга потребления электричества.

Примечание: большая часть из приведенного списка комплектующих, что мы использовали сегодня, входят в следующие наборы:

1. Grove "стартовый набор" (или расширенная версия "стартовый набор плюс")
2. Набор перемычек
3. Набор электронных компонентов 20в1

Архив со скетчами и необходимыми библиотеками находится по ссылке.