Strona używa cookies (ciasteczek). Dowiedz się więcej o celu ich używania i zmianach ustawień. Korzystając ze strony wyrażasz zgodę na używanie cookies, zgodnie z aktualnymi ustawieniami przeglądarki.    X

Zdalny miernik energii elektrycznej

Jak niektórym wiadomo, "produkuję" stacje meteo. Naprodukowałem już chyba jedenaście modeli, a kolejne trzy oczekują na części.

Po co? Bo lubię. Usprawnianie ich, dorabianie nowych rzeczy jest po prostu miłym hobby. A że są zaprojektowane tak, że właściwie nie są wcale stacjami meteo, to można ich używać do różnych innych rzeczy, jak na przykład pomiar temperatur w lodówce albo zdalny monitor poboru energii elektrycznej w mieszkaniu.

Moduły zawierają układ zasilania, co oczywiste, kontroler sieciowy, co też raczej oczywiste i MCU zaprogramowany do robienia rzeczy.
To czego nie zawierają to czujniki. Wadą jest, że czujniki trzeba podłączyć osobno, ale może być to równie zaleta, znaczy – mogę sobie zrobić dziesięć identycznych modułów i podłączyć je w dziesięciu różnych miejscach do dziesięciu różnych rzeczy.
Na zewnątrz wyprowadzone mamy magistrale 1x 1-wire (głównie do czujników temperatury), 1x SPI (dla wszelkiej maści wyświetlaczy), 1 opcjonalny port szeregowy i, co najważniejsze, 5x I2C (z czego dwa z przerwaniami).

Jeśli dany czujnik, jak na przykład PPD42NJ (pył zawieszony), ma inny rodzaj wyjścia niż dostępne (PWM), to zawsze można wstawić pomiędzy niego a moduł komunikacji jakiś układ z rodzaju ATmega8, który nie dość, że tani to jeszcze zrobi dla nas tłumaczenie z praktycznie dowolnego protokołu komunikacji na IIC lub SPI. Z zasady wykorzystuję do czujników I2C, bo i tak nie przesyłają większych ilości danych.

A w dzisiejszym odcinku realizujemy miernik poboru energii elektrycznej. Dlaczego? Bo tego jeszcze nie było. Poza tym, miernik, który jest zainstalowany u mnie w mieszkaniu jedyne co potrafi z siebie wydusić to taryfa (G11) i całkowita liczba wypykanych kWh. A ja pragnę więcej, dużo więcej, jak aktualnie wykorzystywaną moc, czynną, bierną i co za tym idzie cosinus fi (czyli współczynnik mocy, ale o tym za chwilę), przy okazji napięcie sieci i resetowalny licznik zużycia kWh (żeby znać zużycie na przykład w ciągu tygodnia).
A z uwagi na podpięcie do Eth, dostajemy w gratisie możliwość robienia sobie zestawień, wykresów i takich tam rzeczy.

Obliczenie mocy pozornej w instalacji prądu przemiennego jest generalnie proste (bo takie samo jak w obwodach prądu stałego). Napięcie instalacji jest względnie znane (230 V), tak że wystarczy skądś wziąć wartość aktualnie wpływającego do mieszkaniowej instalacji prądu i pomnożyć ją przez napięcie, wyliczenie z tego kWh to już prosta matematyka (względem czasu). Prąd możemy zmierzyć na kilka sposobów, od wstawienia w szereg rezystora małej wartości i zmierzenia na nim spadku napięcia, (z czego można wyliczyć prąd z prawa Ohma), po przekładniki prądowe. Pierwsza opcja jest "nasty", ponieważ łączenie ze sobą elektrycznie wysoko i niskonapięciowych obwodów to proszenie się o kłopoty. Poza tym znalezienie rezystora przystosowanego do obsługi 30 A prądu może być kłopotliwe.

Dlatego też do pomiaru prądu wykorzystamy znaczenie bezpieczniejszą metodę, przekładnik. Przekładnik jest formą transformatora, w tym wypadku zakłada się go na przewód, co ważne – przewodu nie trzeba rozcinać, czy w jakkolwiek ingerować w jego ciągłość, po prostu rozpinamy przekładnik, zakładamy na przewód i gotowe. Ważne tylko, aby był założony jedynie na przewód fazowy lub neutralny. Jeśli będzie na obu – prądy płynące w obu przewodach się zsumują, w efekcie dadzą zawsze zero, chyba że mamy przebicie na uziemienie, albo człowieka (swoją droga to wykorzystuje się w budowie wyłączników różnicowoprądowych). O przekładniku wystarczy wiedzieć to, jaką ma przekładnię. Z przekładni za to wynika, że jeśli przez przewód na którym jest zapięty, płynie prąd, 100 A, to w jego uzwojeniu wyindukuje się 50 mA. Wiedząc to możemy albo zmierzyć ten prąd bezpośrednio, albo sprawić aby wywołał jakiś spadek napięcia, zmierzyć to napięcie i wyliczyć z niego prąd.
Weźmiemy druga metodę, wstawimy weń rezystor 33 Ohm, maksymalny spadek napięcia przy 30 A powinien wtedy wynosić 1 V. Z tego można wyliczyć właściwy prąd i moc bierną. Właśnie, bierną, rodzi to pewien problem, gdyż normalne liczniki energii elektrycznej dla gospodarstw domowych liczą zużytą moc czynną.

Tylko co to jest moc czynna i bierna... Czynna to jest ta, którą faktycznie zużywasz, bierna to ta która i tak wraca do sieci. Różnicę liczymy używając cos(fi), a fi w tym przypadku to kąt przesunięcia napięcia względem prądu. W wypadku obciążeń rezystancjach (stare żarówki, grzałki) cos(fi) wynosi blisko 1, natomiast na przykład przy indukcyjnych i pojemnościowych cos(fi) na ogół wynosi mniej niż 1. Stąd urządzenia, mające inną niż rezystancyjną charakterystykę poboru mocy, powinny być wyposażone w coś, co się nazywa PFC – Power Factor Correction. Pojęcie powinno przynajmniej obić się o uszy ludziom, którzy choć trochę interesowali się parametrami, chociażby zasilaczy komputerowych. No ale skoro płacimy i tak za moc czynną, to po co nam to PFC? W sumie, nam po nic, ale jeśli współczynnik mocy jest niski i wynosi powiedzmy 0,5, to oznacza, że, o ile my zużywamy przykładowy 1kW mocy, to sieć energetyczna musi przesłać 2kW. Amerykanie z powodu nieposiadania odpowiednich regulacji mieli już przynajmniej jeden blackout powiązany z niewydolnością sieci.

Tak że... Prąd już mamy, pozostaje jeszcze wyliczenie skutecznej wartości napięcia i jego przesunięcia, tylko jak? Bezpośrednio, albo dzielnikiem napięcia byłoby raczej mało bezpiecznie, na szczęście na pomoc przybywają transformatory. Na Alledrogo transformatory 230V/9V albo 230V/6V są po około 6-10 zł.

Wadą jest duży rozmiar, ale zapewniają ładną izolację galwaniczną obwodów i prawie sensowne dla nas napięcie. Jeśli dodatkowo wrzucimy je na dzielnik napięcia i wprowadzimy składową stalą o wartości 1/2 napięcia zasilania układu, będzie idealnie.
Po co podnosić napięcie? Mamy do czynienia z prądem zmiennym. Więc jeśli po prostu podepniemy je do ADC kontrolera, to dostaniemy zakres -1V/+1V (diody są no-no, mają spadek napięcia).
Plus nie jest problemem, ale po kontakcie z napięciem ujemnym kontroler wyzionie ducha. Dlatego podnosimy napięcie o 0,5 3v3, dzięki czemu "swing" wynosi +0,65 V/+2,65 V.
Taki zakres jest spokojnie mierzalny przez konwerter ADC. ADC pracuje z maksymalną częstotliwością 15kHz, to ponad 2x więcej niż 50Hz częstotliwości sieci (czyli powyżej częstotliwości nyquista), tak że wyznaczenie przesunięcia nie będzie problemem.
Mając wartość prądu, napięcia i współczynnika mocy, możemy wyznaczyć: chwilową moc czynną, bierną, średnie obciążenie w ciągu dnia, pobór prądu w kWh oraz koszt zużytego prądu (po podaniu ceny za kWh, oczywiście).

Czas zrobić użytek z wyprowadzonej magistrali SPI i wyświetlacza opartego o ILI9341, zapewnia 65k kolorów i oszałamiającą rozdzielczość 320x240 przy ~2" przekątnej. Użyjemy z tego może 16 najjaśniejszych kolorów, bo wyświetlacz będzie kryty za półprzepuszczalnym filtrem z pleksiglasu, robiącym za obudowę. Filtr zje połowę światła, ale z drugiej strony czerń wyświetlacza będzie ładniejsza. :D
Nie będę zagłębiał się szczegóły konstrukcji UI, z reszta i tak nie jest szczególnie ciekawa, ot po prostu kilka, moim zdaniem, przydatnych parametrów. Wyświetlacz, jak zresztą wszystkie moje wyświetlacze, ma sprzężony ze sobą czujnik mocy oświetlenia, oznacza to, że gdy jest ciemno, świeci słabiej, kiedy jest jaśniej, to mocniej. Po co marnować diody podświetlenia, gdy sobie siedzi taki nieoglądany w szafce rozdzielczej, a dane przekazuje siecią do serwera (tym samym protokołem co stacja meteo).

Wyświetlacz pokazuje podstawowe parametry, chwilową moc czynną, bierną, aktualne zużycie w kWh od ostatniego resetu i napięcie sieciowe.

 

sprzęt programowanie hobby

Komentarze

0 nowych
dragonn   11 #1 25.02.2016 19:20

Szkoda że nie dodałeś do całości ESP8266, mam w planach zrobić taki czujnik ale właśnie w oparciu o ESP aby mieć komunikacje po Wi-Fi. Płytki zamawiasz w jakieś firmie? Gdzie tego dokonujesz i ile Cię to kosztuje?

Kaworu   13 #2 25.02.2016 19:25

@dragonn: Co wyście się tak do tego ESP doczepili, przecież on jest straszny. :D
Płytki zamawiam sobie w Merkarze, jakoś 18pln za sztukę + jakoś 50? Za klisze.

dragonn   11 #3 25.02.2016 19:29

@Kaworu: Czemu jest straszny? Ja oparłem całą pracę inżynierską o niego + Rassberry Pi i dobrze mi się z nim pracowało. Wiadomo, czasem nie jest tak wygodny jak zwykłe CPU ale kosztuje 15zł to nawet jeśli dołożyć go tylko jako mostek do własnego układu się opłaca ;p.

Kaworu   13 #4 25.02.2016 19:31

@dragonn: Bo jest w obudowie, której raczej ręcznie nie przylutuje, i o ile jako samo WiFi to nawet działa, tak dokumentacja do MCU jest słaba, o tym, ze zrobili jakies API na lua (brrr) nie mówiąc. ;)
To ja to wole mieć po kabelku razem z zasilaniem. Wydaje mi się to najbardziej bezobsługowe. ;)

dragonn   11 #5 25.02.2016 19:38

@Kaworu: lua trzymać się z daleka :P, ale w C z otoczką Arduino działa już naprawdę dobrze, dokumentacja taka zła moim zdaniem nie jest. Obudowa, bez problem można zintegrować przecież z płytą jak moduł GSM np. ESP-12 tak że tutaj nie widzę problemu. A zasilanie w przypadku pomiaru prądu to chyba nie jest problem :D?

Autor edytował komentarz.
Kaworu   13 #6 25.02.2016 19:45

@dragonn: Ja najwyraźniej wielu rzeczy nie lubię, bo liczy się do tego tez arduino i tego typu moduły, chyba ze absolutnie nie ma innego wyjścia (jak z GSM ;p).
I właśnie problem może być, bo nikt mi nie był w stanie odpowiedzieć jak podpięcie się do transformatora do pomiaru napięcia wpływa na przesunięcie w fazie napięcia. ;P

Autor edytował komentarz.
SpeX   7 #7 25.02.2016 19:52

Ciekawy pomysł :D

dragonn   11 #8 25.02.2016 19:53

@Kaworu: Z Arduino też nie przepadam ale ESP przemawia do mnie ceną, za 15zł mam wszystko co potrzebne do realizacji niektórych zadań.

Kaworu   13 #9 25.02.2016 20:01

@dragonn: To bym wolał RFM22 z HopeRF ;)

Kaworu   13 #10 25.02.2016 20:14

@SpeX: A dzięki, tez mi się podoba. :D

SweetDreams   10 #11 25.02.2016 20:31

@Kaworu: Jesteś z Katowic? ;)

Kaworu   13 #12 25.02.2016 21:03

@SweetDreams: Si, a czemu pytasz? ;)

wieszak   11 #13 25.02.2016 21:06

To sobie chłopaki pokonwersowali w komentarzach hihi
Ciekawy projekt.
W sumie w gospodarstwie domowym (blokowym) moc bierna jest tylko ciekawostką dla zainteresowanych. Większość ludzi nawet o niej nie wie. Ma ona natomiast kolosalne znaczenie w zakładach pracy.

Kaworu   13 #14 25.02.2016 21:12

@wieszak: Dokładnie tak, ale jak napisałem, lubię wiedzieć rzeczy. ;)

SweetDreams   10 #15 25.02.2016 21:15

@Kaworu: bo jeśli jesteś zainteresowany to mogę podrzucić kilka RFM22, Spirit1, Si4432

Kaworu   13 #16 25.02.2016 21:21

@SweetDreams: Mógłbym być, choć jeszcze do końca nie wiem co z nimi zrobię, ale jakieś zastosowanie by się znalazło. A skąd masz ich stanowczo za dużą liczbę chcesz się pozbyć? :D

SweetDreams   10 #17 25.02.2016 21:38

@Kaworu: z racji wykonywanego zawodu wala się u mnie tego spora ilość i raczej się nie zapowiada żebym kiedyś miał czas to wykorzystać do własnych celów :)

hind   2 #18 25.02.2016 21:51

Właśnie coś takiego chciałem zrobić... ale zabrakło mi zapału. Może z tym opisem mi się uda :D

Kaworu   13 #19 25.02.2016 22:09

@SweetDreams: A, to ja chętnie przygarnę dowolne ilości. :D

SweetDreams   10 #20 25.02.2016 22:17

@Kaworu: To zostaw jakiś kontakt na PW, odezwę się jutro ;)

Pablo.C   4 #21 26.02.2016 12:24

@Kaworu nie brałeś pod uwagę czujnika SDM120?

Kaworu   13 #22 26.02.2016 12:32

@Pablo.C: Umknęło mi jego istnienie. I nawet ciekawa zabawka. No z tym, że jak tak patrzę, to własna implementacja samego czujnika wyszła mi taniej. Z tym, że jest rozmiarowo większa. O samej frajdzie z robienia takich rzeczy nie mówiąc. ;)

Autor edytował komentarz.
BartekBl   4 #23 26.02.2016 15:15

Pracowałem kiedyś w firmie produkującej liczniki energii elektrycznej. Obecnie pracuję gdzie indziej, ale też w energetyce. Mamy do dyspozycji kalibrator C300 firmy Calmet także jakbyś był kiedyś w Warszawie z chęcią poddam twój miernik próbie :-)

Autor edytował komentarz.
Kaworu   13 #24 26.02.2016 17:28

@BartekBl: Jak kiedys bede, akurat z nim ze soba to pewno bym sie pobabawił :D

BartekBl   4 #25 26.02.2016 17:49

Zawsze możesz przesłać pocztą ;-) przemielę i oddam.

stasinek   11 #26 26.02.2016 23:50

Może Cie zainteresować
http://home.agh.edu.pl/~godek/instr_ukla_mnoz.pdf
http://eeshop.unl.edu/pdf/AD633_d.pdf
http://www.analog.com/media/en/training-seminars/tutorials/MT-079.pdf
http://elportal.pl/pdf/k04/84_18.pdf

30A - prosty bocznik(najtaniej) to kwestia odpowiednio szerokiej ścieżki, np. spadek 100mV tj. 0.003ohm zapewni ścieżka o szerokości 12mm i długości 100mm dla typowej grubości miedzi 35um. (obliczone w KiCad) Długość idealna np do obudowy na szyne DIN. Pomiar napiecia można zrobić zwykłym dzielnikiem i właśnie z układem mnożenia. Układ pomiarowy np. z attiny można zasilać osobno przez prosty zasilaczyk z kondensatorem 5-10mA góra powinno wystarczyć. Odseparować transoptorem od energochłonnego układu komunikacji, wyświetlania zasilanego z przetwornicy

Nie rozumiem niecheci ESP8266 to bardzo fajna kostka i tania(szczególnie jeśli doliczyć potrzebny kabel ethernetowy). Jako moduł niewiele wieksza od gniazda ethernet, najtańczy moduł na płytce "smd" z gniazdem antenowym ma raster bodaj 1.25mm spokojnie da sie lutować recznie. .

Czujniki w ramach pomieszczenia można by komunikować na podczerwień przekazywać odczyty przy pomocy routerków zbiorczych(ethernet,wifi,bluetooth), Jeszcze taniej, mniej miejsca niż bezprzewodówka umieszczona w każdym. Poza tym na jednym akumulaorku A23,A28 (6V) - wytrzyma tyle ile wytrzymuje pilot do telewizora, rok... dwa.
Pipek z diodami IR to świetny punkt wyjściowy do czujników http://www.elektroda.pl/rtvforum/topic2881118.html

Autor edytował komentarz.
Kaworu   13 #27 27.02.2016 10:57

@stasinek: A nawet zainteresowało. Ale chyba i tak wolę implementację w softwarze, bo jakbym się kiwnął gdzieś, to jest duża szansa na to, że w oprogramowaniu da się to skorygować. O tym, że AN633 potrzebuje symetrycznego źródła zasilania nie mówiąc.
Wciąż, fajnie dowiedzieć się czegoś nowego, tym bardziej, ze z elektroniki analogowej jestem w dużej części taboret. :D Poza tym, wole metodę z przekładnikiem, bo zapewnia galwaniczna izolację, i nie ma szans na to, aby w wypadku przeciążenia shrunta, i co za tym idzie jego spalenia/wzrostu rezystancji aby mi napięcie na wejściach wzrosło to bardzo niefajnych wartości.

ESP8266 to może i fajna kostka, ale mi generalnie idea komunikacji bezprzewodowej słabo pasuje, jak chcesz mieć częste aktualizacje to szybko zjedzą aku, a jeszcze do tego wifi... zmień hasło do sieci (co mi się zdarza) i musisz zmieniać hasła we wszystkim co jest do niej podłączone. A tak mam zasilanie i dane na jednym kablu i póki jest prąd, to będzie działać niezależnie co zmienię w sieci. No i ja generalnie nie przepadam za tego typu modułami, bo na PCB źle wyglądają, o tym, że nie pod kolor i w ogóle nie mówiąc. A, że ja tam nawet QFNy/QFP z 0,5mm pitch przylutuje to jedno, ale jakoś wole coś większego, wygodniej.

Ja sobie kiedyś wymyśliłem, że w ramach pomieszczenia, jak będzie więcej niż jeden to skorzystam z czegoś na 443MHz, jak RFM22, nawet mniejszy pobór prądu i z racji częstotliwości lepsza penetracja.

Autor edytował komentarz.
  #28 27.02.2016 14:57

Jedno małe sprostowanie. W przypadku sieci energetycznej mówimy o "napięciu zmiennym", ale w stosunku do prądu mówimy "prąd przemienny" (o zmiennym kierunku).
Co do "podbijania" to lepiej jakbyś zamiast tego użył terminu "składowa stała".

"I właśnie problem może być, bo nikt mi nie był w stanie odpowiedzieć jak podpięcie się do transformatora do pomiaru napięcia wpływa na przesunięcie w fazie napięcia. ;P"
Transformator jest elementem o indukcyjnym o dwóch cewkach sprzężonych magnetycznie, mamy tu więc indukcję wzajemną. Zachowuje się podobnie jak każda cewka w obwodzie prądu przemiennego. Jednak w przypadku transformatora przesunięcie fazowe będzie zależeć od obciążenia uzwojenia wtórnego - wpływ rezystancji na wypadkową reaktancję własną transformatora. Im większe obciążenie tym większy kąt przesunięcia.

Kaworu   13 #29 27.02.2016 17:30

@DBill Bramkarz (niezalogowany): Poprawione, chyba.

Czyli się mogę spokojnie podpiąć do tego transformatora w celu zasilania miernika, i bez (większego) znaczenia jest jego charakterystyka, póki pobierany prąd jest mały?

  #30 29.02.2016 03:47

@Kaworu: świetny pomysł z tym miernikiem! Mógłbyś jeszcze zamieścić jego schemat? Szczególnie tej części do pomiaru napięcia. Dzięki!

Kaworu   13 #31 29.02.2016 18:19

@Anonim (niezalogowany): Części do pomiaru napięcia żaden problem, tylko w wolnej chwili, więc tak koło końca tygodnia. A jakbym zapomniał to zawołać proszę. ;)

  #32 01.03.2016 07:06

@Kaworu: Super, dzięki!

  #33 08.03.2016 06:30

@Kaworu: Przypominam o schemacie miernika!

Kaworu   13 #34 20.04.2016 17:29

@Anonim (niezalogowany): Co prawda zajęło mi to miesiąc, ale http://kaw.sajuuk.eu/dp/ct-input.png o ile jeszcze tu zaglądniesz xD

  #35 09.05.2016 07:13

@Kaworu: Zaglądnąłem, dzięki wielkie!

  #36 09.05.2016 07:27

@Kaworu: Jeszcze pytanie co do schematu: gdzie jest wejście sygnału (+0,65 V/+2,65 V) do ADC? Po lewej na górze?

Kaworu   13 #37 09.05.2016 11:15

@Anonim (niezalogowany): Tak jest.