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.