Подключаем Arduino к счетчику электроэнергии
- воскресенье, 12 октября 2014 г. в 03:11:00
http://habrahabr.ru/post/234679/
Нет, эта статья не об очередном способе обмануть этот злосчастный прибор. Здесь пойдет речь о том, как с помощью Arduino и среды LabView превратить свой счетчик электроэнергии в средство мониторинга потребляемой мощности или даже в амперметр!
Самый первый счетчик электроэнергии был индукционным. Принцип его работы до смешного прост — по сути это электродвигатель, ротором которого является алюминиевый диск, вращающий циферблат. Чем больше потребляемый ток- тем быстрее крутится диск. Устройство чисто аналоговое.
Однако сегодня индукционные счетчики сдают свои позиции, уступая место своим более дешевым электронным собратьям. И как раз один такой и станет подопытным:
Принцип работы не сильно изменился — в данном случае диск заменен электроникой, которая генерирует импульсы в соответствии с величиной потребляемой электроэнергии. Как правило, в большинстве приборов эти импульсы показывает светодиодный индикатор. Соответственно, чем быстрее мигает эта лампочка — тем больше сжигается драгоценных кВт.
Кроме того, на лицевой панели любого устройства есть передаточное соотношение счетчика А — число импульсов на 1 кВт*ч. Как видно из фото, у подопытного А=12800. Из этой информации можно сделать следующие выводы:
— С каждым импульсом счетчик фиксирует потребление, равное 1/12800 части от 1 кВт*ч. Если включить к счетчику нагрузку и начать просто считать импульсы, то потом легко получить потребленное ею количество электроэнергии (кВт*ч), разделив количество импульсов на передаточное соотношение.
— Так как индикатор изменяет скорость своего моргания, то можно вывести зависимость между мощностью (кВт) и временем одного импульса счетчика, что позволит получить данные о мощности/токе.
Не будем загружать статью расчетами, но если нужно то
Таким образом, все упирается в измерение времени одного импульса (моргания индикатора). В своих изысканиях я опирался на этот отличный проект. Некий итальянец сделал в среде Labview интерфейс для мониторинга мощности и придумал схему для измерения импульсов. Но в его проекте красовалась огромная недоработка — он подходил только лишь для счетчиков с передаточным соотношением 1000 имп/кВт*ч.
Верхний график — средняя мощность за 5 минут, нижний — в реальном времени. Интерфейс довольно гибкий и легко модифицируется под свои нужды. Если Вы еще не имели дела со средой LabView — рекомендую познакомиться.
Чтобы все заработало, оказалось достаточно внести один единственный блок в алгоритм программы, в соответствии с формулой выше.
Итак, если Вы все-таки решите реализовать мониторинг мощности, то есть два варианта:
1. Ваш счетчик закрыт и запломбирован по самое не балуйся. А значит, считывать импульсы можно только с помощью фоторезистора, реагирующего на моргание лампочки. Его необходимо прикрепить синей изолентой напротив светодиодного индикатора на лицевой панели счетчика.
Схема будет выглядеть следующим образом:
Программа просто сравнивает значение сопротивления на фоторезисторе и потенциометре. Причем последний позволяет выставить чувствительность такого датчика во избежание ложного срабатывания и настроиться под яркость индикатора.
2. У Вас есть доступ к импульсному выходу счетчика. На многих моделях имеется импульсный выход, который дублирует мигания лапочки. Это сделано для того, чтобы была возможность подключать прибор к системе автоматизированного учета. Представляет собой транзистор, открывающийся при горящем индикаторе и закрывающийся при погасшем. Подключиться напрямую к нему не составляет труда — для этого потребуется всего один подтягивающий резистор. Однако прежде чем делать это, удостоверьтесь что это именно импульсный выход, а не что-либо иное! (в паспорте всегда есть схема)
В моем случае — доступ полный, поэтому заморачиваться я особо не стал. Устанавливаем LabView и вперед измерять! Все графики представляют собой мощность (Вт) в реальном времени.
Первым под раздачу попал многострадальный чайник. Крышечка гласит что мощность у него 2,2 кВт, однако судя по графику, исправно потребляет лишь 1700 Вт. Обратите внимание, что потребление более-менее постоянно во времени. Это означает что нагревательный элемент (скорее всего нихром) очень слабо изменяет свое сопротивление в течении всего процесса вскипячивания.
Совсем другое дело клеевой пистолет — заявленная мощность 20 Вт.Он ведет себя в соответствии с законами физики — при нагреве сопротивление нагревателя увеличивается, а ток соответственно уменьшается. Проверял мультиметром — все так и есть.
Старый радиоприемник «Весна». Здесь график ушел вверх в начале из-за того, что я запустил измерение во время импульса, соответственно это повлияло на данные. Горки на графике показывают, как я крутил ручку громкости. Чем громче — тем больше радио кушает.
Перфоратор с заявленной мощностью 700 Вт. Нажал на кнопку до упора, чуть чуть подождал и отпустил, но не плавно. На графике хорошо видно бросок тока при пуске двигателя. Именно поэтому моргает свет, когда добрый сосед начинает долбить свою любимую стену.
А теперь самое интересное. Я провел небольшой эксперимент со своим стареньким ноутбуком, результат которого приведен на картинке:
Оранжевой точкой отмечено время, когда я запустил сразу несколько «тяжелых» программ. Как видите, графики загрузки процессора и возросшее потребление имеют нечто общее между собой. Недавно была одна интересная статья которая наталкивает на некоторые мысли. Не уверен что с помощью мониторинга мощности можно слить ключи шифрования, однако факт налицо.
(Трепещите параноики!)
В общем, из обычного счетчика и дешевой Arduino, можно сделать довольно простое и интересное решение для самодельного «умного дома». Кроме, собственно, мониторинга потребления электроэнергии есть вполне неплохая возможность организовать систему контроля включенных приборов, которая по изменению потребления и его характеру будет угадывать что включили. Без каких-либо дополнительных датчиков.
Исходники скетча для Arduino и файл LabView можно скачать на странице автора. После установкидоработать напильником добавить блок в соответствии с описанием выше.
Нет, эта статья не об очередном способе обмануть этот злосчастный прибор. Здесь пойдет речь о том, как с помощью Arduino и среды LabView превратить свой счетчик электроэнергии в средство мониторинга потребляемой мощности или даже в амперметр!
Самый первый счетчик электроэнергии был индукционным. Принцип его работы до смешного прост — по сути это электродвигатель, ротором которого является алюминиевый диск, вращающий циферблат. Чем больше потребляемый ток- тем быстрее крутится диск. Устройство чисто аналоговое.
Однако сегодня индукционные счетчики сдают свои позиции, уступая место своим более дешевым электронным собратьям. И как раз один такой и станет подопытным:
Принцип работы не сильно изменился — в данном случае диск заменен электроникой, которая генерирует импульсы в соответствии с величиной потребляемой электроэнергии. Как правило, в большинстве приборов эти импульсы показывает светодиодный индикатор. Соответственно, чем быстрее мигает эта лампочка — тем больше сжигается драгоценных кВт.
Кроме того, на лицевой панели любого устройства есть передаточное соотношение счетчика А — число импульсов на 1 кВт*ч. Как видно из фото, у подопытного А=12800. Из этой информации можно сделать следующие выводы:
— С каждым импульсом счетчик фиксирует потребление, равное 1/12800 части от 1 кВт*ч. Если включить к счетчику нагрузку и начать просто считать импульсы, то потом легко получить потребленное ею количество электроэнергии (кВт*ч), разделив количество импульсов на передаточное соотношение.
— Так как индикатор изменяет скорость своего моргания, то можно вывести зависимость между мощностью (кВт) и временем одного импульса счетчика, что позволит получить данные о мощности/токе.
Не будем загружать статью расчетами, но если нужно то
вот они
Воистину, передаточное число счетчика — великая вещь, так как зная ее можно выразить как мощность так и ток:
Составим пропорцию из нашего передаточного соотношения (А=12800 имп/кВт*ч) и неизвестного передаточного соотношения, которое будет при нагрузке X и за время одного единственного импульса (моргания лампочки):
Здесь X — неизвестная мощность, а t — время одного импульса. Выражаем отсюда неизвестную мощность и вот оно:
Ток считается с применением следующей пропорции передаточных соотношений и токов известных и неизвестных при нагрузке X.:
Что в общем-то приводит к идентичной формуле, но для тока (ток измеряется в Амперах а индексы означают нагрузку, при которой будет данный ток):
Тут можно заметить подводный камень — нужно знать ток при идеальной нагрузке в 1 кВт. Если необходима хорошая точность — лучше его измерить самостоятельно, а если нет- то приблизительно можно посчитать по формуле (напряжение и мощность известны), но будет более грубо, так как не учитывается коэффициент мощности.
Составим пропорцию из нашего передаточного соотношения (А=12800 имп/кВт*ч) и неизвестного передаточного соотношения, которое будет при нагрузке X и за время одного единственного импульса (моргания лампочки):
Здесь X — неизвестная мощность, а t — время одного импульса. Выражаем отсюда неизвестную мощность и вот оно:
Ток считается с применением следующей пропорции передаточных соотношений и токов известных и неизвестных при нагрузке X.:
Что в общем-то приводит к идентичной формуле, но для тока (ток измеряется в Амперах а индексы означают нагрузку, при которой будет данный ток):
Тут можно заметить подводный камень — нужно знать ток при идеальной нагрузке в 1 кВт. Если необходима хорошая точность — лучше его измерить самостоятельно, а если нет- то приблизительно можно посчитать по формуле (напряжение и мощность известны), но будет более грубо, так как не учитывается коэффициент мощности.
Таким образом, все упирается в измерение времени одного импульса (моргания индикатора). В своих изысканиях я опирался на этот отличный проект. Некий итальянец сделал в среде Labview интерфейс для мониторинга мощности и придумал схему для измерения импульсов. Но в его проекте красовалась огромная недоработка — он подходил только лишь для счетчиков с передаточным соотношением 1000 имп/кВт*ч.
Верхний график — средняя мощность за 5 минут, нижний — в реальном времени. Интерфейс довольно гибкий и легко модифицируется под свои нужды. Если Вы еще не имели дела со средой LabView — рекомендую познакомиться.
Чтобы все заработало, оказалось достаточно внести один единственный блок в алгоритм программы, в соответствии с формулой выше.
Выглядит это следующим образом
Казалось бы просто, но до этого надо еще додуматься!
Казалось бы просто, но до этого надо еще додуматься!
Итак, если Вы все-таки решите реализовать мониторинг мощности, то есть два варианта:
1. Ваш счетчик закрыт и запломбирован по самое не балуйся. А значит, считывать импульсы можно только с помощью фоторезистора, реагирующего на моргание лампочки. Его необходимо прикрепить синей изолентой напротив светодиодного индикатора на лицевой панели счетчика.
Схема будет выглядеть следующим образом:
Схема для бесконтактного снятия импульсов
Программа просто сравнивает значение сопротивления на фоторезисторе и потенциометре. Причем последний позволяет выставить чувствительность такого датчика во избежание ложного срабатывания и настроиться под яркость индикатора.
2. У Вас есть доступ к импульсному выходу счетчика. На многих моделях имеется импульсный выход, который дублирует мигания лапочки. Это сделано для того, чтобы была возможность подключать прибор к системе автоматизированного учета. Представляет собой транзистор, открывающийся при горящем индикаторе и закрывающийся при погасшем. Подключиться напрямую к нему не составляет труда — для этого потребуется всего один подтягивающий резистор. Однако прежде чем делать это, удостоверьтесь что это именно импульсный выход, а не что-либо иное! (в паспорте всегда есть схема)
Схема для подключения к телеметрическому выходу
В моем случае — доступ полный, поэтому заморачиваться я особо не стал. Устанавливаем LabView и вперед измерять! Все графики представляют собой мощность (Вт) в реальном времени.
Первым под раздачу попал многострадальный чайник. Крышечка гласит что мощность у него 2,2 кВт, однако судя по графику, исправно потребляет лишь 1700 Вт. Обратите внимание, что потребление более-менее постоянно во времени. Это означает что нагревательный элемент (скорее всего нихром) очень слабо изменяет свое сопротивление в течении всего процесса вскипячивания.
Совсем другое дело клеевой пистолет — заявленная мощность 20 Вт.Он ведет себя в соответствии с законами физики — при нагреве сопротивление нагревателя увеличивается, а ток соответственно уменьшается. Проверял мультиметром — все так и есть.
Старый радиоприемник «Весна». Здесь график ушел вверх в начале из-за того, что я запустил измерение во время импульса, соответственно это повлияло на данные. Горки на графике показывают, как я крутил ручку громкости. Чем громче — тем больше радио кушает.
Перфоратор с заявленной мощностью 700 Вт. Нажал на кнопку до упора, чуть чуть подождал и отпустил, но не плавно. На графике хорошо видно бросок тока при пуске двигателя. Именно поэтому моргает свет, когда добрый сосед начинает долбить свою любимую стену.
А теперь самое интересное. Я провел небольшой эксперимент со своим стареньким ноутбуком, результат которого приведен на картинке:
Оранжевой точкой отмечено время, когда я запустил сразу несколько «тяжелых» программ. Как видите, графики загрузки процессора и возросшее потребление имеют нечто общее между собой. Недавно была одна интересная статья которая наталкивает на некоторые мысли. Не уверен что с помощью мониторинга мощности можно слить ключи шифрования, однако факт налицо.
(Трепещите параноики!)
В общем, из обычного счетчика и дешевой Arduino, можно сделать довольно простое и интересное решение для самодельного «умного дома». Кроме, собственно, мониторинга потребления электроэнергии есть вполне неплохая возможность организовать систему контроля включенных приборов, которая по изменению потребления и его характеру будет угадывать что включили. Без каких-либо дополнительных датчиков.
Исходники скетча для Arduino и файл LabView можно скачать на странице автора. После установки