Создайте регистратор энергии для измерения и записи энергопотребления

Существует множество потенциальных приложений, в которых имеет смысл непрерывный учет выработки или потребления электрической энергии. Просто подумайте о потреблении энергии определенными цепями в доме или об энергии, подаваемой балконной электростанцией или более крупной фотоэлектрической системой. Существуют готовые решения для учета, но можно и самостоятельно собрать подходящий регистратор. Представленный здесь регистратор использует счетчик с выходом S0 для учета потребления электроэнергии. Подходящие счетчики доступны менее чем за 20 евро (например, на Amazon, eBay или напрямую с Дальнего Востока). Это позволяет измерять и «регистрировать» или регистрировать потребление энергии подключенными сетевыми цепями, а также выходную мощность фотоэлектрических систем с помощью описанной здесь электроники.

Выбор редактора: ознакомьтесь со статьей доктора Томаса Шерера «Солнечная фотоэлектрическая установка своими руками: строительство электростанции на балконе».

Ведь для чего были изобретены микроконтроллеры? Вполне достаточно для такого рода приложений. До эпохи компьютеров учет потребления или выработки энергии с течением времени был бы трудным и практически невозможным для домашнего использования. Благодаря недорогим микроконтроллерам со всеми их замечательными возможностями сегодня не только не возникает проблем с цифровой регистрацией, но и становятся возможными даже такие необычные вещи, как соединение Wi-Fi и многое другое. Возможности регистратора энергии можно найти вФункции коробка. Впечатление от готового решения представлено на рис.Фигура1, показывающий комбинацию счетчика и регистратора, включая блоки питания, установленные в пластиковой распределительной коробке.

Благодаря микроконтроллеру схема регистратора энергии (Фигура2 ) довольно просто. С левой стороны расположен ряд оптопар для гальванической развязки, через которые данные с интерфейса S0 счетчика поступают на соответствующие входы микроконтроллера. Они управляются прерываниями, чтобы гарантировать отсутствие потери импульса. Я использовал недорогой модуль ESP32, поскольку он имеет достаточную вычислительную мощность, а также интерфейс Wi-Fi. На правой стороне расположены два модуля памяти — слот для SD-карты массового хранения и дополнительный модуль FRAM, который временно буферизует данные в течение 5 минут, чтобы уменьшить количество циклов записи на SD-карту.

Поскольку схема очень проста, я построил ее на макетной плате. Как видно из двух голубых блоков, в целях безопасности предусмотрены два отдельных источника питания. Для интерфейсов S0 слева достаточно 6,5 В. Остальная часть схемы питается от источника питания 5 В (справа). Нагрузочной способности по 0,5 А достаточно. В целях электрической изоляции две линии GND источников питания ни при каких обстоятельствах не должны быть соединены. При этом ниже оптронов — между их входами и выходами — необходимо удалить всю медь на расстояние не менее 4 мм.Фигура3 показывает, как это должно выглядеть. Электрическая изоляция с помощью двух отдельных источников питания также позволяет подключать ESP32 к USB-интерфейсу ПК (например, для отправки будущих обновлений на установленный контроллер). Вместо использования двух источников питания также было бы возможно решение с одним источником питания с более высокой токовой нагрузкой плюс изолирующим преобразователем постоянного тока и стабилизатором напряжения, но это не облегчило бы задачу и не удешевило бы ее.

Как уже говорилось, использование двух модулей памяти – не роскошь. Интерфейсы S0 иногда могут выдавать несколько импульсов в секунду. Если бы измеренные значения были собраны во внутренней памяти микроконтроллера, данные могли быть потеряны при сбросе. С другой стороны, их немедленная запись на SD-карту значительно сократит срок службы карты. При одном значении в секунду в год будет происходить 31,5 миллиона циклов записи. Однако срок службы ячеек памяти SD-карты заканчивается уже после 1000–3000 циклов записи. Таким образом, даже карта большой емкости почти наверняка обнаружит дефекты до истечения года. Чтобы избежать этого, предусмотрен стабильный буфер. Используемый здесь внешний модуль FRAM имеет емкость всего 8 КБ, но этого достаточно для сбора довольно большого количества значений. Самым большим преимуществом FRAM является то, что в нее можно записывать не менее 1010 раз, в зависимости от производителя — обычно такая память выдерживает даже квадриллионы циклов записи. Каждые пять минут данные, собранные в FRAM, передаются на SD-карту. Это означает чуть более 100 000 операций записи в год, а поскольку SD-карта имеет много ячеек памяти, ее можно без проблем эксплуатировать довольно много лет. Кроме того, в FRAM записывается количество перезапусков регистратора, что позволяет вы можете в любой момент проверить, как часто выполнялся сброс. Кроме того, каждый день на SD создается новый файл, и на него сохраняются данные за этот день. В целях экономии места в памяти запись начинается только в том случае, если одно из значений счетчика изменилось с полуночи. Если для регистрации энергопотребления используется регистратор энергии, эта функция фактически является лишней. Однако если отслеживается производство энергии в солнечной системе, полезно, чтобы запись начиналась только после восхода солнца (т. е. когда генерируется первое электричество).