• Petus
• July 31 2024
• Čidla, indikátory / Sensors
• 1226x Přečteno

EnergyMeter je zájmový projekt vývojářů z firmy Consilia Brno, navržený pro snímání pulzů z impulzní LED elektroměru a vyhodnocování spotřeby energie. Tento článek se zaměřuje na technologické detaily a rozhodnutí, která vedla k vývoji tohoto produktu, od detekce pulzů až po napájení a programování. Zároveň poskytne pohled na jeho použití s Android aplikací a Zigbee integrací do smart home systémů, jako je Home Assistant.


EnergyMeter v krabičce

Detekce pulzů pomocí solárního panelu

Jedním z inovativních aspektů EnergyMeteru je využití malého solárního panelu pro detekci pulzů impulzní LED. Tato metoda byla zvolena, protože nebere žádný dodatečný proud z baterie, na rozdíl od optického čidla s pull-up rezistorem.
Solární panel však není efektivní a nelze jej použít k napájení zařízení. Impulzní LED svítí příliš slabě a málo často a zařízení je navíc zavřeno v rozváděči. Rychlý výpočet ukazuje, že typický výkon LED je 20mW (10mA při 2V). Při účinnosti panelu 10% a střída blikání 1% (35ms blik každých 3,5s, což odpovídá spotřebě 1kW) bychom získali pouze 10µW výkonu. Na zařízení potřebujeme přibližně 142µW.


PCBA a popis komponent

Napájení a nízká spotřeba

EnergyMeter je napájen CR2032 baterií, což bylo zvoleno z bezpečnostních důvodů, aby se předešlo použití Li-Pol článků u rozváděče. Nízká spotřeba je klíčová pro dlouhou životnost baterie.

Hlavní MCU: nrf52840 od Nordic Semiconductor

Hlavním mikrokontrolérem je nrf52840 ukrytý v module od u-blox. Firmware je realizován na RTOS Zephyr. Tento RTOS (real-time operating system) je mnohem komplexnější než běžné hobby nástroje jako Arduino nebo Platformio. Umožňuje detailní nastavení a práci s tasky. Momentálně bohužel neexistuje jednodušší způsob, jak naprogramovat Zigbee zařízení. ESP32 sice přišlo s čipy, které Zigbee podporují, ale používají stejnou Zboss knihovnu.
Zařízení má vestavěný USB bootloader, takže firmware lze snadno aktualizovat přes USB.
Pro detekci pulzů jsme původně chtěli použít periferii low-power komparátor. Tento však má málo rozhodovacích úrovní, což by mohlo vést k tomu, že nedokážeme nastavit rozhodovací úroveň do rozdílu napětí, když svítí impulzní LED a když je zhasnutá. Nakonec jsme se rozhodli použít periferii standardního komparátoru s dostatečným počtem úrovní, i když s vyšší spotřebou o 14µA.

Konstrukce a Design

EnergyMeter je navržen tak, aby byl co nejtenčí. Používáme 3D tištěnou krabičku, kde je senzor impulzní LED na jedné straně a tlačítko s indikační LED na druhé. LED zobrazuje stav baterie a párování.
Android aplikace a Zigbee integrace
Android aplikace umožňuje stahování zaznamenaných dat z EnergyMeteru po připojení. Zařízení může zaznamenávat spotřebu až 11 měsíců při 10minutových intervalech. Data se pak uloží do aplikace, kde je možné je prohlížet v různých časových rozmezích. Aplikace je se dá přepnout i do českého jazyka.


Screenshoty z aplikace

EnergyMeter může také fungovat se Zigbee a být integrován do Home Assistant. Momentálně podporujeme Zigbee2MQTT, kde je potřeba přidat konvertor. V blízké budoucnosti plánujeme přímou podporu pro Zigbee2MQTT.


Zigbee2mqtt expose tab + HA energy graf

Používání EnergyMeteru

1. Připravte zařízení a vložte baterii. Zařízení indikuje stav baterie (zelená-žlutá-červená).
2. Stáhněte si do Android telefonu aplikaci energy_meter.
3. Instalujte EnergyMeter k impulzní LED elektroměru. Panel musí být co nejblíž diodě. Instalace na dveře rozvodné skříně je taky možná.
4. Proveďte kalibraci pomocí aplikace. Nastavte parametry elektroměru (imp/kWh) a zaznamenávací interval. Kalibrace nastaví interní rozhodovací úroveň senzoru. Pokud by indikační dioda neosvětlila panel dostatečně, aplikace vyzve k zopakování kalibrace.
5. Po kalibraci můžete sledovat data v různých časových rozmezích.
6. V aplikaci je možné zapnout Zigbee pro párování s Home Assistant.


EnergyMeter na rozvaděči

Nastavení Home Assistant

Pro Home Assistant momentálně podporujeme Zigbee2mqtt. Je potřeba přidat konvertor .js soubor Zigbee2mqtt nastavení. Brzy plánujeme EnergyMeter přidat do oficiálně podporovaných zařízení.

Zapojte se do našich projektů

Pokud vás tento design zaujal a chtěli byste se podílet na podobných projektech, rádi vás přivítáme. Kromě projektů pro zákazníky realizujeme taky projekty, které nás posouvají vpřed a učíme se na nich. Hledáme další zájemce o vývoj elektroniky nebo o spolupráci v oblasti SW, FW, nebo RF design. Více informací o tom, co děláme najdete na našich stránkách consilia-brno.com. Podívejte se na naše realizované projekty nebo články v blogu.

Získejte vzorky nebo se zapojte do testování

Pokud máte zájem o vzorky nebo byste se chtěli zapojit do testování EnergyMeteru, kontaktujte nás na e-mailu: juraj(tecka)repcik{zavinac}consilia-brno.cz. Rádi s vámi probereme možnosti spolupráce a poskytneme další informace o zařízení.
EnergyMeter je inovativní řešení pro efektivní sledování spotřeby energie, s možností integrace do moderních smart home systémů.
Doufáme, že tento článek vám poskytl hlubší vhled do našeho vývojového procesu a funkcí našeho zařízení.