Costruisci un registratore di energia per misurare e registrare il consumo energetico

Esistono molte potenziali applicazioni in cui ha senso una registrazione continua della generazione o del consumo di energia elettrica. Basti pensare al consumo energetico di alcuni circuiti della casa o all'energia fornita da una centrale elettrica da balcone o da un impianto fotovoltaico più grande. Esistono soluzioni già pronte per la registrazione, ma puoi anche costruire tu stesso un logger adatto. Il logger qui presentato utilizza un contatore con un'uscita S0 per registrare il consumo di energia elettrica. I misuratori adatti sono disponibili per meno di 20 € (ad esempio su Amazon, eBay o direttamente dall'Estremo Oriente). In questo modo è possibile misurare e "registrare" ovvero registrare con l'ausilio dell'elettronica qui descritta il consumo energetico dei circuiti di rete collegati oppure anche il rendimento degli impianti fotovoltaici.

Scelta dell'editore: dai un'occhiata all'articolo del Dr. Thomas Scherer, "Installazione solare fotovoltaica fai-da-te: costruzione di una centrale elettrica per balconi".

Dopotutto, per cosa sono stati inventati i microcontrollori? Praticamente per questo tipo di applicazione. Prima dell’era dei computer, registrare il consumo o la produzione di energia nel tempo sarebbe stato difficile e praticamente impossibile per l’uso domestico. Grazie ai microcontrollori economici con tutte le loro grandi capacità, non solo la registrazione digitale non è più un problema oggi, ma diventano possibili anche cose fantasiose come una connessione Wi-Fi e altro ancora. Ciò che può fare il registratore di energia può essere trovato nel fileCaratteristiche scatola. Viene fornita un'impressione della soluzione finitaFigura1, che mostra la combinazione di contatore e registratore, compresi gli alimentatori, installati in una scatola di distribuzione in plastica.

Grazie al microcontrollore, il circuito dell'energy logger (Figura2 ) è abbastanza semplice. Sul lato sinistro si trovano alcuni fotoaccoppiatori per l'isolamento elettrico, attraverso i quali i dati dell'interfaccia S0 del misuratore vengono inviati ai corrispondenti ingressi del microcontrollore. Questi sono controllati da interruzioni per garantire che nessun impulso venga perso. Ho usato un modulo ESP32 economico perché ha abbastanza potenza di calcolo e anche un'interfaccia Wi-Fi. Sul lato destro ci sono due moduli di memoria: uno slot per una scheda SD per l'archiviazione di massa e un modulo FRAM aggiuntivo, che memorizza temporaneamente i dati per 5 minuti per ridurre il numero di cicli di scrittura sulla scheda SD.

Dato che il circuito è così semplice, l'ho costruito su una breadboard. Come potete vedere dai due blocchi azzurri, per ragioni di sicurezza sono previste due alimentazioni separate. Per le interfacce S0 a sinistra sono sufficienti 6,5 V. Il resto del circuito è alimentato da un alimentatore da 5 V (a destra). È sufficiente una capacità di carico di 0,5 A ciascuno. Ai fini dell'isolamento elettrico le due linee GND degli alimentatori non devono in nessun caso essere collegate. Inoltre, sotto i fotoaccoppiatori – tra i loro ingressi e uscite – tutto il rame deve essere rimosso per una distanza di almeno 4 mm.Figura3 mostra come dovrebbe apparire. L'isolamento elettrico tramite due alimentazioni separate consente inoltre di collegare l'ESP32 all'interfaccia USB di un PC (ad esempio per consentire l'invio di futuri aggiornamenti al controller installato). Invece di utilizzare due alimentatori, sarebbe stata possibile anche una soluzione con un solo alimentatore con un carico di corrente maggiore più un convertitore DC/DC isolante e un regolatore di tensione, ma questo non avrebbe reso le cose più facili né più economiche.

Come già accennato, utilizzare due moduli di memoria non è un lusso. Le interfacce S0 possono talvolta fornire diversi impulsi al secondo. Se i valori misurati fossero raccolti nella memoria interna del microcontrollore, i dati potrebbero andare persi durante un reset. D'altro canto, scriverli immediatamente su una scheda SD ridurrebbe enormemente la durata della scheda. Con un solo valore al secondo si verificherebbero 31,5 milioni di cicli di scrittura all'anno. Tuttavia, le celle di memoria di una scheda SD raggiungono la fine della loro vita dopo solo 1.000 - 3.000 cicli di scrittura. Anche una scheda ad alta capacità quindi mostrerebbe quasi sicuramente dei difetti prima che sia trascorso un anno. Per evitare ciò, viene fornito un buffer stabile. Il modulo FRAM esterno qui utilizzato ha una capacità di memoria di soli 8 kB, ma è sufficiente per raccogliere parecchi valori. Il più grande vantaggio della FRAM è che può essere scritta almeno 1010 volte, a seconda del produttore: in genere, una memoria di questo tipo può sopportare anche quadrilioni di cicli di scrittura. Ogni cinque minuti i dati raccolti nella FRAM vengono trasferiti sulla scheda SD. Ciò significa poco più di 100.000 operazioni di scrittura all'anno e, poiché una scheda SD ha molte celle di memoria, può essere utilizzata per diversi anni senza problemi. Inoltre, il numero di riavvii del logger viene registrato nella FRAM, consentendo di verificare in ogni momento la frequenza con cui è stato attivato un reset. Inoltre, ogni giorno viene creato un nuovo file sulla SD e i dati di quel giorno vengono salvati su di essa. Per risparmiare spazio in memoria, la registrazione viene avviata solo se uno dei valori del contatore è cambiato dalla mezzanotte. Se si utilizza il registratore di energia per registrare il consumo energetico, questa funzione è in realtà superflua. Tuttavia, se si monitora la produzione di energia di un impianto solare, è utile che la registrazione inizi solo dopo l'alba (cioè quando viene generata la prima elettricità).