Подключаем Arduino к счетчику электроэнергии

    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.


    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!


    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 доработать напильником добавить блок в соответствии с описанием выше.
    Поделиться публикацией

    Комментарии 50

      –1
      Помнится была уже статья по съёму показаний со счётчика с помощью фоторезистора. Если у счётчика есть импульсный выход, можно подключиться напрямую к нему, правда для этого придётся срывать пломбу, но, как оказалось, это можно сделать самостоятельно, а повторная опломбировка не вызывает никаких затруднений и даже ничего не стоит. К тому же контролёра, который будет вешать пломбу, совершенно не волнует как и какие провода из счётчика выходят, главное что счётчик будет считать нагрузку включаемую в квартире.
        +5
        Да ладно? Т.е. я втыкаю в счетчик внутрь мощное реле которое по команде шунтирует измерительные обмотки, а контролеру будет все равно? Да это просто праздник какой то!
          0
          Продаются уже готовы счётчики, внешне не отличающиеся от оригинала, но у которых внутри уже стоит шунтирующее реле, которое управляется с пульта ДУ. Просто момент с подключением своих железок к портам счётчика (импульсный и сериальный) меня недавно волновал и ответа на него мне найти не удалось, но товарищ, который приходил опломбировать счётчик их развеял. После моего вопроса он даже крышку не открутил, чтобы посмотреть как там что, лишь попросил чайник включить, да заполнил протокол пломбировки.

          Да и при желании можно красть электричество более простыми путями, чем модификация счётчика. Недавно делал ремонт, менял всю проводку, соответственно вскрывал все технологические отверстия сделанные в бетоне. Среди обнаруженных «ништяков»: соседские провода на розетку, стояковые фазные провода вместе с нулевым, различные соседские слаботочные провода (интернет, телефон, радиоточка, домофон, ТВ). Цепляйся хоть напрямую к стояку, хоть через соседский счётчик.

          Но это всё баловство и значительно интереснее было бы получать показания счётчика в момент, кто он их отправляет в центр, а учитывая, что для этого он использует те же провода питания, то соответственно пломб вскрывать не нужно, проводов от фотодатчика тянуть из коридора в квартиру тоже не нужно, воткнул в розетку девайс и получаешь показания периодически. А ежели ещё научиться общаться с ним, то наверное можно и моментальные показания получать.
            +1
            ух ты, а он умеет слать данные по сети? И это у нас где то применяется? Впервые слышу. У нас тут по старинке, раз в два три месяца приходит тетенька с бумажкой.
              +3
              Счётчик «Эмис-электра 970», приёмная часть стоит в подвале, собирает данные со всего дома, дальше либо по Ethernet подключена, либо GSM. Кроме показаний так же передаёт кучу всяких параметров, типа последние N дат вскрытия опломбированных крышек, пиковую нагрузку и тд, обратно умеет принимать команду на отключение потребителя в случае неуплаты, например. Мне казалось что уже года 3 как в жилых домах ставят всем эти счётчики, причём без особых вопросов и предупреждений. Тётеньки поначалу продолжали ходить, но уже больше года их не видел.
                0
                Обеспечивает передачу информации по сети низкого напряжения до 0,4 КV
                Имеется оптопорт для считывания показаний счетчика
                © integral.by/?section_id=538
                  0
                  У нас тоже кое-где снимают данные общедомовые по GPRS.
                • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
                    0
                    Соседей жалко, слишком много среди них алкашей, наркоманов, любители басов после 23:00 и прочих нехороших личностей, но это совсем другая история. Я же просто привёл примеры, подключаться в обход счётчика не планирую, т.к. биткоины дома не майню, потому счета за электричество нисколько не напрягают кошелёк. Зато есть желание провести комплекс мер по уменьшению ОДН, но пока не придумал как это правильно оформить и провести.

                    Эмис-электра умеет примерно тоже самое, но учитывая что линия RS-485 штатно не была подключена, а ставить в каждый счётчик GSM модуль дороговато бы вышло, тётеньку с IrDA ридером или бумажкой тоже давно не наблюдал на этаже (последний этаж, нет выхода на крышу, стоит камера, людей мало и всех видно), сам показания не передаю, поэтому сделал вывод, что всё таки по силовой линии счётчик передаёт показания.
                  0
                  Я брал дешевый счетчик, у него импульсный выход отдельно. Просто два контакта, как реализовано не знаю. В интернетах пишут что оптронная развязка (т.е. тупо оптрон в параллель светодиоду). Дальше можно снимать импульсы и считать. Мне этот вывод не опломбировали когда ставили счетчик, завел витуху в щиток. Дальнейшая реализация зависла по независящим причинам.
                0
                Очень интерсно было бы увидеть реализацию определения, какой прибор включился, действительно полезная вещь.
                  +2
                  А у вас нет такого же, но без крыльев?
                  Для водопровода никто такого не придумал?
                    0
                    На водопроводных есть стрелка, которая вращается при потреблении воды. Её можно попробовать задетектировать с помощью светодиода и фотодиода (например, синего цвета, если стрелка красная, а фон белый). А вот как газовый счетчик считывать — непонятно, там только цифры (камера — затратно, может быть, какой-ннибудь сенсор из оптической мыши подойдет).
                      +1
                        0
                        В водопроводных еще вроде есть магнитная муфта, из-за которой цены на неодимовые магниты на пространстве СНГ возросли в несколько раз. То есть можно попробовать линейный датчик Холла пристроить.
                        +1
                        Есть специальные счетчики воды с импульсным выходом.
                        Даже на Хабре статья была: habrahabr.ru/post/232903/
                          0
                          На счётчиках воды бывают провода. Там может быть или геркон или высокое/низкое сопротивление.
                          Замыкать каждые 1 или 10 литров.

                          Внутри счётчика мокрая камера в которой крыльчатка с магнитом, сверху — сухая, где диск с магнитом и весь механизм. Можно попробовать ловить этот магнит датчиком Холла/герконом.

                          IMHO после счётчика вы можете поставить что угодно, хоть ещё один счётчик (электричества тоже касается). Сами купить (до 1000 руб) и поставить. Было бы место
                          Даже пломбы не надо будет переделывать. И можно поставить только на одну трубу (считать кухонную раковину или ванну)

                          +1
                          Счетчики все таки меняются не только из-за цены, а еще из-за точности. У механики она ниже, да и если нужно, с электронного счетчика можно каким-то образом организовать передачу данных. Прогресс так сказать.
                          А как учитывается напряжение в сети? Пересчет в ток будет не совсем точный без учета напряжения.
                            0
                            Используя только счетчик довольно трудно точно измерить ток, так как нужно учесть и колебания в сети и коэффициент мощности.
                            Как вариант, можно взять эталонную нагрузку (с заранее известным током) и по ней проверять изменение напряжения.
                              0
                              Можно еще цифровой вольтметр воткнуть в розетку (так точнее). Но это несколько усложняет и удорожает всю схему.
                                0
                                Таким образом можно измерить только активную часть тока — счетчик реактивную энергию не считает. Только некоторые счетчики отдельно подсчитывают реактивную энергию.
                                  0
                                  Если я не ошибаюсь, то некоторую часть реактивной энергии он все же считает.
                                  Вообще, самый надежный вариант — подключить еще амперметр после вводного автомата и вольтметр в щитке автоматов. Тогда можно обойтись без дополнительных счетчиков, а реактивную рассчитывать, используя данные импульсного счетчика.
                                    0
                                    По идее, не должен. При кривой реализации электронных счетчиках все возможно — вплоть до метода из китайских ваттметров — перемножить средневыпрямленное напряжение на средневыпрямленный же ток — и такие счетчики есть, но если оно так — надо поднимать скандал и менять счетчик, поскольку оплате подлежит только активная энергия (бытовыми потребителями, не предприятиями).
                                      0
                                      Я про некоторые допуски, если не ошибаюсь, то 1% максимум можно.
                                      Хотя по хорошему домашние тоже должны считать реактивную энергию, у нас приборов побольше стало. Примерно как предприятиям, установить норму на реактивную энергию. Но это вопрос далекого будущего, когда учет будет вестись у всех и с небольшими интервалами времени.
                                0
                                Счётчик ABB C11 110-300 показывает мощность, ток напряжение и прочее стоит около 1900 в ЭТМ. Про определение что включено, то тот же свет в каждой комнате делать набором ламп разной мощности в одной 27Вт в другой 21Вт. У меня в каждой комнате свой провод на свет и розетки, и тут можно ставить шунты на каждую цепь и придумать схему регистрирубщию измения напряжения на шунте, причём в широком диапозоне для розеток и в узком для света.
                                Со светом проще. А вот тот же пк потребляемою мощность меняет «хаотично». Меня больше волнует отключение утюгов/плит и пр. Ну понятно что можно таймер вилку-розетку, но хотелось бы автоматику из щитка.
                              0
                                +5
                                > LabView
                                > Windows
                                И каким боком здесь «DIY или Сделай Сам»? Или это «сделай сам для богатеньких Буратино»?
                                  +3
                                  Скорее для буратин под флагом «Веселого Роджера»:) Ибо цены на LabView совершенно негуманны.
                                    0
                                    Не обязательно, лицензия предусматривает установку LabView на рабочий и на домашний компьютеры, так что некоторым счастливчикам такую игрушку проплатит работодатель.
                                  0
                                  Что-то чует мое сердце, что при включении мощной нагрузки (киловатт пять) фоторезистор захлебнется — его быстродействия просто не хватит.
                                    +5
                                    5 киловатт это всего 18 герц. Быстродействие фоторезистора несколько килогерц. Не думаю, что будут проблемы.
                                      +1
                                      Я как-то в студенчестве делал установку для изучения задержанной фотопроводимости теллурида свинца (у меня диплом был по его выращиванию) и в качестве модельного объекта у меня был фоторезистор, похожий на те, что «Амперка» предлагает для ардуины. У него кривая спада фототока хорошо аппроксимировалась тремя экспонентами — одна быстрая, порядка пары сотен микросекунд, но с небольшим вкладом, затем шел медленный спад с постоянной времени около 0,1 с, а третья экспонента имела постоянную времени в несколько часов. Так что этот фоторезистор действительно мог регистрировать несколько килогерц, но только если аккуратно выставить порог. А при простом использовании ардуинского входа в качестве порогового элемента быстродействие будет сильно хуже.
                                    0
                                    А еще есть готовые датчики тока (в т.ч. одевающиеся прямо на провод, бесконтактно), можно даже найти с каким нибудь беспроводным интерфейсом.
                                      +4
                                      Без тестирования магнетрона любой DIY-пост на хабре уже кажется слегка незавершённым.
                                        0
                                        Мне кажется, что интереснее будет другой вариант. Поставить на вводе в квартиру (ПОСЛЕ АВТОМАТОВ!!!) трансформаторы тока и напряжения, подключить их выходы (после соответствующей нормализации сигнала) к аналоговым входам ардуины и пусть она себе считает мощность, а заодно и TrueRMS напряжение, ток, ККМ, косинус фи и черта лысого в придачу. 10 разрядов и 16 мкс атмеговского АЦП хватит с головой.
                                          0
                                          Я конечно дико извиняюсь, но зачем лепить на счетчик что-то непонятное, и подключать его к Arduino, чтобы измерить мощность какого-либо устройства? Уже давно для этого все сделано. Что касается вашего способа, я например не могу им воспользоваться, у меня счетчик стоит в подъезде, и не имеет такого моргающего диода.
                                            +2
                                            Это «все сделано» умеет корректно считать мощность, а не тупо перемножать средневыпрямленное напряжение со средневыпрямленным же током, давая совершенно дикие показания с импульсными телефонными зарядками, энергосберегающими лампочками и подобными им нагрузками?
                                              0
                                              удалено
                                                –1
                                                Дело не в измерении мощности, а в автоматике\автоматизации, которую можно прикрутить. И подобные устройства продаются прямо в России (До 1кВт У)
                                                www.energenie.com/products.aspx?sg=239
                                                www.energenie.com/products.aspx?sg=241

                                                Линейка продукции у них расширелась, нечто подобное есть у APC и у других (марки по памяти не помню)
                                                Единственное чего пока мне не хватает, так это доступных устройств на DIN-рейку, наверное есть у SE или Siemens, но ценники там соответствую промышленной надежности.

                                                У меня у одного управляемого свича были глюки без явных причины «щелкал нагрузку» после включения\выключения глюк пропал, но червяк точит, уедешь на море\горы а он сервак начнет включать\выключать раз в секунду, надолго хватит БП это вопрос. APC тоже глючит. В общем без нормального контура заземления и фильтров, обвинять в глючности устройств я не имею право. Во многих фирмах на землю *** забивают. Ноль-земля это почти одно и тоже, часто слышу от электриков.

                                                В общем подобные замуты хороши в частном доме, или в квартире которую вы НЕ будете продавать.
                                                Кто использовал\внедрял продукцию energenie, отпищитесь ;)
                                              • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
                                                  +5
                                                  >в течении всего процесса вскипячивания.
                                                  Я теперь чайник буду вскипячивателем называть :)
                                                    0
                                                    Видимо у меня синдром щукатурки, но я уже пять минут туплю пытаясь подобрать как одним словом назвать процесс нагревания воды до кипения.
                                                      0
                                                      Кипячение?
                                                    0
                                                    Ну, к слову, есть и готовые логгеры для счётчиков.
                                                    Причём универсальные (там кроме фотодиода ещё светодиод) — умеют как считать моргания, так и отслеживать вращение диска механического счётчика (по метке на нём).
                                                      0
                                                      Ссылки можно на то, где купить?
                                                        0
                                                        На vesternet точно видел! Логгер под z-wave
                                                        0
                                                        Зато когда сделал сам, как-то приятнее!
                                                          0
                                                          Ну это как Gentoo vs Ubuntu. Зависит от степени прагматизма.
                                                          Можно ж и электромагнитное реле самому намотать. И даже работать будет!
                                                          А один француз, вон, сам радиолампы делает для звуковых усилителей.
                                                        0
                                                        Есть у меня мысль запихать функционал подсчета энергии в беспроводной клиент на nRF24LE1, но предполагаю использование входа с прерыванием, т.к. обычный вход GPIO, а особенно аналоговый не совсем подходит, особенно, когда микроконтроллер может быть занят чем-то другим, то он может не увидеть импульс.
                                                        Использую фоторезистор как датчик освещенности и он четко реагирует на свет: есть / нет- т.е. можно получить нормальную «единичку» для детектирования.
                                                          0
                                                          Китайский рынок предлагает вот такие вот штуки:


                                                          Eastron SDM320 series is single phase two wire Din rail meter. SDM320M is multifunction meter for measuring kWh, kW, V, A, Hz, PF, MD etc with RS485 Modbus protocol.

                                                          Прикупил себе, но руки еще не дошли до запуска. Ремонт…

                                                          Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                                                          Самое читаемое