Cree un registrador de energía para medir y registrar el consumo de energía

Hay muchas aplicaciones potenciales en las que tiene sentido un registro continuo de la generación o el consumo de energía eléctrica. Solo piense en el consumo de energía de ciertos circuitos en la casa o la energía suministrada por una planta de energía de balcón o un sistema fotovoltaico más grande. Existen soluciones listas para usar para el registro, pero también puede construir un registrador adecuado usted mismo. El registrador que se presenta aquí utiliza un medidor con una salida S0 para registrar el consumo de energía eléctrica. Los medidores adecuados están disponibles por menos de 20 € (por ejemplo, en Amazon, eBay o directamente desde el Lejano Oriente). Esto permite medir y "registrar" o registrar el consumo de energía de los circuitos de alimentación de red conectados o también el rendimiento de los sistemas fotovoltaicos utilizando la electrónica descrita aquí.

Elección del editor: consulte el artículo del Dr. Thomas Scherer, "Instalación solar fotovoltaica de bricolaje: construcción de una planta de energía de balcón".

Después de todo, ¿para qué se inventaron los microcontroladores? Más o menos para este tipo de aplicación. Antes de la era de las computadoras, registrar el consumo o la generación de energía a lo largo del tiempo hubiera sido difícil y prácticamente imposible para el uso doméstico. Gracias a los microcontroladores económicos con todas sus grandes capacidades, no solo el registro digital no es un problema hoy en día, sino que incluso cosas sofisticadas como una conexión Wi-Fi y más son posibles. Lo que puede hacer el registrador de energía se puede encontrar en elCaracterísticas caja. Una impresión de la solución terminada se da enCifra1, que muestra la combinación de medidor y registrador, incluidas las unidades de fuente de alimentación, instaladas en una caja de distribución de plástico.

Gracias al microcontrolador, el circuito del registrador de energía (Cifra2 ) es bastante simple. En el lado izquierdo, hay una serie de optoacopladores para aislamiento eléctrico, a través de los cuales se envían los datos de la interfaz S0 del medidor a las entradas correspondientes del microcontrolador. Estos están controlados por interrupciones para asegurarse de que no se pierda ningún pulso. Usé un módulo ESP32 económico porque tiene suficiente poder de cómputo y también una interfaz Wi-Fi. En el lado derecho, hay dos módulos de memoria: una ranura para una tarjeta SD para almacenamiento masivo y un módulo FRAM adicional, que almacena temporalmente los datos de 5 minutos para reducir la cantidad de ciclos de escritura en la tarjeta SD.

Como el circuito es tan simple, lo construí en una placa de prueba. Como puede ver en los dos bloques de color azul claro, se proporcionan dos fuentes de alimentación separadas por razones de seguridad. Para las interfaces S0 de la izquierda, 6,5 V son suficientes. El resto del circuito está alimentado por una fuente de alimentación de 5 V (derecha). Una capacidad de carga de 0,5 A cada uno es suficiente. A los efectos del aislamiento eléctrico, las dos líneas GND de las fuentes de alimentación no deben conectarse bajo ninguna circunstancia. Además, debajo de los optoacopladores, entre sus entradas y salidas, se debe eliminar todo el cobre en una distancia de al menos 4 mm.Cifra3 muestra cómo se supone que esto debe verse. El aislamiento eléctrico por medio de dos fuentes de alimentación separadas también permite que el ESP32 se conecte a la interfaz USB de una PC (por ejemplo, para permitir que se envíen futuras actualizaciones al controlador instalado). En lugar de usar dos fuentes de alimentación, también habría sido posible una solución con una sola fuente de alimentación con una carga de corriente más alta más un convertidor CC/CC de aislamiento y un regulador de voltaje, pero esto realmente no facilitaría ni abarataría las cosas.

Como ya se mencionó, usar dos módulos de memoria no es un lujo. Las interfaces S0 a veces pueden entregar varios pulsos por segundo. Si los valores medidos se recopilaron en la memoria interna del microcontrolador, los datos podrían perderse durante un reinicio. Por otro lado, escribirlos inmediatamente en una tarjeta SD acortaría enormemente la vida útil de la tarjeta. Con solo un valor por segundo, se producirían 31,5 millones de ciclos de escritura por año. Sin embargo, las celdas de memoria de una tarjeta SD llegan al final de su vida después de solo 1000 a 3000 ciclos de escritura. Por lo tanto, incluso una tarjeta de alta capacidad mostraría defectos antes de que transcurriera un año. Para evitar esto, se proporciona un búfer estable. El módulo FRAM externo utilizado aquí tiene una capacidad de almacenamiento de solo 8 kB, pero eso es suficiente para recopilar bastantes valores. La mayor ventaja de FRAM es que se puede escribir al menos 1010 veces, según el fabricante; por lo general, dicha memoria puede incluso soportar cuatrillones de ciclos de escritura. Cada cinco minutos, los datos recopilados en FRAM se transfieren a la tarjeta SD. Esto significa algo más de 100 000 operaciones de escritura al año y, dado que una tarjeta SD tiene muchas celdas de memoria, puede funcionar durante bastantes años sin ningún problema. Además, el número de reinicios del registrador se registra en la FRAM, lo que permite le permite verificar en cualquier momento con qué frecuencia se activó un reinicio. Además, todos los días se crea un nuevo archivo en la SD, y los datos de ese día se guardan en él. Para ahorrar espacio en la memoria, el registro solo se inicia si uno de los valores del medidor ha cambiado desde la medianoche. Si el registrador de energía se usa para registrar el consumo de energía, esta característica es realmente superflua. Sin embargo, si se monitorea la producción de energía de un sistema solar, es útil que la grabación solo comience después del amanecer (es decir, cuando se genera la primera electricidad).

Cifra4 muestra una sección de una hoja de cálculo donde se han importado los datos en formato CSV. La celda A1 contiene la fecha y la hora en que se creó el archivo. La fila 2 contiene los últimos valores del día anterior como nuevo punto de partida. El primer cambio de un valor de medidor ocurrió a las 05:55 (celda A3). A partir de la fila 5, siguen los nuevos datos de este día. Las columnas contienen los datos de los contadores individuales. Cada fila tiene una diferencia de tiempo de cinco minutos con respecto a la fila siguiente. Los datos se registran cada día hasta la medianoche. Todos los días, se crea un nuevo archivo. La cantidad de energía se puede calcular a partir de la diferencia entre los valores contados usando el valor de pulso de los medidores (por ejemplo, 0,5 Wh/pulso). El formato CSV es económico y adecuado para importar a cualquier hoja de cálculo como Excel, OpenOffice/LibreOffice Calc o Numbers en Mac. Los datos se pueden procesar posteriormente a su gusto.

En la tarjeta SD, los datos se almacenan en una estructura de carpetas temporal. En el nivel superior, hay carpetas para cada año, cada una de las cuales contiene subcarpetas para los meses, y estas contienen los archivos para los días individuales.Cifra5 muestra la estructura. En este ejemplo, los valores de cinco metros se registran como números enteros (verCifra4 ). Gracias al formato CSV, se requiere relativamente poca memoria para esto. Esto da como resultado unos pocos kilobytes por metro por día. La transferencia de datos del registrador a una PC se realiza a través de FTP. Los clientes FTP comunes como FileZilla son adecuados para esto. Dado que el registrador está integrado en la red doméstica a través de Wi-Fi, este método es probablemente el más simple. Creé el código fuente para ESP32 usando PlatformIO IDE para VSCode. El código está disponible para su descarga gratuita en la página web de este artículo. En el archivo main.cpp se deben personalizar los siguientes datos: A partir de la línea 30 se debe ingresar el SSID y la contraseña de la red Wi-Fi. El nombre de usuario y la contraseña para FTP se especifican en la línea 813. De manera predeterminada, se ingresa "esp32" como nombre de usuario y contraseña. Por supuesto, el cliente FTP también necesita la dirección IP del registrador de energía. Esta dirección se emite a través de la interfaz USB después de un reinicio. Sin embargo, lo ideal es que configure su enrutador de modo que al registrador de energía siempre se le asigne la misma dirección IP.

Los datos actuales y el valor total del día y del día anterior se muestran mediante el servidor web integrado. El servidor alberga dos páginas. Una página muestra la potencia actual por medidor, así como el total de todos los medidores conectados. Además, se muestra la energía total del día y del día anterior en kWh. La otra página muestra la intensidad de campo de la red Wi-Fi y el número de reinicios del registrador.Cifras6y7 son capturas de pantalla de un teléfono inteligente. Como notará inmediatamente, no utilizo el registrador de energía para medir el consumo, sino para monitorear mi sistema fotovoltaico, que tiene cinco inversores. Por lo tanto, he adaptado las etiquetas de los valores individuales a mi uso previsto. Pero puede cambiar esto fácilmente en el software según sea necesario. Al conectarse a la dirección IP en el navegador, obtiene la visualización deCifra6 . Al agregar "/acerca de" a la dirección o al hacer clic en el botón Información,Cifra7aparece

Una nota más sobre la conexión Wi-Fi: si instala el registrador de energía en una carcasa de metal, es casi seguro que tendrá problemas de recepción.

Una vez que el registrador de energía esté integrado en una carcasa e instalado, probablemente no querrá volver a quitar los componentes electrónicos en caso de un cambio de software. Por lo tanto, el registrador de datos se puede actualizar "OverTélAir" (es decir, a través de Wi-Fi). El software completo, así como el sistema de archivos, las páginas web con JavaScript y el archivo CSS, se pueden volver a cargar si es necesario. Si desea hacerlo, ingrese la dirección IP con "/update" adjunto.Cifra8 muestra cómo se ve esto en mi caso. Implementé la capacidad OTA con la ayuda de la biblioteca de Ayush Sharma.

El circuito es tan simple que una lista de partes es realmente innecesaria. Además de la placa de desarrollo ESP32, que está disponible en todas partes, los componentes importantes son una ranura para tarjetas SD, que está disponible en placas de conexión económicas, y el módulo FRAM, también disponible convenientemente en placas de conexión. Dado que las placas de conexiones están disponibles con diferentes asignaciones de pines, no debe prestar atención a los números de los pines, sino a las designaciones de los pines al realizar la conexión. Para el módulo de tarjeta SD, MOSI se puede conectar a DI o SI y MISO a DO o SO. Los medidores pueden ser cualquier modelo económico para montaje en riel DIN con una interfaz S0. El tipo DDS5188 que usé (Cifra9) está fácilmente disponible y es muy económico.

Si bien no hace falta decir que debe tener el cuidado necesario cuando trabaje con la red eléctrica, se debe permitir una nota: Se aplican diferentes leyes nacionales para trabajar en la caja de fusibles. En Alemania, debe estar registrado con el operador de red como electricista capacitado para este fin. Además, el trabajo en subdistribuidores externos conectados a la caja de fusibles solo se permite a un electricista calificado con la capacitación y los conocimientos adecuados.

Nota del editor: el artículo 220079-01 (traducido por J. Starkmuth) aparece en Elektor mayo/junio de 2023. ¿Tiene preguntas o comentarios sobre este artículo? Contacta con Elektor en [email protected].

Georg Luber es un electricista capacitado que estudió ingeniería eléctrica y trabajó durante muchos años en los campos de la seguridad eléctrica y la instalación eléctrica. Ha trabajado a nivel nacional e internacional en comités de normalización (DKE/VDE, CENELEC, IEC e ISO). Otro enfoque de su trabajo fue la automatización de edificios, particularmente KNX. Georg Luber participa en el desarrollo de proyectos de software y electrónica en estas áreas.