Construire un enregistreur d'énergie pour mesurer et enregistrer la consommation d'énergie

Il existe de nombreuses applications potentielles où un enregistrement continu de la production ou de la consommation d'énergie électrique a du sens. Il suffit de penser à la consommation d'énergie de certains circuits de la maison ou à l'énergie fournie par une centrale de balcon ou une installation photovoltaïque plus importante. Il existe des solutions toutes faites pour l'enregistrement, mais vous pouvez également construire vous-même un enregistreur adapté. L'enregistreur présenté ici utilise un compteur avec une sortie S0 pour enregistrer la consommation d'énergie électrique. Des compteurs appropriés sont disponibles pour moins de 20 € (par exemple, sur Amazon, eBay ou directement depuis l'Extrême-Orient). Cela permet de mesurer et de "journaliser" ou d'enregistrer la consommation d'énergie des circuits d'alimentation secteur connectés ou également le rendement des systèmes photovoltaïques à l'aide de l'électronique décrite ici.

Choix de l'éditeur : consultez l'article du Dr Thomas Scherer, "Installation solaire photovoltaïque à faire soi-même : Construire une centrale électrique de balcon".

Après tout, pourquoi les microcontrôleurs ont-ils été inventés ? A peu près pour ce genre d'application. Avant l'ère de l'informatique, enregistrer la consommation ou la production d'énergie au fil du temps aurait été difficile et pratiquement impossible pour un usage domestique. Grâce à des microcontrôleurs peu coûteux avec toutes leurs grandes capacités, non seulement l'enregistrement numérique n'est plus un problème aujourd'hui, mais même des choses fantaisistes comme une connexion Wi-Fi et plus deviennent possibles. Ce que l'enregistreur d'énergie peut faire peut être trouvé dans leCaractéristiques boîte. Une impression de la solution finie est donnée dansChiffre1, montrant la combinaison du compteur et de l'enregistreur, y compris les blocs d'alimentation, installés dans un boîtier de distribution en plastique.

Grâce au microcontrôleur, le circuit de l'enregistreur d'énergie (Chiffre2 ) est assez simple. Sur le côté gauche, il y a un certain nombre d'optocoupleurs pour l'isolation électrique, à travers lesquels les données de l'interface S0 du compteur sont envoyées aux entrées correspondantes du microcontrôleur. Ceux-ci sont contrôlés par interruption pour s'assurer qu'aucune impulsion n'est perdue. J'ai utilisé un module ESP32 peu coûteux car il dispose d'une puissance de calcul suffisante et également d'une interface Wi-Fi. Sur le côté droit, il y a deux modules de mémoire - un emplacement pour une carte SD pour le stockage de masse et un module FRAM supplémentaire, qui met temporairement en mémoire tampon les données de 5 minutes afin de réduire le nombre de cycles d'écriture sur la carte SD.

Puisque le circuit est si simple, je l'ai construit sur une planche à pain. Comme vous pouvez le voir sur les deux blocs bleu clair, deux alimentations distinctes sont fournies pour des raisons de sécurité. Pour les interfaces S0 de gauche, 6,5 V suffisent. Le reste du circuit est alimenté par une alimentation 5 V (à droite). Une capacité de charge de 0,5 A chacune est suffisante. Pour des raisons d'isolation électrique, les deux lignes GND des alimentations ne doivent en aucun cas être connectées. De plus, sous les optocoupleurs — entre leurs entrées et leurs sorties — tout le cuivre doit être retiré sur une distance d'au moins 4 mm.Chiffre3 montre à quoi cela est censé ressembler. L'isolation électrique au moyen de deux alimentations séparées permet également de connecter l'ESP32 à l'interface USB d'un PC (par exemple, pour permettre l'envoi de futures mises à jour au contrôleur installé). Au lieu d'utiliser deux alimentations, une solution avec une seule alimentation avec une charge de courant plus élevée plus un convertisseur DC/DC isolant et un régulateur de tension aurait également été possible, mais cela ne rendrait pas vraiment les choses plus faciles ni moins chères.

Comme déjà mentionné, utiliser deux modules de mémoire n'est pas un luxe. Les interfaces S0 peuvent parfois délivrer plusieurs impulsions par seconde. Si les valeurs mesurées étaient collectées dans la mémoire interne du microcontrôleur, des données pourraient être perdues lors d'une réinitialisation. D'un autre côté, les écrire immédiatement sur une carte SD réduirait massivement la durée de vie de la carte. Avec une seule valeur par seconde, 31,5 millions de cycles d'écriture se produiraient par an. Cependant, les cellules mémoire d'une carte SD arrivent en fin de vie après seulement 1 000 à 3 000 cycles d'écriture. Même une carte haute capacité présenterait donc presque certainement des défauts avant qu'un an ne se soit écoulé. Pour éviter cela, un tampon stable est fourni. Le module FRAM externe utilisé ici a une capacité de stockage de seulement 8 ko, mais c'est largement suffisant pour collecter pas mal de valeurs. Le plus grand avantage de la FRAM est qu'elle peut être écrite au moins 1010 fois, selon le fabricant - généralement, une telle mémoire peut même supporter des quadrillions de cycles d'écriture. Toutes les cinq minutes, les données collectées en FRAM sont transférées sur la carte SD. Cela signifie un peu plus de 100 000 opérations d'écriture par an, et comme une carte SD possède de nombreuses cellules de mémoire, elle peut fonctionner pendant plusieurs années sans aucun problème. De plus, le nombre de redémarrages de l'enregistreur est enregistré dans la FRAM, ce qui permet vous permet de vérifier à tout moment la fréquence de déclenchement d'une réinitialisation. De plus, un nouveau fichier est créé chaque jour sur la SD, et les données de cette journée y sont enregistrées. Afin d'économiser de l'espace mémoire, l'enregistrement ne démarre que si l'une des valeurs du compteur a changé depuis minuit. Si l'enregistreur d'énergie est utilisé pour enregistrer la consommation d'énergie, cette fonctionnalité est en fait superflue. Cependant, si la production d'énergie d'un système solaire est surveillée, il est utile que l'enregistrement ne commence qu'après le lever du soleil (c'est-à-dire lorsque la première électricité est générée).

Chiffre4 montre une section d'une feuille de calcul où les données ont été importées au format CSV. La cellule A1 contient la date et l'heure de création du fichier. La ligne 2 contient alors les dernières valeurs du jour précédent comme nouveau point de départ. Le premier changement d'une valeur de compteur s'est produit à 05h55 (cellule A3). À partir de la ligne 5, les nouvelles données de ce jour suivent. Les colonnes contiennent les données des compteurs individuels. Chaque ligne a une différence de temps de cinq minutes avec la ligne suivante. Les données sont enregistrées chaque jour jusqu'à minuit. Chaque jour, un nouveau dossier est créé. La quantité d'énergie peut alors être calculée à partir de la différence entre les valeurs comptées en utilisant la valeur d'impulsion des compteurs (par exemple, 0,5 Wh/impulsion). Le format CSV est économique et adapté à l'importation dans n'importe quelle feuille de calcul comme Excel, OpenOffice/LibreOffice Calc ou Numbers sur Mac. Les données peuvent ensuite être traitées à votre guise.

Sur la carte SD, les données sont stockées dans une structure de dossiers temporels. Au niveau supérieur, il y a des dossiers pour chaque année, chacun contenant des sous-dossiers pour les mois, et ceux-ci contiennent ensuite les fichiers pour les jours individuels.Chiffre5 montre la structure. Dans cet exemple, les valeurs de cinq compteurs sont enregistrées sous forme de nombres entiers (voirChiffre4 ). Grâce au format CSV, relativement peu de mémoire est nécessaire pour cela. Cela se traduit par quelques kilo-octets par mètre par jour. Le transfert des données de l'enregistreur vers un PC se fait via FTP. Les clients FTP courants tels que FileZilla conviennent à cela. Étant donné que l'enregistreur est intégré au réseau domestique via Wi-Fi, cette méthode est probablement la plus simple. J'ai créé le code source de l'ESP32 à l'aide de l'IDE PlatformIO pour VSCode. Le code est disponible en téléchargement gratuit sur la page web de cet article. Les données suivantes doivent être personnalisées dans le fichier main.cpp : A partir de la ligne 30, le SSID et le mot de passe du réseau Wi-Fi doivent être renseignés. Le nom d'utilisateur et le mot de passe pour FTP sont spécifiés à la ligne 813. Par défaut, "esp32" est entré comme nom d'utilisateur et mot de passe. Bien entendu, le client FTP a également besoin de l'adresse IP de l'enregistreur d'énergie. Cette adresse est émise via l'interface USB après une réinitialisation. Idéalement, cependant, vous devriez configurer votre routeur de sorte que l'enregistreur d'énergie se voit toujours attribuer la même adresse IP.

Les données actuelles et la valeur totale du jour et du jour précédent sont affichées à l'aide du serveur Web intégré. Le serveur héberge deux pages. Une page affiche la puissance actuelle par mètre ainsi que le total de tous les compteurs connectés. De plus, l'énergie totale de la journée et de la veille est affichée en kWh. L'autre page affiche l'intensité du champ du réseau Wi-Fi et le nombre de redémarrages de l'enregistreur.Les figures6et7 sont des captures d'écran d'un smartphone. Comme vous le remarquerez immédiatement, je n'utilise pas l'enregistreur d'énergie pour mesurer la consommation, mais pour surveiller mon système photovoltaïque, qui compte cinq onduleurs. Par conséquent, j'ai adapté les étiquettes des valeurs individuelles à mon utilisation prévue. Mais vous pouvez facilement modifier cela dans le logiciel selon vos besoins. Lors de la connexion à l'adresse IP dans le navigateur, vous obtenez l'affichage deChiffre6 . En ajoutant "/about" à l'adresse ou en cliquant sur le bouton Info,Chiffre7apparaît.

Une remarque supplémentaire à propos de la connexion Wi-Fi : si vous installez l'enregistreur d'énergie dans un boîtier métallique, vous rencontrerez certainement des problèmes de réception.

Une fois que l'enregistreur d'énergie est intégré dans un boîtier et installé, vous ne voudrez probablement plus retirer l'électronique en cas de changement de logiciel. Par conséquent, l'enregistreur de données peut être mis à jour "OvoirJilUNir" (c'est-à-dire via Wi-Fi). Le logiciel complet ainsi que le système de fichiers - les pages Web avec JavaScript et le fichier CSS - peuvent ainsi être rechargés si nécessaire. Si vous le souhaitez, vous entrez l'adresse IP avec "/mise à jour" en annexe.Chiffre8 montre à quoi cela ressemble dans mon cas. J'ai implémenté la fonctionnalité OTA à l'aide de la bibliothèque d'Ayush Sharma.

Le circuit est si simple qu'une liste de pièces est en fait inutile. Outre la carte de développement ESP32, qui est disponible partout, les composants importants sont un emplacement pour carte SD, disponible sur les cartes de dérivation bon marché, et le module FRAM, également disponible sur les cartes de dérivation. Étant donné que les cartes de dérivation sont disponibles avec différentes affectations de broches, vous ne devez pas faire attention aux numéros de broches, mais aux désignations des broches lors de la connexion. Pour le module de carte SD, MOSI peut être connecté à DI ou SI et MISO à DO ou SO. Les compteurs peuvent être n'importe quel modèle bon marché pour montage sur rail DIN avec une interface S0. Le type DDS5188 que j'ai utilisé (Chiffre9) est facilement disponible et très bon marché.

S'il va sans dire que vous devez faire preuve de la prudence nécessaire lorsque vous travaillez sur le secteur, une remarque doit être autorisée : différentes lois nationales s'appliquent aux travaux sur la boîte à fusibles. En Allemagne, vous devez être enregistré auprès de l'opérateur du réseau en tant qu'électricien qualifié à cet effet. De plus, les travaux sur les sous-distributeurs externes connectés à la boîte à fusibles ne sont autorisés que pour un électricien qualifié ayant la formation et les connaissances appropriées.

Note de la rédaction : l'article 220079-01 (traduit par J. Starkmuth) paraît dans Elektor mai/juin 2023. Avez-vous des questions ou des commentaires concernant cet article ? Contactez Elektor à [email protected].

Georg Luber est un électricien de formation qui a étudié l'électrotechnique et a travaillé pendant de nombreuses années dans les domaines de la sécurité électrique et de l'installation électrique. Il a travaillé au niveau national et international dans des comités de normalisation (DKE/VDE, CENELEC, IEC et ISO). Un autre axe de son travail était l'automatisation des bâtiments, en particulier KNX. Georg Luber est impliqué dans le développement de projets logiciels et électroniques dans ces domaines.