基于物聯(lián)網(wǎng)的智能電表

時(shí)間：2024-11-16 20:41:44

關(guān)鍵字：物聯(lián)網(wǎng) 智能電表 ESP8266 電流傳感器

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[導(dǎo)讀]大家都會(huì)同意，我們的家用電器耗電量高，令人十分困擾，我們每個(gè)月都在盡力減少電費(fèi)。不僅如此，為了了解和監(jiān)測(cè)電力使用情況，我們不斷檢查安裝在家里或辦公室的電表。如果我們可以通過(guò)智能手機(jī)隨時(shí)隨地監(jiān)控電費(fèi)會(huì)怎么樣?是的，在物聯(lián)網(wǎng)的幫助下，我們可以使用智能電表輕松監(jiān)控功耗。我們之前做過(guò)其他基于物聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控項(xiàng)目，如溫度和濕度監(jiān)測(cè)，電池監(jiān)測(cè)，食品監(jiān)測(cè)，空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)等。

大家都會(huì)同意，我們的家用電器耗電量高，令人十分困擾，我們每個(gè)月都在盡力減少電費(fèi)。不僅如此，為了了解和監(jiān)測(cè)電力使用情況，我們不斷檢查安裝在家里或辦公室的電表。如果我們可以通過(guò)智能手機(jī)隨時(shí)隨地監(jiān)控電費(fèi)會(huì)怎么樣?是的，在物聯(lián)網(wǎng)的幫助下，我們可以使用智能電表輕松監(jiān)控功耗。我們之前做過(guò)其他基于物聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控項(xiàng)目，如溫度和濕度監(jiān)測(cè)，電池監(jiān)測(cè)，食品監(jiān)測(cè)，空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)等。

很長(zhǎng)一段時(shí)間以來(lái)，我一直在試圖找到一種簡(jiǎn)單而準(zhǔn)確的方法來(lái)測(cè)量和監(jiān)控任何地方的電力使用情況，無(wú)論是在家里、辦公室還是在旅途中。經(jīng)過(guò)一番研究，我決定通過(guò)使用帶有NodeMCU的電流傳感器構(gòu)建一個(gè)簡(jiǎn)單的電流值，并將測(cè)量的電流值發(fā)送到物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)。這可以在Adafruit MQTT物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的幫助下完成，該平臺(tái)是免費(fèi)的，不需要訂閱。要制作這個(gè)電能表，你只需要很少的組件和互聯(lián)網(wǎng)連接。

所需的材料

?ACS712電流傳感器

?NODE MCU ESP8266模塊

?移動(dòng)充電器和USB連接線(xiàn)(用于供電和程序上傳&用于串行監(jiān)視器讀取)

?燈座

?穩(wěn)定負(fù)載-這里是100瓦的燈泡

?一些電線(xiàn)

電流傳感的不同方法

測(cè)量導(dǎo)線(xiàn)電流的方法有很多種，本文討論了常用的電流傳感方法。電流傳感有兩種方式，即直接傳感法和間接傳感法。直接感應(yīng)法使用歐姆定律來(lái)測(cè)量電流流過(guò)導(dǎo)線(xiàn)時(shí)發(fā)生的電壓降，但ACS712使用間接電流感應(yīng)法(通過(guò)應(yīng)用法拉第定律或安培定律計(jì)算磁場(chǎng)來(lái)測(cè)量)，因此載流導(dǎo)線(xiàn)上不會(huì)有外部負(fù)載，也不需要直接接觸。它類(lèi)似于鉗形儀表的工作原理。我們將在本文后面討論更多關(guān)于ACS712工作的內(nèi)容。

另一種流行的電流傳感方法是使用電流互感器(CT)。它也是一種間接電流傳感方法。它的工作原理與載流導(dǎo)線(xiàn)穿過(guò)CT變壓器的中心孔相同，CT變壓器由一個(gè)線(xiàn)圈組成，該線(xiàn)圈將接收載流導(dǎo)線(xiàn)產(chǎn)生的磁通量。通過(guò)測(cè)量線(xiàn)圈中感應(yīng)的電壓，我們可以計(jì)算出通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)的電流。一個(gè)典型的電流互感器如下所示。

ACS712電流傳感器

ACS712基于1879年埃德溫·霍爾博士發(fā)現(xiàn)的霍爾效應(yīng)理論。根據(jù)這一原理，當(dāng)載流導(dǎo)體置于磁場(chǎng)中時(shí)，會(huì)在其邊緣產(chǎn)生垂直于電流和磁場(chǎng)方向的電壓。這個(gè)電壓被稱(chēng)為霍爾電壓，它的典型值是幾毫伏。因此，通過(guò)測(cè)量霍爾電壓，我們將能夠計(jì)算流過(guò)傳感器的電流量。典型的ACS712電流傳感器如下圖所示。

當(dāng)電子流過(guò)導(dǎo)線(xiàn)或路徑時(shí)，會(huì)在其周?chē)a(chǎn)生磁場(chǎng)。該磁場(chǎng)由霍爾效應(yīng)IC感測(cè)并產(chǎn)生電壓輸出，該輸出可直接饋送到微控制器或ESP板。該傳感器位于從相位輸入輸出的粗銅導(dǎo)電路徑上的IC表面。

ACS712傳感器有4個(gè)變體(185mV=5A模塊，100mV=10A和66mV，適用于20A和30A模塊)，每個(gè)變體的額定電流值不同。您可以根據(jù)自己的要求選擇其中任何一個(gè)，但為了更好地校準(zhǔn)，每安培的毫伏值應(yīng)正確分配給編碼。請(qǐng)注意，隨著傳感器電流額定值的增加，精度會(huì)降低。

NodeMCU電能表電路圖

基于物聯(lián)網(wǎng)的電能表的完整電路圖如下所示。雖然它非常簡(jiǎn)單，但您應(yīng)該遵循圖形表示以更好地理解并確保連接是正確的。請(qǐng)注意，使用主電源需要練習(xí)，因此，如果您不確定如何做，請(qǐng)不要構(gòu)建此電路。

我們將NodeMCU與ACS712電流傳感器一起使用，電流傳感器將測(cè)量交流負(fù)載消耗的電流，NodeMCU將測(cè)量該電流，計(jì)算功率(假設(shè)電壓恒定)并將功率值發(fā)送到Adafruit IO等云平臺(tái)。為了您的方便，下面還提供了一個(gè)直觀的信息圖形電路圖。

正如您所看到的，NodeMCU將通過(guò)USB端口使用5V移動(dòng)充電器供電，交流負(fù)載將通過(guò)我們的ACS712電流傳感器連接到220V交流電源。

該傳感器在VCC上的最大輸入電壓為5V，但在較低電壓下也能正常工作。請(qǐng)注意，ASC712輸出偏置電壓依賴(lài)于其工作電壓(一般為工作電壓的一半)。由于我們從ESP 3V輸出引腳上電模塊，當(dāng)沒(méi)有電流流過(guò)時(shí)，ACS712模塊輸出偏置電壓為1.5伏(1500 mv)。ESP內(nèi)部有一個(gè)板載分壓器電路，所以我們從ACS712輸出直接輸入到A0輸入引腳。

按照上面的電路進(jìn)行連接。我直接焊接了NodeMCU和ACS712傳感器之間的電線(xiàn)，但您也可以使用面包板和連接線(xiàn)。準(zhǔn)備好后，我的設(shè)置如下所示。

Adafruit IO能源監(jiān)測(cè)

當(dāng)一切完成后，是時(shí)候在“Adafruit IO”物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)上開(kāi)設(shè)賬戶(hù)，并將我們的電路與Adafruit服務(wù)器連接起來(lái)，實(shí)時(shí)監(jiān)控電能表讀數(shù)。請(qǐng)按照以下步驟逐步操作：

對(duì)于Adafruit IO設(shè)置，您需要做的第一件事是注冊(cè)Adafruit IO。

2. 在此之后，將彈出一個(gè)窗口，您需要在其中填寫(xiě)詳細(xì)信息。

在注冊(cè)窗口，填寫(xiě)您的詳細(xì)信息，如您的姓名，郵件id，用戶(hù)名等。然后點(diǎn)擊保存設(shè)置，你的賬戶(hù)就創(chuàng)建好了。要獲得AIO密鑰，請(qǐng)單擊“查看AIO密鑰”。

3. 一個(gè)窗口將彈出與您的Adafruit IO AIO密鑰。復(fù)制這個(gè)鍵，稍后在python代碼中會(huì)用到它。

4. 現(xiàn)在，您需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)提要。要?jiǎng)?chuàng)建提要，請(qǐng)單擊“feed”。然后點(diǎn)擊“Actions”，你會(huì)看到一些選項(xiàng)，點(diǎn)擊“Create a New Feed”。

5. 在此之后，將打開(kāi)一個(gè)新窗口，您需要輸入：

名稱(chēng)-在名稱(chēng)選項(xiàng)中，為提要寫(xiě)一個(gè)簡(jiǎn)短的描述性名稱(chēng)。您可以使用字母、數(shù)字和空格。

描述-對(duì)數(shù)據(jù)的長(zhǎng)格式描述。該字段不是必需的，但是您可以編寫(xiě)數(shù)據(jù)的描述。

6. 點(diǎn)擊“創(chuàng)建”，您將被重定向到您的新提要。

7. 接下來(lái)，要添加一個(gè)新的Toggle Block，您需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)儀表板。創(chuàng)建Dashboard和創(chuàng)建Feed是一樣的。所以請(qǐng)遵循相同的步驟。現(xiàn)在要添加一個(gè)塊，單擊屏幕右上角的“加號(hào)”，然后單擊第一個(gè)選項(xiàng)。

8. 現(xiàn)在，選擇我們之前創(chuàng)建的提要，然后點(diǎn)擊“下一步”。

9. 如果你想改變塊的設(shè)置，或者保持原樣，然后點(diǎn)擊“創(chuàng)建塊”。

NodeMCU物聯(lián)網(wǎng)電能表程序

完整的物聯(lián)網(wǎng)電能表代碼可以在本文末尾找到，但我們需要下載一些代碼庫(kù)。你可以通過(guò)庫(kù)管理器下載，也可以從下面的鏈接下載，并使用Arduino IDE上的“import library”選項(xiàng)添加。

?ESP8266WIFI

?Adafruit MQTT

?Adafruit MQTT客戶(hù)機(jī)

首先，我們將包括ESP8266和Adafruit MQTT的所有庫(kù)。

然后，我們定義您的wifi網(wǎng)絡(luò)的SSID和PASSWORD。

這部分代碼定義了“Adafruit服務(wù)器”，這是網(wǎng)站本身的鏈接，以及Adafruit服務(wù)器“端口”，您的帳戶(hù)“用戶(hù)名”和您的“AIO密鑰”。

然后我們有一個(gè)可變的毫伏/安培靈敏度，必須在編碼中提到，這對(duì)于ACS712傳感器的所有變體都是不同的(5Amp模塊185mV， 10A 100mV， 20 & 30安培模塊66mv)。

在VOID設(shè)置下，我們剛剛連接到wifi。

在loop函數(shù)中，首先，我們連接MQTT并從傳感器獲取電壓值。

在這個(gè)函數(shù)中，我們?cè)?秒內(nèi)取值，在這1秒內(nèi)，我們將從傳感器讀取值，然后我們將計(jì)算最大值和最小值。所以，基本上在這1秒內(nèi)我們要存儲(chǔ)電壓的最小值和電壓的最大值結(jié)果是電壓的最大值和最小值之間的差值乘以5再除以1024所有這些都是用來(lái)轉(zhuǎn)換成電流的它與校準(zhǔn)因子有關(guān)。