Razvoj pametnega merilca porabe električne energije na platformi ARM
Avtor: Darijo Topić
Predmet: Napredni programirljivi elektronski sistemi
Mentor: izr. prof. Matej Rojc
Stopnja: 2
Datum: 2018
DKUM: DARIJO TOPIĆ
V magistrski nalogi predstavljamo razvoj pametnega merilca porabe elektične energije na osnovi ARM platforme. Na splošno, komercialni merilci porabe električne energije merijo samo celotno porabo delovne energije, pri čemer uporabniki nimajo možnosti spremljati tudi ostalih pomembnih parametrov porabe električne porabe. V nalogi je cilj razviti prototip pametnega merilca porabe energije na osnovi ARM platforme, ki lahko meri več parametrov porabe energije in jih tudi v realnem času prikazuje na spletni strani.
V magistrski nalogi predstavljamo razvoj pametnega merilca porabe elektične energije na osnovi ARM platforme. Na splošno, komercialni merilci porabe električne energije merijo samo celotno porabo delovne energije, pri čemer uporabniki nimajo možnosti spremljati tudi ostalih pomembnih parametrov porabe električne porabe. V nalogi je cilj razviti prototip pametnega merilca porabe energije na osnovi ARM platforme, ki lahko meri več parametrov porabe energije in jih tudi v realnem času prikazuje na spletni strani. V nalogi tako podrobno predstavimo celoten razvoj pametnega merilca porabe energije, kot tudi razvoj uporabniškega vmesnika za prikaz merjenih rezultatov na spletni strani. Rezultati so predstavljeni tako tekstovno kot tudi grafično. Poleg tega predstavimo tudi teorijo merjenja porabe električne energije in nekaj komercialnih merilcev porabe energije.
Jedro predlaganega sistema predstavlja ARM mikrokrmilnik, ki zbira podatke iz modula za merjenje električne energije, ki sicer meri vse parametre porabe energije. Glavna naloga ARM mikrokrmilnika je obdelati parametre in jih poslati prek modula WIFI. Poleg tega se sistemu lahko doda LCD za prikaz podatkov, medtem ko se lahko SD kartica uporabi kot pomnilnik za podatke. Nadaljnje zahteve so, da ima ARM mikrokrmilnik dovolj nizko porabo, ceno in je dovolj zmogljiv, da lahko opravlja vse predvidene funkcije. ARM Cortex serija mikrokontrolerjev je najbolj priljubljena in najboljša izbira za predlagani merilnik energije. Med mikrokrmilnikom in modulom za merjenje električne energije je potrebno uporabiti izolator, da se ustvari galvansko ločitev. Namreč, če pride med merjenjem energije do napake, mora biti modul za merjenje električne energije ločen od ostalih elektronskih komponent, da zaščitimo komponente in uporabnika. Poleg tega je lažje in ceneje nadomestiti samo poškodovano komponento kot pa celotno platformo.
Modul za merjenje električne energije je modul, ki ga potrebujemo za merjenje parametrov porabe električne energije. Ta modul zbira podatke preko senzorja toka in elektičnega omrežja (230 V). Senzor toka je pomemben del modula za merjenje energije, saj je posredno odgovoren za odčitavanje vrednosti toka. Na voljo je v večih izvedbah, kot so npr. shunt upor, tokovni transformator ali tuljava Rogowski. Tretja komponenta, ki jo potrebujemo v sistemu je modul WIFI, ki mora podatke pošiljati na spletno stran za nadaljnjo analizo podatkov. Danes obstaja veliko modulov WIFI tudi zaradi hitrega razvoja rešitev IOT. Glavne zahteve za izbiro modula WIFI so v našem primeru cena in fleksibilna integracija z izbranim ARM mikrokrmilnikom.
Pametni merilnik porabe energije smo izvedli na dvostranskem PCB vezju z uporabo SMD komponent. Dimenzije kondenzatorjev in uporov so enake tistim v seriji 0805. Komponente smo spajkali po skupinah in ne vse naenkrat. Namreč, bolje je spajkati sistematično in postopoma in pred nadaljevanjem preverjati, če so prisotne napake. Pristop “spajkanje vsega v enem koraku” se ne priporoča, ker vedno obstaja nevarnost poškodbe vseh komponent na PCB v primeru prisotne napake. V postopju spajkanja smo z uporabo multimetra preverjali tudi morebitno prisotnost kratkega stika. Emoncms je odprtokodna spletna aplikacija, ki se uporablja za obdelavo, logiranje in vizualizacijo energije, temperature in drugih podatkov v okolju in je del projekta “OpenEnergyMonitor”. Lahko ga konfiguriramo preko grafičnega uporabniškega vmesnika, ki lahko vključuje veliko grafov in vrstic. Prejeti podatki se shranjujejo tudi v podatkovni bazi spletne strani, tako da je mogoče pregledati tudi vse prejete podatke.
Predlagani pametni merilnik energije lahko spremlja porabo vseh električnih gospodinjskih aparatov v realnem času. V fazi testiranja smo najprej postavili testno okolje, ki je dejansko simuliralo električno omrežje v domu. Vir napajanja je predstavljala standardna vtičnica za 230 Vl. Napetost smo pripeljali na ločeno PCB vezje, kjer se je napetost pretvorila na 9 V. To je bila tudi napetost na vhodu ADE7953 na glavnem PCB vezju. Tok pa smo pripeljali na tokovni vhod ADE7953 preko tokovnega transformatorja. Glavni cilj testiranja je bil primerjati predlagani pametni merilnik energije s prej omenjenim merilnikom HIKING DDS238-2 SW. Če je pametni merilnik energije ustrezno kalibriran, morajo biti tudi odčitki na obeh merilnikih dovolj blizu. Meritve smo izvedli za štiri različne konfiguracije bremen. Merili smo porabo energije vsake naprave in poraba energije z vsemi obremenitvami. Meritve smo izvedli pri različni porabi energije (različna poraba električne energije in tok). Rezultati predlaganega prototipa merilnika pametne energije kažejo na zelo majhna odstopanja. Pomeni, da je kalibracija bila ustrezno izvedena in da je merilnik energije pripravljen za uporabo.
Diskusija in rezultati
