Waakhond in de mete Jeroen Peters

Transcriptie

1 Waakhond in de mete Jeroen Peters Dat bij velen van ons het elektriciteitsverbruik en dus ook de hoogte van de energierekening toenemen, is een feit. Daarom is het handig het inzicht in het verbruik te verbeteren. De bestaande energiemeters in de vorm van een adapter waar je een apparaat in kunt prikken, laten het verbruik van plafondlampen en andere direct op het net aangesloten verbruikers echter niet zien. Deze Wireless Energy Monitor (WEM) doet dit wel. R E-meter IC IC IC = LM IC = LM R 00k R R D IC.A C 00n IC.B IC.A Sensor E-meter (RB0) R R R R k k R0 R R R R R R tarief I D D Figuur. De sensorschakeling van de draadloze energiemonitor, die in de meterkast komt. R tarief II R IC.B E-meter I / II (RB) IC CNY0 G meter R IC.C 00 - Sensor G meter (RB) De Wireless Energy Monitor bestaat uit een aantal sensoren met een zender en een ontvanger. De zender met de sensoren plaats je in de meterkast bij de elektriciteitsmeter en de gasmeter. Voor de voeding van de zender kun je de beltrafo gebruiken. De ontvanger kan via de draadloze verbinding overal in huis het actuele afgenomen vermogen in watts weergeven op een LCD-schermpje. Zo kun je in elk vertrek zien welke invloed het in/uitschakelen van een apparaat heeft op het verbruik. De ontvanger wordt gevoed met een V blokbatterij. Zowel de zender als de ontvanger maakt gebruik van een -processor. De schakelingen zijn voorzien van een RS-connector waarmee de geprogrammeerd kan worden. De programmer hiervoor is erg eenvoudig van opzet en gemakkelijk zelf te bouwen. Het principe De meeste elektriciteitsmeters die op dit moment in gebruik zijn, hebben een LED die sneller flitst naarmate je meer elektriciteit verbruikt. Op de meter kun je zien hoeveel impulsen hij per kilowattuur geeft (imp./kwh). De meter op de foto (figuur ) geeft bijvoorbeeld 00 imp./kwh. Deze pulsen registreren we met behulp van R uit figuur. Verder willen we weten of we afgerekend worden tegen tarief I (meestal hoog tarief) of tarief II (meestal laag tarief). Hiervoor plaatsen we nog twee s (R0 en R) elektuur - /00

2 rkast Wireless Energy Monitor op de elektriciteitsmeter (zie figuur ). Bij de gasmeter maken we gebruik van het kleine reflecterende rondje dat in het cijfer van het meest rechtse telwiel van die gasmeter zit. Een reflectiesensor (IC) stuurt een infrarood lichtstraaltje naar dit telwiel. De lichtgevoelige transistor in de reflectiesensor ziet dit reflecterende rondje, waardoor we het gasverbruik in hondersten van een m nauwkeurig kunnen meten. De schakeling bij de zender meet de tijd tussen twee impulsen, kijkt welk tarief op dat moment geldt en houdt de gasstand bij. Deze gegevens verstuurt ze vervolgens via de HF-zendermodule. De ontvanger rekent de tijdsduur tussen de laatste twee impulsen van de elektriciteitsmeter om naar het vermogen (watt) dat op dat moment wordt afgenomen. Hij toont dit vervolgens op het LC-display. Hij houdt daarbij rekening met het dan geldende tarief. Verder toont hij op het display ook de interne tellerstand van zowel de elektriciteitsmeter als de gasmeter. Deze tellers beginnen bij nul zodra we de zender voor het eerst aansluiten. Zo kunnen we eenvoudig het verbruik bijhouden zonder naar de meterkast te hoeven lopen. Om het helemaal eenvoudig te maken, heeft de ontvanger ook een RS-aansluiting die al deze gegevens - iedere keer wanneer er nieuwe gegevens ontvangen zijn - aan bijvoorbeeld de pc aanbiedt. In figuur zien we schematisch hoe dit allemaal aan elkaar gekoppeld is. De zenderschakeling De schakeling voor de zender bekijken we in twee aparte delen: de basisschakeling voor de zender zelf, samen met de voeding die van de beltrafo wordt afgenomen (figuur en ), en de drie schakelingen voor de sensoren op de elektriciteits- en gasmeter (figuur ). E-puls Zender Tarief I / II G-puls Gas meter HF-Zender HF-Ontvanger Ontvanger LCD RS PC 00 - Figuur. Het blokschema van de zender en de ontvanger van de draadloze energiemonitor. L0 IC L0 R V... 0V 00mA D D x N00 D D C 000µ V C 0µ V Sensor E-meter Sensor G meter E-meter I / II * K RB0/INT IC RB RA0 RB RA F RB RA 0 RB RA RB RA/T0CKI RB/ RB/ OSC OSC X De zender is opgebouwd rond de F van Microchip. Deze is goed te verkrijgen en eenvoudig zelf te programmeren, zonder dat hiervoor een dure programmer nodig is. In de schakeling is een -polige aansluiting opgenomen voor het programmeren van de. De hele schakeling van de zender voeden we vanuit de beltrafo die meestal al in de meterkast hangt en het belangrijkste deel van de dag geen vermogen hoeft te leveren. In plaats van de beltrafo kan ook een oude voeding gebruikt worden. Omdat de spanning met D...D eerst wordt gelijkgericht en dan met IC gestabiliseerd, kunnen we vrijwel iedere voeding gebruiken met een gelijk- of wisselspanning van, tot 0 volt. De zender neemt samen met de sensoren en de LED s nooit meer dan 00 ma stroom op. R trekt de Master CLear Reset () naar een spanning van V. X, C en C zorgen voor een stabiel kloksignaal van MHz voor de. Voor de zender gebruiken we een MHz setje van Conrad (artikelnummer 0). Dit setje bevat een zender- en ontvangermo- Elektriciteitsmeter HF- Zender C C * I = laag tarief Figuur. II = normaal tarief p MHz p 00 - ANT Het schema van de schakeling bij de zendmodule is niet meer dan een met een voeding en een kristal. /00 - elektuur

3 LC DISPLAY x D D D D D D D D0 E R/W RS VO VDD VSS 0 R IC L0 R BT V C 0µ V K IC RA0 RB RA RB RA RB F RA RB RA/T0CKI RB RB0/INT RB/ RB/ OSC OSC X 0 D HF- Ontvanger ANT Figuur. Ook de ontvangerschakeling is erg eenvoudig. Behalve de zijn er vrij weinig andere componenten. C p MHz C p R 00 - Figuur. Bij de programmeerkabel moet u vooral goed letten op de juiste signaalverbindingen. Figuur. De opbouw van het bericht dat de zender naar de ontvanger stuurt. K R R K RTS TxD CTS DTR R R D k 00 - knipperendeled op E-meter ±0 ms start E_TIME E_RATE E_COUNTER E_COUNTER G_COUNTER CRC x ms puls ( bytes) ( byte) ( bytes) ( bytes) ( bytes) ( byte) startpuls E_TIME_ E_TIME_ ms ms s 00 s 00 s s startpuls 00 - dule, en heeft voldoende bereik voor gebruik binnen de woning. Als we het gekrulde antennedraadje uitrollen, wordt het bereik nog wat groter. U kunt de meegeleverde antenne ook vervangen door een recht stukje geïsoleerd draad van precies cm lang ( / λ-antenne). De sensoren sluiten we aan op RB0...RB van de. Voor het signaleren van het flitsje dat het elektriciteitsverbruik aangeeft, gebruiken we de schakeling uit figuur. R plaatsen we vlak voor de flitsende LED op de elektriciteitsmeter (figuur ). Samen met R vormt deze een spanningsdeler waarvan de middenspanning zal toenemen zodra de LED op de elektriciteitsmeter oplicht. ICa buffert deze spanning. C en R zorgen ervoor dat deze spanning in rust 0 V bedraagt. Hierdoor heeft de schakeling aanzienlijk minder last van omgevingslicht. Handig als de meterkast bijvoorbeeld even open staat. ICb versterkt de puls maal ((0 k + k) / k). De puls is dan groot genoeg om comparator ICa te laten omklappen. Omdat op de negatieve ingang van ICa een referentiespanning van slechts 0, V staat, is een klein signaal hiervoor al voldoende. Deze referentiespanning komt van spanningsdeler R/R. Zodra de LED van de elektriciteitsmeter even oplicht, zal de uitgang van comparator ICa even laag zijn en flitst LED D even. De ziet RB0 dan even 0 worden. Veel elektriciteitsmeters zijn uitgerust met een dubbel telwerk (dag/nachtstroom). Om te kunnen zien welk telwerk actief is (en dus welk tarief op dat moment geldt), gebruiken we de deelschakeling met s R0 en R. Deze monteren we ieder boven de LED die op de elektriciteitsmeter aangeeft welk telwerk op dat moment actief is (zie figuur ). Omdat altijd één van beide LED s brandt, elektuur - /00

4 zal de middenspanning van deze spanningsdeler altijd groter of kleiner zijn dan de, V referentiespanning die met R en R op de negatieve ingang van comparator ICb gezet wordt. Is tarief I van toepassing, dan brandt LED D niet en staat op RB een, bij tarief II brandt LED D wel en ziet RB een 0. Om het gasverbruik te meten, gebruiken we IC uit figuur. Hiermee signaleren we het verzilverde rondje in het cijfer van het meest rechtse telwiel van de gasmeter (zie figuur en 0). IC is een reflectiesensor die een infrarood lichtstraaltje naar de meter stuurt en met een sensor detecteert hoeveel licht er teruggekaatst wordt. Als het reflecterende vlakje van het telwerk van de gasmeter voor IC staat, zal de transistor in IC gaan geleiden en de spanning op de positieve ingang van comparator ICc onder de referentiespanning van 0, V (spanningsdeler R/R) dalen. De uitgang van comparator ICb zal dan laag worden en LED D licht op. De -processor ziet nu op RB een 0 verschijnen. De ontvangerschakeling In de ontvangerschakeling gebruiken we opnieuw een F (figuur - en ). Ook hier hebben we in de schakeling weer een -polige aansluiting opgenomen om de microcontroller te kunnen programmeren. Voor de ontvangst van het HF-signaal van de zender gebruiken we de ontvanger die samen met de zender door Conrad wordt verkocht. Vergeet niet een geïsoleerd draadje van precies cm lengte als antenne te monteren. Deze schakeling wordt gevoed door een blokbatterij van V. Een L0 maakt daar samen met C weer een gestabiliseerde spanning van V van. Als we in plaats hiervan een LP0CZ.0 gebruiken, verloopt de stabilisatie een stuk zuiniger en gaat de batterij bijna 0% langer mee. In de schakeling staat weer de F centraal. Hij krijgt de informatie van de elektriciteits- en de gasmeter binnen via de HF-ontvanger van Conrad. R, C, C en K zijn bij de zenderschakeling reeds beschreven. Het LCD wordt rechtstreeks op de aangesloten en in -bits mode aangestuurd (zie verderop onder het kopje software ). Met R kan het contrast van het LCD-scherm geregeld worden. Tenslotte is connector K aanwezig om de ingelezen data rechtstreeks via de COM-poort aan de pc door te geven. Iedere keer wanneer de elektriciteitsmeter een lichtpuls levert, zal de alle gegevens doorsturen naar de pc. Als er geen pc gebruikt wordt, kan deze connector weggelaten worden. LED D licht even op bij elk correct ontvangen bericht van de zender. De software Voor zowel de zender als de ontvanger is er een broncode in assembly en een hex-file beschikbaar (te downloaden van die eenvoudig in de -processoren te laden is. Hiervoor kan het programma NT- PROG.EXE van Andreas Hansson gebuikt worden []. Als de broncode aangepast moet worden, dan kan dat met de MPLAB IDE omgeving die gratis te downloaden is van de site van Microchip []. Het programmeren van de s gebeurt via de COMpoort van de pc. Hiervoor heb is een eenvoudig programmeerkabeltje nodig (figuur ). Steek de -polige D-connector in de COM-poort van de pc. De andere aansluiting schuiven we over de -polige printconnector K van de zender of de ontvanger. Let er 0 /00 - elektuur

5 op dat deze goed wordt geplaatst, dus met de -aansluiting aan de juiste kant! Vervolgens kunnen de s eenvoudig geprogrammeerd worden met NTPROG. EXE en de.hex-file. Gebruik wel een desktop-pc, want een notebook heeft vaak niet meer dan, V op de signaallijnen van de COM-poort staan. En dat is niet voldoende. Zorg verder dat de voeding van de is aangesloten tijdens het programmeren. Bij de zender sluiten we tijdelijk een -V-batterij aan op de voedingslijnen die anders met de beltrafo verbonden zijn. De software in de zender meet de tijd tussen twee pulsjes van de knipperende LED op de elektriciteitsmeter. Direct na elke meting verstuurt ze de volgende gegevens naar de ontvanger: Tijd tussen twee E-pulsen (E_TIME_ en E_TIME_). De verstreken tijd tussen twee pulsjes van de elektriciteitsmeter in milliseconden is gelijk aan E_TIME_ x + E_TIME_ en is maximaal ms. Indicator tarief I/II (RATE). Dit byte is voor tarief I en voor tarief II. Tellerstand E-meter tarief I (E_ en E_). De teller die aangeeft hoeveel pulsjes er op de elektriciteitsmeter zijn geweest voor tarief I sinds de zender is ingeschakeld. Dit aantal is gelijk aan E_ x + E_ en ligt tussen 0 en. Na de waarde begint de teller weer bij 0. Deze tellerstand moet nog door het aantal impulsen/kwh gedeeld worden om het aantal kwh s te kunnen bepalen. Tellerstand E-meter tarief II (E_ en E_). Als hiervoor beschreven, echter nu voor tarief II. Tellerstand G-meter (G_ en G_): als hiervoor beschreven, echter nu voor de gasmeter, waarbij de teller na de waarde weer op 0 springt. De teller geeft honderdsten van een m aan. CRC controlebyte (CRC). In figuur - is te zien hoe het bericht precies verstuurd wordt. De ontvanger rekent de tijdsduur tussen twee lichtpulsen van de elektriciteitsmeter om naar het vermogen dat op dat moment in huis wordt afgenomen. Omdat dit afhankelijk is van het type meter (aantal imp./kwh) moet men dit in de software eerst even instellen. De software gaat standaard uit van 00 imp./kwh. De foto van het LCD in figuur toont hoe het scherm is opgebouwd. Op de eerste regel staan het opgenomen vermogen en de teller met het aantal pulsen van het eerste telwerk van de elektriciteitsmeter. Op de tweede regel staan de teller voor de gasmeter en de teller voor het tweede telwerk van de elektriciteitsmeter. De van de zender ontvangen bytes worden allemaal ook via de seriële aansluiting naar de pc gestuurd. Deze gegevens komen daar binnen met een snelheid van 00 baud, geen pariteitsbit, bits per byte en stopbit. De praktijk Het contrast van het LCD-scherm op de ontvanger wordt ingesteld met instelpotmeter R. Wanneer men de energiemonitor inschakelt, zal hij meteen beginnen met het optellen en registreren van het aantal kubieke meters gas en het verbruikte vermogen. Als s avonds alles uitgeschakeld is, komt u te weten wat er nog verbruikt wordt door energiesnoepers. Het is ook een test of bijvoorbeeld de pc wel is uitgeschakeld en of de verwarming nog aan staat. Ook kunnen de echte energieverslinders opgespoord worden en maatregelen genomen worden. Zo kun je bijvoorbeeld lampen die vaak branden vervangen door spaarlampen, of apparatuur niet in de stand-by laten staan maar uitschakelen. Het verschil in elektriciteitsverbruik is uit te rekenen met behulp van de gegevens die op het LCD van de schakeling staan. Omdat alle gegevens door de pc kunnen worden ingelezen, is het mogelijk een eigen database te maken van het verbruik in huis en waarin wordt aangegeven of men wel of niet zuiniger omgaat met energie. Op [] is een mooi voorbeeld te zien van een vergelijkbaar systeem. Je kunt ook de tijdstippen zien waarop er een piek aan vermogensverbruik is. Weblinks: [] [] [] [] Over de auteur: Jeroen Peters is eerstejaars student Computer Engineering aan de Hogeschool Arnhem Nijmegen (HAN). Zijn interesse ligt op het gebied van praktische toepassingen van elektronica, in het bijzonder domotica. Veel van zijn huidige kennis heeft hij opgedaan uit het boek Domotica van Heino Peters, dat eerder dit jaar bij uitgeverij Segment is verschenen. De basis voor de hier beschreven schakeling heeft hij gemaakt voor zijn profielwerkstuk op de HAVO. (00) 0 elektuur - /00