基于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)的樹(shù)莓派智能能源監(jiān)控器

　　能源監(jiān)控器，無(wú)論是覆蓋整個(gè)公寓還是部署為僅監(jiān)控一個(gè)設(shè)備，都為您提供了一種跟蹤您的消耗并進(jìn)行必要調(diào)整的方法。雖然它們?cè)谑袌?chǎng)上越來(lái)越多，但我心中的制造商仍然認(rèn)為構(gòu)建一個(gè)可以定制以滿足特定個(gè)人需求的 DIY 版本將是一個(gè)好主意。因此，在今天的教程中，我們將構(gòu)建一個(gè)能夠獲取能耗并上傳到 Adafruit.io的Raspberry Pi 功耗監(jiān)視器。

　　樹(shù)莓派智能電表框圖

　　顯示系統(tǒng)如何工作的框圖如下所示。

　　一個(gè)接一個(gè)地挑選單位；

　　電流感應(yīng)單元：電流感應(yīng)單元由SCT -013 電流傳感器組成，可測(cè)量高達(dá) 100A 的電流，具體取決于您購(gòu)買(mǎi)的版本。傳感器將通過(guò)導(dǎo)線的電流轉(zhuǎn)換成小電流，然后通過(guò)分壓器網(wǎng)絡(luò)饋入 ADC 。

　　電壓傳感單元： 雖然我無(wú)法將手放在電壓傳感器模塊上，但我們將構(gòu)建一個(gè) DIY 無(wú)變壓器電壓傳感器，使用分壓器原理測(cè)量電壓。DIY 電壓傳感器涉及分壓器階段，其中高壓轉(zhuǎn)換為適合輸入到 ADC 的值。

　　處理單元：處理單元包括ADC和樹(shù)莓派。ADC 接收模擬信號(hào)并將其發(fā)送到樹(shù)莓派，然后樹(shù)莓派計(jì)算消耗的確切電量并將其發(fā)送到指定的設(shè)備云。出于本教程的目的，我們將使用Adafruit.io 作為我們的設(shè)備云。我們還建立了其他

　　免責(zé)聲明：在我們開(kāi)始之前，重要的是要提到這個(gè)項(xiàng)目涉及到危險(xiǎn)的交流電源連接，如果不安全處理可能會(huì)致命。在嘗試此操作之前，請(qǐng)確保您有使用 AC 的經(jīng)驗(yàn)。

　　準(zhǔn)備好？讓我們潛入。

　　所需組件

　　構(gòu)建此項(xiàng)目需要以下組件；

　　Raspberry Pi 3 或 4（帶有 WiFi 加密狗的 RPI2 的過(guò)程應(yīng)該相同）

　　ADS1115 16 位 I2C ADC

　　YHDC SCT-013-000

　　2.5A 5V MicroUSB 電源適配器

　　2W 10K電阻 （1）

　　1/2W 10K 電阻 （2）

　　33歐姆電阻 （1）

　　2W 3.3k 電阻 （1）

　　IN4007 二極管 （4）

　　3.6v 穩(wěn)壓二極管 （1）

　　10k 電位器（或預(yù)設(shè)） （1）

　　50v 1uf 電容

　　50v 10uf 電容器 （2）

　　面包板

　　跳線

　　Raspberry Pi 使用的其他配件。

　　除了上面列出的硬件組件外，該項(xiàng)目還需要一些軟件依賴項(xiàng)和庫(kù)，我們將繼續(xù)安裝它們。

　　盡管無(wú)論使用何種樹(shù)莓派操作系統(tǒng)，本教程都可以工作，但我將使用在 Pi 3 上運(yùn)行的 Raspberry Pi buster OS（也應(yīng)該在 Pi 4 上工作） ，并且我假設(shè)您熟悉如何設(shè)置 Raspberry Pi Raspbian Buster OS（與以前的版本幾乎相同的過(guò)程），并且您知道如何使用 hyper 之類(lèi)的終端軟件通過(guò) SSH 進(jìn)入它。如果您對(duì)此有任何疑問(wèn)，本網(wǎng)站上有大量Raspberry Pi 教程可以提供幫助

　　準(zhǔn)備 Pi

　　在我們開(kāi)始連接組件和編碼之前，我們需要在樹(shù)莓派上執(zhí)行一些簡(jiǎn)單的任務(wù)，以確保我們準(zhǔn)備好了。

　　第 1 步：?jiǎn)⒂?Pi I2C

　　今天項(xiàng)目的核心不僅僅是樹(shù)莓派，還有基于 ADS1115 16 位 I2C 的 ADC。ADC 允許我們將模擬傳感器連接到 Raspberry Pi，因?yàn)?Pi 本身沒(méi)有內(nèi)置 ADC。它通過(guò)自己的 ADC 接收數(shù)據(jù)并通過(guò) I2C 將其轉(zhuǎn)發(fā)到樹(shù)莓派。因此，我們需要在 Pi 上啟用 I2C 通信，以便它可以與之通信。

　　可以通過(guò)樹(shù)莓派的配置頁(yè)面啟用或禁用 Pi 的 I2C 總線。要啟動(dòng)它，請(qǐng)單擊桌面上的 Pi 圖標(biāo)并選擇首選項(xiàng)，然后選擇 Raspberry pi 配置。

　　這應(yīng)該會(huì)打開(kāi)配置頁(yè)面。檢查 I2C 的已啟用單選按鈕，然后單擊 OK 保存并重新啟動(dòng) Pi 以使更改生效。

　　如果您在無(wú)頭模式下運(yùn)行 Pi，則可以通過(guò)運(yùn)行sudo raspi-config 訪問(wèn) Raspbian 配置頁(yè)面。

　　第 2 步：從 Adafruit 安裝 ADS11xx 庫(kù)

　　我們需要做的第二件事是安裝 ADS11xx python 庫(kù)，其中包含使我們能夠輕松編寫(xiě) python 腳本以從 ADC 獲取值的函數(shù)和例程。

　　請(qǐng)按照以下步驟執(zhí)行此操作。

　　通過(guò)運(yùn)行更新您的 pi；sudo apt-get update后跟sudo apt-get upgrade這將更新 pi ，確保您選擇安裝的任何新軟件都沒(méi)有兼容性問(wèn)題。

　　接下來(lái)，運(yùn)行cd ~命令以確保您位于主目錄中。

　　接下來(lái)，通過(guò)運(yùn)行安裝 build-essentials；sudo apt-get install build-essential python-dev python-smbus git

　　接下來(lái)，通過(guò)運(yùn)行克隆包含 ADS 庫(kù)的 Adafruit git 文件夾；git 克隆https://github.com/adafruit/Adafruit_Python_ADS1x15.git

　　切換到克隆文件的目錄并使用以下命令運(yùn)行安裝文件；cd Adafruit_Python_ADS1x1z 后跟sudo python setup.py install

　　完成后，安裝現(xiàn)在應(yīng)該完成了。

　　您可以通過(guò)連接 ADS1115 來(lái)測(cè)試庫(kù)安裝，如下面的原理圖部分所示，然后首先運(yùn)行庫(kù)附帶的示例代碼，使用以下命令切換到其文件夾；cd 示例并使用運(yùn)行示例；python simpletest.py

　　第 3 步：安裝 Adafruit.IO Python 模塊

　　正如在介紹中提到的，我們會(huì)將電壓和電流傳感器的讀數(shù)發(fā)布到 Adafruit IO Cloud，從中可以從世界各地查看它或與 IFTTT 連接以執(zhí)行您想要的任何操作。

　　Adafruit.IO python 模塊包含我們將利用的子例程和函數(shù)，以便輕松地將數(shù)據(jù)流式傳輸?shù)皆啤Ｕ?qǐng)按照以下步驟安裝模塊。

　　運(yùn)行cd ~返回主目錄。

　　接下來(lái)，運(yùn)行命令；須藤 pip3 安裝 adafruit-io。它應(yīng)該安裝 Adafruit IO python 模塊。

　　第 4 步：設(shè)置您的 Adafruit.io 帳戶

　　要使用 Adafruit IO，肯定需要先創(chuàng)建一個(gè)帳戶并獲取 AIO 密鑰。您的 python 腳本將使用此 AIO 密鑰和您的用戶名來(lái)訪問(wèn) Adafruit IO 云服務(wù)。要?jiǎng)?chuàng)建帳戶，請(qǐng)?jiān)L問(wèn)；https://io.adafruit.com/，點(diǎn)擊免費(fèi)開(kāi)始按鈕并填寫(xiě)所有必需的參數(shù)。注冊(cè)完成后，您應(yīng)該會(huì)在主頁(yè)右側(cè)看到查看 AIO 密鑰按鈕。

　　單擊它以獲取您的 AIO 密鑰。

　　復(fù)制好密鑰后，我們就可以開(kāi)始了。但是，為了使將數(shù)據(jù)發(fā)送到云服務(wù)的過(guò)程更容易，您還可以創(chuàng)建數(shù)據(jù)將發(fā)送到的提要。（可以在此處找到有關(guān) AIO 提要的更多信息）。由于我們基本上將發(fā)送功耗，我們將創(chuàng)建一個(gè)電源饋送。要?jiǎng)?chuàng)建提要，請(qǐng)單擊 AIO 頁(yè)面頂部的“提要”，然后單擊添加新提要。

　　給它起任何你想要的名字，但為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，我將稱之為能源消耗。您還可以決定創(chuàng)建電壓和電流源，并調(diào)整代碼以向它們發(fā)布數(shù)據(jù)。

　　有了所有這些，我們現(xiàn)在就可以開(kāi)始構(gòu)建項(xiàng)目了。

　　Pi電能表電路圖

　　Raspberry Pi Energy Monitor項(xiàng)目的原理圖相對(duì)復(fù)雜，如前所述，它涉及連接到交流電壓，請(qǐng)確保您采取所有必要的預(yù)防措施以避免觸電。如果您不熟悉如何安全地處理交流電壓，那么讓在不通電的情況下在面包板上實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)的樂(lè)趣就可以令人滿意了。

　　原理圖涉及將電壓和電流傳感器單元連接到 ADC，然后將數(shù)據(jù)從傳感器發(fā)送到 Raspberry Pi。為了使連接更容易理解，每個(gè)單元的原理圖都單獨(dú)呈現(xiàn)。

　　電流傳感器示意圖

　　如下圖所示連接電流傳感器的組件。

　　該項(xiàng)目中使用的電流互感器如下圖所示，如您所見(jiàn)，我們從它有三根線，即地線、Cout 和 3.3V

　　電壓傳感器原理圖

　　如下圖所示連接電壓傳感器的組件。

　　處理單元示意圖

　　將所有東西與連接到樹(shù)莓派的 ADC（ADS1115）以及分別連接到 ADS1115 的引腳 A0 和 A1 的電流和電壓傳感器的輸出連接在一起。

　　確保兩個(gè)傳感單元的 GND 引腳都連接到 ADC 或樹(shù)莓派的 GND。

　　為了讓事情變得不那么不穩(wěn)定，我在 Protoboard 上實(shí)現(xiàn)了電壓和電流傳感器。此外，不建議在面包板上構(gòu)建交流電源電路。如果您這樣做，您的最終設(shè)置可能如下圖所示；

　　連接完成后，我們現(xiàn)在可以為項(xiàng)目編寫(xiě)代碼了。

Pi 電能表的 Python 代碼

與我們的樹(shù)莓派項(xiàng)目一樣，我們將使用 python 為項(xiàng)目開(kāi)發(fā)代碼。單擊桌面上的樹(shù)莓派圖標(biāo)，選擇編程并啟動(dòng)您要使用的任何 python 版本。我將使用 Python 3，python 3 中的一些函數(shù)可能不適用于 python 2.7。因此，如果您想使用 python 2.7，可能需要對(duì)代碼進(jìn)行一些重大更改。我會(huì)將代碼分解成小片段，并在最后與您分享完整的代碼。

準(zhǔn)備好？涼爽的。

代碼背后的算法很簡(jiǎn)單。我們的 python 腳本查詢 ADS1115（通過(guò) I2C）以獲取電壓和電流讀數(shù)。接收到的模擬值被接收，采樣得到電壓和電流的均方根值。計(jì)算以千瓦為單位的功率，并在特定時(shí)間間隔后發(fā)送到 Adafruit IO 饋送。

我們通過(guò)包含我們將使用的所有庫(kù)來(lái)啟動(dòng)腳本。這包括內(nèi)置庫(kù)，如時(shí)間和數(shù)學(xué)庫(kù)以及我們之前安裝的其他庫(kù)。?

?

導(dǎo)入時(shí)間
import Adafruit_ADS1x15 
from Adafruit_IO import * 
import math

?

接下來(lái)，我們創(chuàng)建 ADS1115 庫(kù)的一個(gè)實(shí)例，該庫(kù)將用于處理未來(lái)的物理 ADC。

?

# 創(chuàng)建一個(gè) ADS1115 ADC（16 位）實(shí)例.. 
adc1 = Adafruit_ADS1x15.ADS1115()

?

接下來(lái)，提供您的 adafruit IO 用戶名和“AIO”密鑰。

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username = '在引號(hào)之間輸入你的用戶名' 
AIO_KEY = '你的 aio 密鑰' 
aio = Client(username, AIO_KEY)

?

請(qǐng)妥善保管鑰匙。它可用于在未經(jīng)您許可的情況下訪問(wèn)您的 adafruit io 帳戶。

接下來(lái)，我們創(chuàng)建一些變量，例如 ADC 的增益、我們想要的樣本數(shù)量并設(shè)置絕對(duì)不重要的舍入。

?

GAIN = 1 # 請(qǐng)參閱 ads1015/1115 文檔了解潛在價(jià)值。
samples = 200 # 從 ads1115 位置獲取的樣本數(shù)
= int(2) # 設(shè)置舍入

?

接下來(lái)，我們創(chuàng)建一個(gè)while循環(huán)來(lái)監(jiān)控電流和電壓，并每隔一段時(shí)間將數(shù)據(jù)發(fā)送到Adafruit io。while 循環(huán)首先將所有變量設(shè)置為零。

?

while True: 
    # 重置變量
    count = int(0) 
    datai = [] 
    datav = [] 
    maxIValue = 0 #樣本內(nèi)的最大電流值maxVValue = 0 #
    樣本內(nèi)的最大電壓值IrmsA0 = 0 #
    均方根電流
    VrmsA1 = 0 #均方根電壓
    ampsA0 = 0 #電流峰值
    voltsA1 =0 #電壓
    千瓦 = float(0)

?

由于我們正在使用交流電路，SCT-013 的輸出和電壓傳感器將是正弦波，因此為了從正弦波計(jì)算電流和電壓，我們需要獲得峰值。為了獲得峰值，我們將同時(shí)采樣電壓和電流（200 個(gè)樣本），并找到最高值（峰值）。

?

      對(duì)于范圍內(nèi)的計(jì)數(shù)（樣本）：       
        datai.insert(count, (abs(adc1.read_adc(0, gain=GAIN)))) 
        datav.insert(count, (abs(adc1.read_adc(1, gain=GAIN)) )) 
        # 查看是否有新的 maxValue 
        print (datai[count]) 
        if datai[count] > maxIValue: 
            maxIValue = datai[count]            
        if datav[count] > maxVValue: 
            maxVValue = datav[count]

?

接下來(lái)，我們通過(guò)將 ADC 值轉(zhuǎn)換為實(shí)際值來(lái)標(biāo)準(zhǔn)化這些值，然后我們使用均方根方程找到 RMS 電壓和電流。

?

 #使用采樣數(shù)據(jù)計(jì)算電流
    # 正在使用的 sct-013 校準(zhǔn)為 1000mV 輸出 @ 30A。
    IrmsA0 = float(maxIValue / float(2047) * 30) 
    IrmsA0 = round(IrmsA0, places) 
    ampsA0 = IrmsA0 / math.sqrt(2)   
    ampsA0 = round(ampsA0, places) 
    # 計(jì)算電壓
    VrmsA1 = float(maxVValue * 1100/ float(2047)) 
    VrmsA1 = round(VrmsA1，places) 
    voltsA1 = VrmsA1 / math.sqrt(2)   
    voltsA1 = round(voltsA1，places) 
    print('Voltage: {0}'.format(voltsA1)) 
    print('Current : {0}'.format(ampsA0))

?

完成后，計(jì)算功率并將數(shù)據(jù)發(fā)布在 adafruit.io

?

    #計(jì)算功率
    power = round(ampsA0 * voltsA1,places) 
    print('Power: {0}'.format(power))  
   #post 數(shù)據(jù)到 adafruit.io   
   EnergyUsage = aio.feeds('EnergyUsage') 
  aio.send_data(' EnergyUsage'，功率）

?

對(duì)于免費(fèi)帳戶，adafruit 要求在請(qǐng)求或數(shù)據(jù)上傳之間存在一定的時(shí)間延遲。?

?

   # 在重復(fù)循環(huán)之前等待
    time.sleep(0)

?

　　演示

　　代碼完成后，保存并點(diǎn)擊 python IDE 上的運(yùn)行按鈕。在此之前，請(qǐng)確保 Pi 已通過(guò) WiFi 或 LAN 連接到互聯(lián)網(wǎng)，并且您的 aio 密鑰和用戶名正確。一段時(shí)間后，您應(yīng)該開(kāi)始在 Adafruit.io 的提要上看到能量數(shù)據(jù)（功率）。我在演示期間的硬件設(shè)置是這樣的

　　更進(jìn)一步，您可以在 adafruit.io 上創(chuàng)建一個(gè)儀表板并添加一個(gè)圖形組件，以便您可以獲得數(shù)據(jù)的圖形視圖，如下圖所示。

　　就是這樣，您現(xiàn)在可以從世界任何地方監(jiān)控您的能源消耗。重要的是要注意，肯定要進(jìn)行更多的微調(diào)和校準(zhǔn)才能將其轉(zhuǎn)換為真正準(zhǔn)確的解決方案，但我相信這幾乎可以為您提供繼續(xù)進(jìn)行所需的一切。

?

#!/usr/bin/env python3
進(jìn)口時(shí)間
進(jìn)口 Adafruit_ADS1x15
從 Adafruit_IO 導(dǎo)入 *
導(dǎo)入數(shù)學(xué)
# 創(chuàng)建一個(gè) ADS1115 ADC（16 位）實(shí)例..
adc1 = Adafruit_ADS1x15.ADS1115()
用戶名 = '你的用戶名'
AIO_KEY = '你的 aio-key'
aio = 客戶端（用戶名，AIO_KEY）
GAIN = 1 # 請(qǐng)參閱 ads1015/1115 文檔了解潛在價(jià)值。
samples = 5 # 從 ads1115 中提取的樣本數(shù)
places = int(2) # 設(shè)置舍入
# 創(chuàng)建一個(gè)while循環(huán)來(lái)監(jiān)控電流和電壓并發(fā)送到Adafruit io。
而真：
    # 重置變量
    計(jì)數(shù) = int(0)
    數(shù)據(jù) = []
    數(shù)據(jù)v = []
    最大值 = 0
    最大V值 = 0
    IrmsA0 = 0
    VrmsA1 = 0
    ampsA0 = 0
    伏特A1 = 0
    千瓦 = 浮點(diǎn)數(shù)（0）
    # 因?yàn)槲覀冋跍y(cè)量交流電路，所以 SCT-013 棒的輸出電壓傳感器將是正弦波。
    # 為了從正弦波計(jì)算安培，我們需要得到峰值電壓
    # 來(lái)自每個(gè)輸入并使用均方根公式 (RMS)
    # 這個(gè)循環(huán)將從每個(gè)輸入中獲取 200 個(gè)樣本，并為您提供最高（峰值）
    對(duì)于范圍內(nèi)的計(jì)數(shù)（5）：        
        datai.insert(count, (abs(adc1.read_adc(0, gain=GAIN))))
        datav.insert(count, (abs(adc1.read_adc(1, gain=GAIN))))
        # 查看是否有新的 maxValue
        打印 (datai[count])
        如果 datai[count] > maxIValue:
            maxIValue = datai[count]           
        如果 datav[count] > maxVValue：
            maxVValue = datav[計(jì)數(shù)]
            print("新的 maxv 值：")
            打?。ㄗ畲骎值）               
    #使用采樣數(shù)據(jù)計(jì)算電流
    # 我使用了一個(gè) sct-013，它針對(duì) 30A 時(shí)的 1000mV 輸出進(jìn)行了校準(zhǔn)。通常上面印有 30A/1V。
    打?。ā袄^續(xù)”）
    IrmsA0 = float(maxIValue / float(2047) * 30)
    IrmsA0 = 圓形（IrmsA0，位）
    ampsA0 = IrmsA0 / math.sqrt(2) # RMS 公式以獲取電流讀數(shù)以匹配電流表顯示的值。
    ampsA0 = 圓形（ampsA0，地方）
    # 計(jì)算電壓
    VrmsA1 = float(maxVValue * 1100/ float(2047))
    VrmsA1 = 圓形（VrmsA1，位）
    voltsA1 = VrmsA1 / math.sqrt(2) # RMS 公式使電壓讀數(shù)與電壓表顯示的值相匹配。
    voltsA1 = round(voltsA1, 地方)
    print('電壓：{0}'.format(voltsA1))
    print('當(dāng)前：{0}'.format(ampsA0))
    #計(jì)算功率
    功率 = 圓形（ampsA0 * voltsA1，位）
    print('Power: {0}'.format(power))
    #post 數(shù)據(jù)到 adafruit.io
    能源消耗 = aio.feeds('能源消耗')
    aio.send_data('能源消耗', 功率)
    # 在重復(fù)循環(huán)之前等待
    時(shí)間.sleep(30)

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