Version vom 14. Januar 2012, 16:41 Uhr

Einleitung

In dieser Anleitung wird beschrieben wie mit Hilfe eines Arduinos und des Ethernet Shields der Energieverbrauch auf einer Internet Seite abgebildet werden kann. Das Ziel ist das der Energie Verbrauch einer ganzen Wohnung oder eines Hauses übersichtlich auf einer Website dargestellt wird.

Folgende Bauteile werden benötigt:

-Arduino UNO Duemilanove oder kompatibel
-Ethernet Shield oder ein anderes kompatibles Shield
-Strom Sensor SCT-013-30 (30A) oder SCT-013-100 (100A) siehe: http://openenergymonitor.org/emon/node/156
-2x 10kOhm Widerstände 1/4W
-1 Elko 47 uF
-Universalplatine
-evtl. USB Netzteil oder anderes Netzteil für die Spannungsversorgung
-Pfosten Stecker Rastermaß: 2.54mm
-3,5 mm Audio Anschluss

Elektrotechnische Grundlagen

Elektrische Leistung wird in Watt gemessen.

P = U x I
z.B. P = 230V x 0,5A = 115W

In Abhnängikeit mit der Zeit ergeben sich Kilowatt Stunden. Braucht ein Verbraucher z.B. 1000 Watt und ist er eine Stunde in Betrieb, dann wird eine Kilowatt Stunde Energie benötigt.

1 kWh = 1000W x 1 h

Es wird also Spannung und Strom benötigt um die elektrische Energie zu messen. Da in Deutschland die Spannung nur um +-2V pendelt war es für mich nicht notwendig die Spannung zu messen. Somit beschränkt sich diese Anleitung lediglich auf eine Strom Messung. Der Strom wird dann einfach mit 230 multipliziert. Somit erspart man sich viel Arbeit und Kabel gewirr.

Es gibt verschiedene Arten Strom und Spannung zu messen. In handelsüblichen Energie Messgeräten wird meistens eine Strom Messung über einen Shunt Widerstand und einen Operationsverstärker vorgenommen. Das ist relativ günstig und genau (siehe: http://en.wikipedia.org/wiki/Shunt_%28electrical%29). Um größere Ströme zu messen nimmt man häufig induktive Strom Sensoren. Diese werden einfach um das stromführende Kabel "geclipst" und erzeugen je nach Stromfluss eine bestimmte Spannung oder einen bestimmten Strom. Der Vorteil hierbei ist das sich durch die Induktion eine sichere Trennung vor der gefährlichen Netzspannung ergibt. Zudem ist diese Methode auch gut für Mietwohnungen geeignet, weil die Elektroinstallation nicht geändert werden muss. In manchen kleinen Wohnungen wird nur eine Phase verwendet. Somit wird nur ein Sensor für die Strom Messung verwendet.

Achtung: Auf den Leitungen liegt auch dann Netzspannung wenn die Sicherungen abgeschaltet sind!!!

Converter Board

Das Converter Board muss die Spannung oder den Strom (hängt vom Sensor ab, siehe: http://openenergymonitor.org/emon/node/156) in eine Spannung zwischen 0-5V DC umwandeln. Es wird ein Spannungsteiler aufgebaut, der 2,5V für den Sensor erzeugt. Mit dem entsprechendem Arduino Sketch können die Werte dann an dem Analog 0 Port ausgelesen werden. Den Aufbau der Schaltung findet man auf den Webseiten des Open Energie Monitors: http://openenergymonitor.org/emon/node/54

Arduino Sketch

Es empfiehlt sich die Schaltung zuerst über USB zu testen, bevor man sich an die Kommunikation mit dem Ethernet Shield vertraut macht. Die Parameter müssen individuell mit einer "genormten Last" z.B. einem Wasserkocher etc. eingestellt werden. Ein Energie Messgerät sollte natürlich auch vorhanden sein.

Hier ist mein Arduino Sketch mit den Parametern für den 30A Strom Sensor:

Download Arduino Sketch: USB emon

Kalibrierung

Ich habe für die Kalibrierung eine umgebaute Steckdosenleiste hergenommen. Dabei muss die Phase aus dem Gehäuse geführt werden. Wenn man den Sensor um das komplette Kabel montiert kann nichts gemessen werden. Das liegt daran das die Ströme sich gegenseitig aufheben. Natürlich ergibt sich in dieser Anordnung ein kleiner Messfehler, weil das Energiekosten Messgerät auch Strom verbraucht. Dieser Fehler ist jedoch sehr gering.

Um die Daten zu visualisieren habe ich die Werte einfach in eine Open Office Calc Tabelle kopiert und ein Diagramm erstellt. Nach dem Import mussten lediglich noch die Punkte in Kommas umgewandelt werden. Also z.B.

245.6
245,6

• 

  Samsung Fernseher

• 

  Wasserkocher und Herdplatten

• 

  Energiesparlampe 18W

Ethernet Shield und emon

Wenn die Mess Ergebnisse korrekt sind, kann das Ethernet Shield eingebunden werden. Das Sketch besteht aus den Programmen emon und dem Beispiel "Weblient" aus der Ethernet Library. Damit die Daten korrekt und sicher auf den Webserver übermittelt werden können ist es notwendig die API Keys aus dem emoncms Webinterface auszulesen. Die Keys finden sich hier:

An dieser Stelle im Arduino Sketch wird der API Key eingetragen:

    client.print("GET /emon/api/post?apikey=9888888888888888888&json={power:");
    client.print(watt);
    client.print(",temperature:25.0}");
    client.println();

Download Arduino Sketch: emon and Ethernet

Es können so auch mehrere Werte an emoncms übergeben werden. Z.B. Strom, Spannung und Temperatur.

In den folgende Schritten soll die Kommunikation mit der MYSQL Datenbank geprpüft werden. Als erstes wird geprüft ob das Shield im lokalen Netz erreichbar ist:

ping 192.168.1.152

Danach muss die Apache Log Datei auf dem Server geprüft werden. Dies kann bei einem Linux Server am besten mit folgendem Befehl geschehen:

tail -f /var/log/apache2/access.log

Um das ganze bunter und übersichtlicher zu gestalten kann man das ganze noch mit ccze "einfärben".

apt-get install ccze
tail -f /var/log/apache2/access.log | ccze

Bei einer erfolgreichen Verbindung stehen folgende Einträge in der Log Datei:

Software auf dem Server

Download der *.zip Archive:

https://github.com/openenergymonitor/emoncms3

Entpacken auf dem Server:

cd /var/www/emon
wget https://github.com/openenergymonitor/emoncms3/tarball/master
mv master openenergymonitor-emoncms3-3a1eb8b.tar
unp openenergymonitor-emoncms3-3a1eb8b.tar
mv openenergymonitor-emoncms3 emon

Die Visualisierung der Daten übernimmt das PHP Script emoncms. Damit das Script auf dem Apache2 Webserver läuft muss die Option AllowOverride All gesetzt werden.

vim /etc/apache2/sites-enabled/000-default

       <Directory /var/www/nossl/wiki>
               Options Indexes FollowSymLinks MultiViews
               AllowOverride None
               Order allow,deny
               allow from all
       </Directory>

muss geändert werden zu

vim /etc/apache2/sites-enabled/000-default

       <Directory /var/www/nossl/wiki>
               Options Indexes FollowSymLinks MultiViews
               AllowOverride All
               Order allow,deny
               allow from all
       </Directory>

Nach einem Neustart des Apache Webservers ist die Seite erreichbar:

/etc/init.d/apache2 restart

Danach muss eine Datenbank für emoncms in phpmyadmin angelegt werden. Es ist zu beachten das der Zugriff von jeder IP-Adresse möglich ist, damit der Arduino auch in die SQL Datenbank schreiben darf. Eine Anleitung zur Installation ist hier zu finden:

http://openenergymonitor.org/emon/node/150

User Registrierung abschalten

Um zu verhindern das sich fremde Leute in emoncms einloggen kann man den Button registrieren verstecken. Dazu muss folgende Datei verändert werden:

vim /var/www/emon/Views/user/login_block.php

Diese Zeile suchen:

<input type="submit" class="button04" value="Login" onclick="javascript: form.action='<?php echo $GLOBALS['path']; ?>user/login';" /> or <input ype="submit" class="button04" value="Register" onclick="javascript: form.action='<?php echo $GLOBALS['path']; ?>user/create';" />

und mit dieser Zeile ersetzen:

<input type="submit" class="button04" value="Login" onclick="javascript: form.action='<?php echo $GLOBALS['path']; ?>user/login';" />