Как мы учили умную розетку замерять мощность

Приветствуем!

Мы — компания Rubetek, занимаемся разработками в области решений для умного дома.
В этой статье расскажем о том, как в ходе разработки одного из устройств нашей Wi-Fi линейки выбирали решение для точного измерения мощности подключенных электроприборов.

Наша Wi-Fi розетка

Что за девайс делали?

Wi-Fi розетка Rubetek — это устройство, предназначенное для удалённого управления электропитанием подключённых электроприборов мощностью до 3000 Вт. Управление розеткой осуществляется с помощью расположенной на корпусе кнопки, локально (смартфон — WiFi розетка, смартфон — WiFi роутер — Wi-Fi-розетка) и удаленно при подключении роутера к Интернету.

Состояние устройства изменяется по срабатыванию подключенных к розетке RF датчиков или с помощью заранее настроенных пользователем сценариев.

Одна из ключевых функций устройства — контроль потребления электроэнергии подключенной нагрузки.

Для отображения уровня нагрузки розетка использует светодиодный индикатор, изменяющий цвет свечения в соответствии с мощностью, потребляемой нагрузкой.

Устройство позволяет подключать совместимые датчики с протоколом EV1527 (433.92 МГц, ASK) RF датчики (движения, открытия, протечки воды, утечки газа и дыма) и создавать сценарии взаимодействия между подключёнными устройствами.

Помимо этого, умная розетка совместима с платформой Apple Homekit и поддерживает управление с помощью голосового помощника Siri. Удаленное управление Homekit через интернет возможно только с помощью Apple TV, но локально управлять голосом можно с iPhone и без использования Apple TV.

Первые попытки

На первом этапе основой для будущей розетки был выбран модуль Z-Wave (рис. 2).
Согласно техзаданию, розетка должна была измерять потребляемую электроэнергию в однофазных цепях, в диапазоне от 0 Вт до 3000 Вт., с погрешностью не более 1%.

• Для измерения тока, потребляемого нагрузкой, и напряжения на нагрузке использовали схему из сдвоенного ОУ TSV522, токового шунта и резистивного усилителя.

Первый прототип на модуле Z-Wave

Расчет активной мощности, потребляемой нагрузкой, считался по формуле:

где:
P — активная мощность, потребляемая нагрузкой
U — эффект. напряжения на нагрузке, равно напряжению сети
I — эффект. сила тока нагрузки
φ — фазовый сдвиг между током и напряжением на нагрузке

• Плюсами являлись низкий входной ток (1мкА) и малое напряжение смещения (0.8 мВ). Входной и выходной сигнал имел размах напряжения питания (rail-to-rail).
• Точность измерения тока нагрузки с потребляемой мощностью до 100 Вт в диапазоне от 0 до 3000Вт нас не устроила, и чтобы ее увеличить, мы использовали два операционных усилителя, работающие от общего токового шунта, и имеющие разные коэффициенты усиления: усилитель с большим коэффициентом усиления работал в диапазоне от 0 Вт до 100 Вт, а усилитель с меньшим коэффициентом усиления работал в диапазоне от 100 Вт до 3000 Вт.

При разработке Wi-Fi розетки одним из главных требований была компактность изделия, поэтому использование нескольких корпусов микросхем усилителей и АЦП мы посчитали нерациональным. К тому же аналоговый сигнал на выходе усилителей был сильно “зашумлен”, уровень помех не позволял добиться заданной погрешности измерения мощности, потребляемой нагрузкой. Особенно это было заметно на усилителе, работающем в диапазоне от 0 Вт до 100 Вт. (рис.3).

Осциллограмма с токового шунта АЦП Z-Wave модуля при мощности 10 Вт нагрузки

На этом этапе, для увеличения точности измерений и увеличения степени интеграции, необходимо было найти новое решение реализации измерения мощности. Было принято решение отказаться от модуля Z-Wave, из-за высокой стоимости и низкой производительности, и ОУ. Новой основой стал Wi-Fi MCU.

Отказ от Z-Wave в пользу Wi-Fi был обусловлен очевидными преимуществами последнего:
наличие Wi-Fi в любом смартфоне, что позволяет непосредственно управлять розеткой из приложения, возможность подключения к роутеру для удаленного управления розеткой из любой точки мира. Это и определило дальнейший путь развития линейки наших умных устройств.

В поисках решения

Поиск вариантов реализации измерения мощности привел нас к специализированным измерительным RMS микросхемам.
Выбрали относительно недорогую RMS — STPM14A.

Прототип STPM14A модуля

Данная RMS измеряет активную, реактивную и полную мощность, действующие значения тока, напряжения и частоты, поддерживает токовые трансформаторы и шунты, отличается низким энергопотреблением, высокой точностью измерений, надежностью передачи и хранения данных. В общем, STPM14 подходила нам по многим параметрам.

Структурная схема STPM14A

Но не обошлось без минусов.

При использовании STPM14A возникли трудности на стадии обработки данных: у этой измерительной микросхемы не имелось цифрового выхода, только частотный, что потребовало от Wi-Fi MCU ресурсов для обработки частотного сигнала. Наш Wi-Fi MCU и так был загружен массой других функций: обработка дискретных сигналов, взаимодействие с сервером, шифрование, таймеры, скрипты. Получилось так, что обработку частотного сигнала не было возможности реализовать без последствий для остального функционала.

Нам пришлось вернуться к поиску альтернативных решений еще и потому, что STPM14A не имела цифрового выхода. Изучив несколько вариантов, мы решили остановиться на микросхеме STPM32. К Wi-Fi MCU STPM32 подключалась по UART.

STPM32 представляет собой устройство обработки смешанных сигналов. Процессор состоит из аналогового и цифрового блоков.

Аналоговый включает в себя:

1. два малошумящих усилителя с программируемым коэффициентом усиления и низким уровнем смещения;
2. четыре 24-битных дельта-сигма АЦП второго порядка;
3. два источника опорного напряжения на основе запрещенной зоны с независимой температурной компенсацией;
4. стабилизатор напряжения с низким падением;
5. буферы постоянного тока.

Цифровой блок состоит из каскада цифровой фильтрации, аппаратного цифрового сигнального процессора, буферных каскадов для входных сигналов и последовательных интерфейсов (UART или SPI).

Измерительная микросхема STPM32 содержала в себе два канала обработки аналоговых сигналов тока и напряжения, с последующим преобразованием в цифровой сигнал и высокоточный цифровой сигнальный процессор DSP, предназначенный для обработки оцифрованных сигналов в режиме реального времени.

Главным и самым заметным недостатком, на фоне всех перечисленных преимуществ, оказалось то, что при работе с малыми сигналами, при максимальном усилении (16х), повышалась погрешность измерения тока.

Структурная схема STPM32

Как тестили?

Для проверки работоспособности и проведения тестирования мы разработали макетную плату.

А так выглядит прототип измерения мощности на STPM32

Тестирование происходило на различной нагрузке мощностью от нескольких единиц ватт, до 3,5кВт. В качестве нагрузки использовались лампы накаливания, ТЭНы (резистивная нагрузка), люминесцентные светильники и электроинструмент (резистивно-индуктивная нагрузка), электроприборы с импульсными источниками питания без корректора коэффициента мощности (резистивно-емкостная нагрузка).

В ходе макетирования на отладочной плате, мы получили положительные результаты, которые полностью нас устроили. STPM32 хорошо справлялась с поставленной задачей и могла быть использована в нашей умной розетке.

Уже позже выяснилось, что суммарная погрешность измерений устройства не соответствовала реальным показаниям. Эти данные мы получили посредством измерения показателей несколькими бытовыми ваттметрами разных ценовых категорий.

Для достижения заданной точности измерения мощности нагрузки решено было калибровать серийные изделия на этапе производства. Для этого был спроектирован и изготовлен специальный стенд (рис.6), который содержал в себе отдельный, откалиброванный с помощью эталонного измерителя мощности STPM32.

Стенд имел гальваническую развязку от сети для того, чтобы обеспечить электробезопасность.

Каждое изделие после сборки подключалось к контактному устройству стенда.
Оператор запускал программу, которая обеспечивала электрическое тестирование розетки на предмет отсутствия ошибок при монтаже и прошивке. Помимо этого тестировался основной функционал розетки и происходила калибровка STPM32.

Калибровочный стенд

Использование стенда обеспечило высокую точность измерения мощности, технологичность и надежность изделия.

В процессе прошивки розетки закладывалась также цветовая палитра (пропорциональное соотношение красного, синего и зеленого цветов). Эта цветовая шкала используется в розетке светодиодным ободком для отображения мощности, потребляемой подключенной к устройству нагрузкой.

Что в итоге?

Это была первая наша попытка реализации подобного функционала. Несмотря на то, что вариантов мы перебрали немало, положительная сторона в этом тоже найдется — опытным путем мы определились с необходимой для работы микросхемой, изучив плюсы и минусы всех образцов.
Наша же Wi-Fi розетка, получив возможность замерять мощность, из обычного девайса, способного удаленно управлять электропитанием, превратилась в умное устройство, существенно облегчающее жизнь пользователя.

Впереди еще много работы, выше мы упоминали о целой Wi-Fi линейке, разработка которой ведется прямо сейчас. Помимо розетки для покупки уже доступен, например, Модуль управления. К выходу готовятся многие другие умные устройства.

О них мы непременно расскажем в следующих статьях.