[ラズパイ] クランプ式電流センサー(SCT013-030)で家の消費電力を計測してみる

これは、前々からやってみたかったこと。家の消費電力量をモニターしたいなぁと思っていたけどコストの面、予備知識が不足しているってことで敬遠してきたが、やっとその日が来た。

まず、家の電力を測定するには、2つの方法がある

クランプ電流計を配電盤につけて電流量を測定し、そこから電力量を計算する
スマートメーターからBルートサービスを使いWi-SUNで電力量をリアルタイムに取得する

1の方法で参考になるサイトは

lute.penne.jp

自宅消費電力測定システムのRaspberry Piへの移行 | Thumb Under

http://lute.penne.jp/thumbunder/?p=1294

Lute , Coffee and etc…

qiita.com

https://qiita.com/osamasao/items/a38707465e8f8a9948ed

www.ishikawa-lab.com

RaspberryPi ワットメータ

https://www.ishikawa-lab.com/RasPi_wattmeter.html

2の方法で参考になるのは

Qiita

RaspberryPiでスマートメータの電力を取得する - Qiita

https://qiita.com/puma_46/items/1d1589583a0c6bef796c

電力自由化によって電力会社を選べるようになったものの我が家で契約している半日お得プランよりお得なプランは無さそうシミュレーションも従量制のみで他のプランのシミュレーションは出てこない。。そんな中色々と調べてみると、以下のページ...

メモ書きブログ

Raspberry PiとWi-SUNモジュールでスマートメーターから情報取得 - メモ書きブログ

http://chappnet.hateblo.jp/entry/2015/08/20/024137

今回は、前回の「スマートメーターと通信するための機器について」で紹介したWi-SUNモジュールを、Raspberry Piに接続し、スマートメーターから情報取得してみます。 Wi-SUNモジュールとRaspberry Piの接続 Wi-SUNモジュールは、USB接続にてRaspberry Piと繋ぎます。 (Wi-SUNモジュールの電源もUSBからとれるので、ケーブル１本でOK) あらかじめ、Wi-SUNモジュール(厳密にはマザーボードのBP359C)のディップスイッチやジャンパーピンを適切に、通信：USB、電源：USBとなるように設定してください。今回使用するRaspberry Piは、…

この辺かな。とりあえず、2の方法はWi-SUNという無線規格でスマートメーターと通信してリアルタイムに情報を取得するというもの。Wi-SUNの通信ドングルを購入しないといけない。アマゾンで確認してみる

高いねぇ・・・。遊びで買うにはちょっと勇気が要るレベルw。見送りです。

1の方法も、クランプタイプの交流電流センサーを買う必要がある。色々あるが、最安値(であろう)の下を見つけた。1500円(2個)ならば、やってみる価値はありそう！。よって1の方法で進めることにした。

zetatech.la.coocan.jp

SCT-013-030

http://zetatech.la.coocan.jp/parts/SCT-013-030/SCT-013-030.htm

(抜粋)

これは、SCT013-030という30Aまで計測できるタイプ。電流比1800:1で、62Ωの抵抗が内蔵されている。あんまり深く考えないで、

よくわかんないけど・・・この辺のセンサーかなぁ？？

程度で購入。いつもどおりの中華発送で忘れそうになるころに届いた。

とりあえず、どんなものか？正常に動作するか？を検証するためにオシロスコープにつなぐ。オシロにつなぐ際に、オーディオ用の延長ケーブル(ダイソー)を分解改造して使う。ついでに、ラズパイZeroで運用予定なので電源コードを購入(3つで330円)。

それと、以前のソーラーパネルをつないだ電線にコンセントのメス・オスをつないぎ、2本のケーブルの割いたプチ延長ケーブルを作った。それにセンサーを挟め24ワットの半田こてをつないで波形を観察。

交流のセンサーは電磁誘導の原理で出力するので交流波で観測される。計測数値の中でRMSという数値が交流電圧の実効値となる。「RMSとは何ぞや」は下のサイトを参考にしてね。

g200kg Music & Software

アールエムエス:RMSとは | 偏ったDTM用語辞典 - DTM / MIDI 用語の意味・解説 | g2...

https://www.g200kg.com/jp/docs/dic/rms.html

大きくして見てもらうとRMS=7.92mVとなっている。62Ωの抵抗が入っているわけですから電流はオームの法則で計算できます。電流比は1800倍なのでそれをかけて、さらに100Vをかければ消費電力(W)となる。

$$\frac{0.00792V}{62Ω}\times1800倍\times100V=22.99W$$

24ワットの半田こてで22.99ワットはイイ線いってるよね～。

これを分電盤にある大元の電線に取り付ければ家の消費電力がわかる。一般家庭用の電源は単相3線(+100v 0v -100vの3本)で構成されている。どちらかの火線と中性線で100v負荷を接続できるし、2本の火線同士では200v負荷を接続できる。詳しくはwikiを読んでほしい。大体多くても契約電流は60A程度なので片方30Aとして、センサー計測範囲かなとおもう。

ja.wikipedia.org

単相3線式 - Wikipedia

https://ja.wikipedia.org/wiki/単相3線式

SCR-013-030での情報を集めたら、SCR-013-000を使っているサイトを見つけた。しかも、ADコンバータとして、すでに持っているADS1115を使っているというタイミングの良さw

PowerUC

Non-Invasive Sensor: YHDC SCT013-000 CT used with Arduino. (SCT-013)

https://www.poweruc.pl/blogs/news/non-invasive-sensor-yhdc-sct013-000-ct-used-with-arduino-sct-013

The SCT013 series are sensors of non-invasive, current transformers that measure the intensity of a current that crosses a conductor without needing to cut or modify the conductor itself. We can use these sensors with a processor, like Arduino, to measure the intensity or power consumed by a load.The SCT013 sensors are current transformers, instrumentation devices that provide a measurement proportional to the intensity that a circuit crosses. The measurement is made by electromagnetic induc...

(抜粋)

ADS1115については本ブログの下のサイトを参考にしてね。

ANDROIPHONE

[ラズパイ] ADコンバータ(ADS1115)を使ってCdsから値(電圧)を取得する

🕒️2019年11月15日

　11月4日に、遊び検証用に中国・台湾発送の色々な部品(100円～300円程度)を注文しました。また一か月程放置されるのかなぁと思ったら、11日に届いたw。めちゃ早くない？今回は航空便で来ていたので早かったのか？はたまた、通関がスムーズだったのか・・・　それでは、その中の一つADコンバータを検証してみたい。ADコンバータの種類はいっぱいあるものの、スペックで参考にするところは分解能(ビット数)とチャンネル(AD変換するライン数)の差かなぁと思っています。今回は、ADS1115を選んだけども「16bitで4チャンネルが必要か？」と...

ANDROIPHONE

[ラズパイ] ADコンバータ(ADS1115)を使ってサーミスタから温度を取得する

🕒️2019年11月15日

前回に続き、ADコンバータを使って、傍らに落ちていたサーミスタから温度の取得までを行うかなぁとおもう。手元にあるサーミスタがこれは一体、どこから持ってきたのかというと・・・これについていたサーミスタ。防水仕様！！。テスターには接続して使っていないのでADコンバータにつないでみたくなったw。まずは、実際テスターで抵抗値がどのくらい変化するか観察してみる。室温22度ぐらいで、11.85kΩ。まぁ、まず一般的な10kΩ(25℃)のサーミスタと考えられる。上のような商品なんだろうなと思う。SODIAL製なんかコネクタまで一緒で同...

今までは、ADS1115はSingle-Ended Inputで使ってたけど、今回はDifferencial Input(差動入力)で使うようだ。また、高速サンプリングが必要になってくる。とりあえず、公式ライブラリの中に高速サンプリングのサンプルコードがあったので、それを見て変更していく。

GitHub

Adafruit_CircuitPython_ADS1x15/ads1x15_fast_read.py at main · adafruit/Adafru...

https://github.com/adafruit/Adafruit_CircuitPython_ADS1x15/blob/master/examples/ads1x15_fast_read.py

CircuitPython drivers for the ADS1x15 series of ADCs. - Adafruit_CircuitPython_ADS1x15/ads1x15_fast_read.py at main · adafruit/Adafruit_CircuitPython_ADS1x15

変更点、追加点は以下

サンプルコードはads1015になっているので、ads1115へ変更。
差動モードで2チャンネル分のadcオブジェクトを生成
ads1015の最大サンプリングレートは3300spsだが、ads1115は860spsなので変更
getRMS()で二乗平均平方根を求めている(実測)。
時間差から消費電力量(Wh)を計算して加算していき、一日毎のcsvに書き出す。

getRMS()の部分は上にある参考サイトのコードを参考にしたけど・・・

(抜粋)

つか・・・拡大してもよくみえねぇ・・・。目を凝らしながら、この部分をpythonに書き換えた。この下には、ピーク電圧の最大値と最小値を使って近似計算するバージョンも載っている。これは

「波形がサイン波の場合は、波形のピークレベルに対して RMS 値は1/√2の大きさとなる」

を基にコード化したものと思う。実際pythonに書き直して計測したけどズレがでるようだ。オシロスコープで色々計測してみた結果、半田こては上のようなサイン波だっけど、電気毛布とかはサイン波にならなかった。負荷器具によっていろいろ変わりそうなので実測して計算するようにした。

あと、いまだに原因不明なんだけれども、下の掲載コードはch0とch1で2回1秒間計測しRMSを計測しているが、本当はch0・ch1を同時に計測しRMSを出したかった。でもそうすると、正しい電流値がとれなくなった。具体的には、ch0とch1が干渉しているような数値がとられてしまうようだった。2回に分けて計測すると正しい数値が取得できたのでそうしている。サンプリング周波数のからみかなぁと思ったんだけど原因追及できなった・・・。

実際のコードがこちら

import math
import time
import board
import busio
import adafruit_ads1x15.ads1115 as ADS
from adafruit_ads1x15.ads1x15 import Mode
from adafruit_ads1x15.analog_in import AnalogIn

from datetime import datetime
import csv

# Data collection setup
RATE = 860

# Create the I2C bus with a fast frequency
i2c = busio.I2C(board.SCL, board.SDA)

# Create the ADC object using the I2C bus
ads = ADS.ADS1115(i2c)

chan0 = AnalogIn(ads, ADS.P0, ADS.P1)
chan1 = AnalogIn(ads, ADS.P2, ADS.P3)

# ADC Configuration
ads.mode = Mode.CONTINUOUS
ads.data_rate = RATE

def getRMS():
    voltage_ch0 : float = 0
    sum_ch0 : float = 0
    voltage_ch1 : float = 0
    sum_ch1 : float = 0
    
    counter= 0    
    timepo = time.time()
    while (time.time() - timepo < 1):      
        voltage_ch0 = chan0.voltage
        sum_ch0 = sum_ch0 + voltage_ch0**2
        counter = counter +1
        
    voltage_ch0 = math.sqrt( sum_ch0 / counter)
    
    counter= 0    
    timepo = time.time()
    while (time.time() - timepo < 1):      
        voltage_ch1 = chan1.voltage
        sum_ch1 = sum_ch1 + voltage_ch1**2
        counter = counter +1
        
    voltage_ch1 = math.sqrt( sum_ch1 / counter)
    
    return voltage_ch0,voltage_ch1


total_watth_ch0 : float = 0.0;
total_watth_ch1 : float = 0.0;

last_day = 0

while True:
    
    s_time = time.time()

    dt = datetime.fromtimestamp(s_time)
    if last_day!=dt.day:
        total_watth_ch0 = 0
        total_watth_ch1 = 0
        last_day = dt.day
        
    rms_vol_ch0,rms_vol_ch1 = getRMS()
    pass_sec = time.time()-s_time
    
    current_ch0 = (rms_vol_ch0 / 62) * 1800
    current_ch1 = (rms_vol_ch1 / 62) * 1800
    
    watt_ch0 = current_ch0 * 100
    watt_ch1 = current_ch1 * 100
    
    watth_ch0 = (pass_sec * watt_ch0) / 3600
    watth_ch1 = (pass_sec * watt_ch1) / 3600
    
    total_watth_ch0 += watth_ch0
    total_watth_ch1 += watth_ch1
    
    today = dt.strftime("%Y-%m-%d")
    nowtime = dt.strftime("%H:%M:%S")
    file_end = dt.strftime("%Y%m%d")
    
    print ('日付: %s 時刻: %s 全電力: %.2fw(%.2fwh) 電力ch0: %.2fw(%.2fwh) 電力ch1 %.2fw(%.2fwh)' % (today,nowtime,watt_ch0+watt_ch1,total_watth_ch0+total_watth_ch1,watt_ch0,total_watth_ch0,watt_ch1,total_watth_ch1))
    
    with open('/home/pi/Desktop/homepower/homepower_%s.csv' % (file_end),'a') as f:
        writer = csv.writer(f)
        writer.writerow([today,nowtime,watt_ch0+watt_ch1,total_watth_ch0+total_watth_ch1,watt_ch0,total_watth_ch0,watt_ch1,total_watth_ch1])

import math

import time

import board

import busio

import adafruit_ads1x15.ads1115 as ADS

from adafruit_ads1x15.ads1x15 import Mode

from adafruit_ads1x15.analog_in import AnalogIn

from datetime import datetime

import csv

# Data collection setup

RATE = 860

# Create the I2C bus with a fast frequency

i2c = busio.I2C(board.SCL, board.SDA)

# Create the ADC object using the I2C bus

ads = ADS.ADS1115(i2c)

chan0 = AnalogIn(ads, ADS.P0, ADS.P1)

chan1 = AnalogIn(ads, ADS.P2, ADS.P3)

# ADC Configuration

ads.mode = Mode.CONTINUOUS

ads.data_rate = RATE

def getRMS():

voltage_ch0 : float = 0

sum_ch0 : float = 0

voltage_ch1 : float = 0

sum_ch1 : float = 0

counter= 0

timepo = time.time()

while (time.time() - timepo < 1):

voltage_ch0 = chan0.voltage

sum_ch0 = sum_ch0 + voltage_ch0**2

counter = counter +1

voltage_ch0 = math.sqrt( sum_ch0 / counter)

counter= 0

timepo = time.time()

while (time.time() - timepo < 1):

voltage_ch1 = chan1.voltage

sum_ch1 = sum_ch1 + voltage_ch1**2

counter = counter +1

voltage_ch1 = math.sqrt( sum_ch1 / counter)

return voltage_ch0,voltage_ch1

total_watth_ch0 : float = 0.0;

total_watth_ch1 : float = 0.0;

last_day = 0

while True:

s_time = time.time()

dt = datetime.fromtimestamp(s_time)

if last_day!=dt.day:

total_watth_ch0 = 0

total_watth_ch1 = 0

last_day = dt.day

rms_vol_ch0,rms_vol_ch1 = getRMS()

pass_sec = time.time()-s_time

current_ch0 = (rms_vol_ch0 / 62) * 1800

current_ch1 = (rms_vol_ch1 / 62) * 1800

watt_ch0 = current_ch0 * 100

watt_ch1 = current_ch1 * 100

watth_ch0 = (pass_sec * watt_ch0) / 3600

watth_ch1 = (pass_sec * watt_ch1) / 3600

total_watth_ch0 += watth_ch0

total_watth_ch1 += watth_ch1

today = dt.strftime("%Y-%m-%d")

nowtime = dt.strftime("%H:%M:%S")

file_end = dt.strftime("%Y%m%d")

print ('日付: %s 時刻: %s 全電力: %.2fw(%.2fwh) 電力ch0: %.2fw(%.2fwh) 電力ch1 %.2fw(%.2fwh)' % (today,nowtime,watt_ch0+watt_ch1,total_watth_ch0+total_watth_ch1,watt_ch0,total_watth_ch0,watt_ch1,total_watth_ch1))