Inspiracja Zużycie energii elektrycznej. OneMeter

12 minut czytania

Temat odczytywania zużycia energii i wykorzystania odczytanych danych w systemie do automatyki był już kilka razy poruszany na łamach Forum Smart'ny Dom.

Nie raz zastanawiałem się jakie rozwiązanie zastosować we własnej instalacji

• dodatkowy licznik na szynie DIN zainstalowany w rozdzielni elektrycznej, dobrany tak, aby umożliwiał integrację z systemami automatyki
• jakieś rozwiązanie optyczne, a'la iNode, zliczające impulsy świetlne z licznika dostarczonego przez dostawcę energii
• czy też własna konstrukcja

Do pierwszego trzeba trochę przeorganizować rozdzielnię, wezwać elektryka, itd. Drugie, hm...zliczanie impulsów świetlnych, których określona ilość informuje o zużyciu 1kWh; te informacje następnie bluetooth'em do RPi; z RPi do ThingSpeak.com, a następnie do systemu automatyki.

Już prawie rozpocząłem projektować własne urządzenie, oparte właśnie o zliczanie impulsów diody LED licznika z wykorzystaniem sieci bezprzewodowej WiFi i  przesyłaniem danych bezpośrednio do MQTT Brokera, kiedy trafiłem na urządzenie OneMeter.

OneMeter to niewielkie urządzenie - beacon, które odczytuje dane wprost z licznika energii elektrycznej dostarczonego przez dystrybutora energii i  wyposażonego w port optyczny obsługujący protokoły IEC 62056-21 / IEC 1107 / SML / DLMS

Ten port wykorzystywany jest przez służby techniczne dystrybutorów energii do parametryzacji i odczytu danych z liczników energii elektrycznej.

OneMeter beacon odczytuje dane bezpośrednio z licznika.

Tak, nie są zliczane impulsy tylko wykonywane są odczyty danych z licznika. W zależności od licznika możemy mieć dostęp do takich danych jak:

• ile energii efektywnie zużyto / oddano do sieci
• ile energii zostało utraconej przy zużyciu / oddaniu do sieci
• ile energii o charakterze indukcyjnym zużyto / oddano do sieci

Ale nie tylko. Wymienione informacje dostępne są również w podziale na strefy czasowe, w których obowiązuje określona kwota za pobranie / oddanie energii. Lista dostępnych informacji jest dłuższa, wymieniłem te najczęściej wykorzystywane.

Kilka słów o samym urządzeniu

• Niewielkie urządzenie w formie beacona o średnicy 32mm i wysokości 15mm.
• Zasilanie jest bateryjne CR2032 z przewidywanym czasem pracy baterii około roku
• Transmisja danych odbywa się za pomocą Bluetooth LE; więc zasięg to do ok. 10m w trybie połączenia
• Dane są szyfrowane AES128b więc dopóki kwantowe komputery nie są dostępne; nikt tych danych nam nie ukradnie 😉
• Mocowany jest do licznika w wykorzystaniem wbudowanego magnesu neodymowego
• oraz pracuje w temperaturach -20 do 50stC

Urządzenie jest solidnie wykonane i dopieszczone detalami - chociażby grawerowany magnes, led informujący o stanie urządzenia. Samo opakowanie urządzenia daje pozytywne doświadczenia osobom, którym środowisko nie jest obojętne. To wszystko sprawia pozytywne wrażenie, że nie mamy do czynienia z samoróbką, czy jakąś tandetą wyprodukowaną na końcu świata.

Urządzenie jest produkowane w Polsce! przez technologiczny startup skoncentrowany na obszarze energetycznym, którego misją jest zapewnienie każdemu domowemu lub biznesowemu użytkownikowi energii  dostępu i lepszego zrozumienia ich zużycia energii.

Jak działa urządzenie OneMeter?

Urządzenie odczytuje dokładne dane pomiarowe z licznika, które za pośrednictwem transmisji bezprzewodowej bluetooth przesyłane są do Smartfonu, a następnie do chmury OneMeter Cloud.

Urządzenie odczytuje dane z licznika w co 15-minutowych interwałach czasu i natychmiast przekazuje odczytane informacje do chmury jeśli beacon ma dostęp do Smartfonu.

Planując integrację odczytywanych danych z własnym systemem do automatyki, nie ukrywam, że zmartwiła mnie ta konieczna obecność smartfona, aby przesyłać dane do chmury

• Nie mam cały czas smartfonu w obrębie ok 10 metrów od urządzenia
• Nie jestem non-stop w domu
• Bateria się wyczerpie itp, itd.

Rozwiązanie problemu, to dodatkowy, stary, tani smartfon na stałe podpięty do zasilania  w pobliżu urządzenia.

Ale, ale.... przeglądając dokumentację trafiłem, że mamy możliwość postawienia bramki nazwanej: OneMeter Gateway. Jest to specjalnie przygotowane oprogramowanie służące do ciągłego przesyłania danych z urządzenia OneMeter beacon do OneMeter Cloud

OneMeter Gateway, działa na urządzeniach z systemem Linux wyposażonych w Bluetooth. Dostępny jest pakiet instalacyjny OneMeter Gateway lub przygotowana dystrybucja Linux dla Raspberry Pi z zainstalowanym już oprogramowaniem wymagająca minimalnej konfiguracji. Oprogramowanie może swobodnie działać nawet na takim maleństwie, jak RPi Zero W.

Jak dla mnie, wystarczająco dobre rozwiązanie, aby mieć praktycznie zawsze aktualne dane w chmurze OneMeter i w systemie automatyki, o którym już za chwilę.

Czy urządzenie można ot tak stosować; co na to dystrybutorzy?

Na stronie producenta urządzenia można znaleźć taką notatkę:

OneMeter nie zakłóca pracy licznika. Nie ma więc powodu, dla którego operator miałby zabronić jego montażu. Użytkownik ma prawo odczytywać swój licznik w sposób analogiczny do operatora. Prawidłowe działanie urządzenia OneMeter Beacon potwierdzone zostało przez badanie wykonane przez Instytut Łączności (Potwierdzenie zgodności Nr 038/2016) oraz wystawioną Deklarację zgodności CE (oznaczenie CE 1471)

Instalacja

Nie ma się tutaj co rozwodzić. Jest tak banalnie prosta, że szkoda czasu, żeby specjalnie się rozpisywać:

• wyciągamy beacon z pudełka
• montujemy na porcie optycznym: trudność skali zero; przypominam mocowanie jest do licznika za pomocą wbudowanego w urządzenie magnesu
• otwieramy aplikację w smartfonie, logujemy się z wykorzystaniem jednej z sieci społecznościowych, wybieramy jaką mamy taryfę
• ... i koniec

Teraz kilka słów o stronie software'owej

Oczywiście nie zostajemy sami z urządzeniem ;). Do dyspozycji mamy dostęp do portalu, na którym możemy przeglądać i analizować informacje. Jest dostępna aplikacja na Androida, jeśli chodzi o iOS to jest w trakcie przygotowania (stan na czerwiec 2021)

Mamy dostępne statystyki, wykresy, tabele, koszty, prognozy, filtrowanie danych, jest tych informacji bardzo dużo i wydaje mi się dla większości użytkowników będzie tego wystarczająco.

Poniżej załączam galerię niektórych tylko informacji, które dostępne są przez portal

A tutaj screenshot'y z aplikacji mobilnej.

Integracja z systemem do automatyki

Powyżej napisałem kilka podstawowych informacji na temat urządzenia / oprogramowania. W dalszej części skupiam się na integracji OneMeter, a przede wszystkim dostępie do danych zbieranych przez urządzenie w ramach lokalnego systemu do automatyki.

Więc tak:

• urządzenie odczytuje dane co 15 minut
• mamy bramkę, która wysyła odczytane dane do chmury OneMeter
• możemy przeglądać dane przez przeglądarkę internetową lub aplikację mobilną

No, ale co gdybym chciał mieć te dane lokalnie w swojej bazie danych; analizować je na przeróżne sposoby; uruchamiać reguły za pomocą systemu do automatyki ,np.: na podstawie danych o zużyciu / oddaniu energii :

ooo produkuje więcej energii niż jestem w stanie zużyć, no to niech włączy się grzałka w basenie i zutylizuje nadprodukcję energii 😉

lub prezentować dane o zużyciu / wyprodukowaniu energii w naszym panelu , przykładowo:

Mamy taką możliwość. OneMeter udostępnia API, które pozwala na pobieranie danych z chmury OneMeter Cloud w formacie JSON.

Po zalogowaniu się do chmury mamy dostęp do naszego unikalnego klucza API, unikalnego ID urządzenia oraz dokumentacji do API, pozwalającej na pobranie szeregu różnych informacji w formie JSON.

Dokumentacja API zawiera opis, jak zintegrować się z HomeAssistant, Domoticz oraz OpenHab.

Nie przyglądałem się dokumentacji integracji: HA, Domoticz i nie mogę jej skomentować, natomiast konfigurację OpenHab przerobiłem. Jest poprawna, ale już trochę starawa i nie wykorzystująca komponentów OpenHab, jak np. Things. W dalszej części udostępniam bardziej rozbudowaną konfigurację, która umożliwia więcej niż przykład konfiguracji umieszczonej w dokumentacji OneMeter API.

Zanim przejdę do konkretów, jak co zrobić, to parę słów z czym trzeba się liczyć, jakie problemy rozwiązać, bo nie jest to integracja do zrobienia w dwóch, trzech krokach.

Jakie wyzwania musimy rozwiązać, z jakimi ograniczeniami musimy się liczyć?

1. Odczyty danych są co 15 minut, wiec nie mamy dostępu, do danych z licznika w czasie rzeczywistym.

• nic z tym nie zrobimy
• mamy dostęp do prawie rzeczywistych danych, czyli co ok. 15 minut
• Rozwiązanie:
  • poczekanie na kolejną aktualizację firmware, która w momencie pisania tego artykułu jest opracowywana i będzie miała odczyty w czasie rzeczywistym. Natomiast trzeba poczekać na końcową wersję i jej możliwości, aby zrozumieć o czym tutaj mówimy i z czego rzeczywiście będziemy mogli skorzystać. Tak, czy inaczej dane co 15 minunt to nie taki zły interwał.

2. Trzeba zapewnić stabilne przesyłanie danych z beacona'a do chmury, po to aby mieć w systemie automatyki dane co 15min

• jeśli nie będzie stabilnie to będziemy mieli poszatkowane dane.
• jest to istotne jeśli zależy nam na własnej analizie danych, wykresach, czy regułach związanych z "aktualne" pobieraną / oddawaną energią elektryczną
• Rozwiązanie:
  • Koniecznie Smartfon lub OneMeter Gateway np. na RPi, non-stop włączny w pobliżu urządzenia
    • Smartfon, który miałem włączony non-stop w odległości ok. 2 metrów od licznika przez ścianę dawał bardzo stabilną transmisję danych do chmury - testowane przez ok 1 tydzień
    • RPi4 z OneMeter Gateway około 6 metrów przez dwie ściany - nie działał stabilnie; transfery do chmury nie były wykonywane z sukcesem co 15 minut,
    • RPi4 i 3 metry od licznika, jedna ściana dzieląca - działa b. stabilnie od 3 miesięcy kiedy testuję urządzenie

3. Pobierane informacje z OneMeter Cloud to stan licznika zużycia energii (wartość) co 15 minut, a nie inkrementalne wartości zużycia energii w czasie

• o ile oczywiście może być interesujące jaki jest stan licznika, o tyle nas interesuje zużycie energii w czasie, czyli ile energii zużyliśmy w ciągu 15m, 1h , 1 dnia, itd.
• Rozwiązanie
  • Reguła w systemie do automatyki załatwi nam dodatkowe przeliczenia jakich potrzebujemy

4. Co jeśli zawiódł któryś z naszych komponentów: wyłączony system do automatyki, baza danych i straciliśmy dane itp.

• Rozwiązanie: 
  • Jednym z rozwiązań może być uruchamiany  w nocy skrypt, który za jednym "strzałem" pobierze dane z OneMeter Cloud z ostatnich 24 godzin. To umożliwi nam osiągnięcie 100% regularności zapisów danych w naszej lokalnej bazie danych

Przykład integracji dla systemu automatyki: openHab

Konfiguracja jest wykonana z wykorzystaniem plików konfiguracyjnych znajdujących się w /etc/openhab dla Linux'a w standardowej instalacji

Thing

Thing odczytuje dane z OneMeter Cloud w co 15-minutowych interwałach.

W ramach Thing można bezpośrednio wysyłać zapytania do OneMeter Cloud, jednak proponuję  te zapytania wykonywać za pomocą Linux'owego CRON'a zapisującego wynik odczytanych danych w lokalnie przechowywanym pliku - czyli na naszym serwerze do automatyki. Następnie w ramach Thing odczytywać lokalnie pobrany już plik. Dlaczego?

• OneMeter regularnie odczytuje dane z licznika o konkretnej godzinie : 00, 15, 30, 45 minut ... itd. W ramach OH Thing nie kontrolujemy czasu, kiedy zostanie wykonane zapytanie o dane do chmury OneMeter. W OH parametryzujemy interwały odczytów na przykład: niech Thing odświeża dane co 15 minut. Problem jest taki, że możemy mieć sytuację, że OneMeter Beacon odczyta dane z licznika o 14:15; wyśle je natychmiast do OneMeter Cloud, a nasz openHab te dane pobierze na przykład o 14:28 - bo tak sobie ustawi początek odliczania co piętnasto-minutowych interwałów. Trochę słabo, jeśli chce się mieć dane w systemie do automatyki w miarę bliskie rzeczywistym informacjom o zużyciu / produkcji energii.
• Można odpytywać OneMeter Cloud częściej niż co 15 minut, ale według mnie to strata zasobów:
  • będą szły do OneMeter Cloud tzw. suche przebiegi: odczyty danych, które niczego nowego nie dostarczą do naszego systemu automatyki.

W przypadku mojej konfiguracji Linux CRON odczytuje dane co 15 min startując: Godzina : 02, 17, 32, 47 minut - czyli z 2 minutowym przesunięciem w stosunku do odczytów wykonanych przez OneMeter Beacon.

Polecenie cron'a

Tutaj, jak może wyglądać polecenie CRON

curl -s -X GET --header 'Authorization: TUTAJ-API-TOKEN' 'https://cloud.onemeter.com/api/devices/TUTAJ-ID-URZADZENIA' -o /etc/openhab/html/onemeter/onemeter-device-data.json

Przykładowa konfiguracja Thing dla taryfy G12 odczytująca już lokalnie pobrany plik

OneMeter: openHab: things

1 file(s) 3.58 KB

Pobierz OneMeter.things

Items

OneMeter: openHab: items

1 file(s) 3.87 KB

Pobierz OneMeter.items

Reguła wykonująca konieczne obliczenia

OneMeter: openHab: rules

1 file(s) 1.59 KB

Pobierz OneMeter.rules

W GitHub umieściłem skrypt, który pobiera dane z OneMeter Cloud w regularnych 24 godzinnych interwałach i ładuje dane do bazy danych InfluxDBv2. Więcej informacji.

Skrypt zapewnia mi to, że jeśli miałem w czasie dnia jakieś zdarzenie, że nie działa regularna co-piętansto-minutowa wymiana informacji między beacon - chmurą - system automatyki (obojętnie gdzie był i jaki problem), skrypt zapewni odtworzenie poprawnych regularnych zapisów w lokalnej bazie danych.

Podsumowując

• (-) Trzeba liczyć się z ograniczeniami wynikającymi z transmisji danych bluetooth - odległości
  • coś za coś; transmisja WiFi 2.4 lub 5Ghz szybko pochłonęłyby baterię
  • informacyjnie: trwają prace nad nowym urządzeniem, które w linii prostej powinno umożliwić zasięg ok. 100m
• (-) Brak aplikacji mobilnej na iOS - w trakcie przygotowania
• (-) Nie wszystkie dostępne komendy API, byłem w stanie uruchomić z sukcesem.
  • Nie wiem jeszcze jakie ciekawe informacje mogę pobrać. Dokumentacja tutaj nie jest wystarczająco jasna
• (-) Urządzenie nie wspiera wszystkich liczników energii.
  • Konieczne jest sprawdzenie, czy nasz licznik energii OneMeter będzie obsługiwany; niektóre liczniki są blokowane przez dystrybutorów
• (+) Bardzo intuicyjna, prosta i nieinwazyjna instalacja urządzenia
• (+) Dostęp do aplikacji mobilnej (android). Aplikacja dobrze zaprojektowana i intuicyjna.
• (+) Wiele zestawień, wykresów, włącznie z kosztami, prognozami zużycia itp. dostępne z pudełka przez stronę www.
• (+) Dostęp do danych z licznika - zarówno pobór oraz produkcja energii; to nie jest zliczarka impulsów przeliczająca je na ilość zużytej energii - choć jest dostępna również taka opcja, z tego co wyczytałem
• (+) Dostęp do gromadzonych danych w chmurze dzięki udostępnieniu API
• (+) Dbałość o wykonanie urządzenia
• (+) Pozytywne doświadczenie z zespołem wsparcia
• (+) Rozsądne koszty urządzenia
• (+) Rodzimy produkt i produkcja

Co byłoby szczęściem dla osób chcących integrować urządzenie z lokalnym systemem 🙂

• bezpośredni dostęp do danych odczytywanych przez Beacon lub
• możliwość subskrypcji do OneMeter MQTT Brokera zamiast korzystania z API do Cloud - uprościłoby to sporo integrację

Przydałoby się:

• informacja o napięciu, np.: średnie z ostatnich 15 minut, albo jakieś chwilowe - tyle się słyszy o bardzo wysokim napięciu w sieci w słoneczne dni, kiedy pobliskie elektrownie fotowoltaiczne pracują pełną parą - ciekawe informacje do analizy
• możliwość pobrania informacji o kosztach za pomocą API

Na koniec jeszcze jedno zdanie ode mnie; zrozumienie, a przede wszystkim optymalizacja zużycia energii, czyli wspieranie ekologicznego i zrównoważonego stylu życia, są zachowaniami do których szczerze, szczerze i gorąco  zachęcam, szczególnie myśląc o naszych dzieciakach, wnukach, czy przyszłych pokoleniach. OneMeter jest ciekawym urządzeniem wspomagającym ten cel.